韓揚(yáng)眉

揭示番茄泛基因組，讓“迷失”的基因“回家”

現(xiàn)在的番茄沒有兒時(shí)的味道了。為了讓番茄變得更優(yōu)質(zhì)美味，全世界的科學(xué)家們可是費(fèi)了不小的功夫。

番茄在漫長的人類馴化和培育歷史中，從祖先的野生種逐漸成為“優(yōu)秀”的栽培種。然而，由于人工選擇，相對(duì)于野生祖先，栽培種的遺傳多樣性大幅減少，糟糕的是，其中負(fù)責(zé)“風(fēng)味”的一些基因也跟著消失了。挖掘和豐富番茄的基因資源，“復(fù)活”丟失的基因十分重要。

近日，美國康奈爾大學(xué)教授費(fèi)章君團(tuán)隊(duì)和JamesGiovannoni教授課題組合作構(gòu)建了栽培番茄及其近親的泛基因組，繪制了近5000個(gè)以前未記錄的基因。更重要的是，發(fā)現(xiàn)了使番茄具備良好氣味和口感的TomLoxC基因的一個(gè)“罕見”變體，這些有助于發(fā)掘番茄重要性狀相關(guān)的基因資源，科學(xué)指導(dǎo)番茄改良和育種。相關(guān)成果于近日發(fā)表在《自然—遺傳學(xué)》上。

構(gòu)建泛基因組圖譜，更“懂”番茄

番茄是全球消費(fèi)量最大的蔬菜、水果之一，根據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織統(tǒng)計(jì)，2017年世界總產(chǎn)量達(dá)1.82億噸，價(jià)值超過600億美元。在美國，番茄是僅次于土豆的第二大食用蔬菜。而在中國，它既是美味佳肴的“主角”，又是夏日解暑的鮮食水果，其風(fēng)味和品質(zhì)備受青睞。

基因組是打開生命體奧秘的“鑰匙”，但基因組通常來自某個(gè)特定個(gè)體，只能作為同一物種內(nèi)其他生物體的參考基因組。

2012年，科學(xué)家測(cè)定了世界上首個(gè)番茄參考基因組，揭示了大約3.5萬個(gè)基因，促進(jìn)了作物改良方面的研究。目前，科研人員已經(jīng)對(duì)數(shù)百個(gè)野生和栽培番茄品系進(jìn)行了基因組測(cè)序，發(fā)現(xiàn)了一些在番茄的馴化和改良過程中顯著改變的基因組區(qū)域。

“這些基因組序列積累了豐富的數(shù)據(jù)資源，但是，所有的分析都是基于與參考基因組序列比對(duì)進(jìn)行的，這導(dǎo)致在參考基因組上缺失的基因信息無從獲得?！闭撐耐ㄓ嵶髡咧毁M(fèi)章君告訴筆者。

他繼而補(bǔ)充道，番茄品種繁多、風(fēng)味各異，具有顯著的形態(tài)和代謝多樣性，每個(gè)品種都含有一些特異的基因，因此基于單一栽培個(gè)體的參考基因組無法代表各種番茄的全部基因信息。此外，現(xiàn)代作物育種和改良常常受限于現(xiàn)有品種遺傳基礎(chǔ)狹窄、選育潛力不足。為此，需要從野生近緣種中引入馴化或改良過程中丟失的優(yōu)良基因?！拔覀冃枰嬲{(diào)查番茄的基因庫，了解其組成和在各類群中的分布，為番茄的改良提供指導(dǎo)?！?/p>

與參考基因組相比，“泛基因組”涵蓋了整個(gè)物種的基因庫，以及所有基因的序列及其在種群中的分布信息。這些信息可直接用于克隆目標(biāo)基因，利用現(xiàn)代分子育種手段迅速轉(zhuǎn)移到現(xiàn)有栽培品種中，大大加速育種工作的進(jìn)程。

研究人員分析了725個(gè)不同的栽培番茄品種及其野生近緣種的基因組序列，繪制了近5000個(gè)參考基因組中缺少的基因，這些約占整個(gè)泛基因組的12%。

“這些基因涵蓋了調(diào)控不同番茄特異性狀的主要基因，為將來番茄育種中引入特異的優(yōu)良性狀提供了重要的信息和指導(dǎo)。”論文第一作者、康奈爾大學(xué)Boyce Thompson植物研究所博士后高磊說。

發(fā)現(xiàn)控制風(fēng)味的罕見基因變體

基于經(jīng)濟(jì)因素的考慮，現(xiàn)代育種家主要關(guān)心產(chǎn)量、外觀及貨架期等對(duì)生產(chǎn)者有利的性狀，而忽略了風(fēng)味口感等難以選育的復(fù)雜性狀，而這些恰恰是消費(fèi)者所關(guān)注的。

“在番茄的馴化和改良過程中，由于強(qiáng)大的人工選擇，大量基因丟失或近乎丟失，其中許多都與植物抗性和果實(shí)品質(zhì)相關(guān)，這也解釋了栽培番茄的遺傳多樣性降低，以及抗性遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其野生祖先的現(xiàn)象?！辟M(fèi)章君說，幸運(yùn)的是，這些都在泛基因組中找到了。

其中就包括一個(gè)罕見且關(guān)鍵的“Tom-LoxC”基因變體。

已有研究表明，“TomLoxC”蛋白可以催化脂肪衍生的芳香物質(zhì)的合成，從而影響番茄風(fēng)味。研究人員基于泛基因組分析，發(fā)現(xiàn)了新型的TomLoxC基因變體。

高磊介紹道，該新型基因變體在91.2%的野生番茄中存在，比較普遍，而由于番茄在馴化過程中該變體經(jīng)歷了持續(xù)的負(fù)選擇，導(dǎo)致其在櫻桃番茄和傳統(tǒng)大果番茄兩類栽培品種中非常罕見（僅有2.2%）。不過，在現(xiàn)代育種的品種中，存在TomLoxC基因變體的頻率為7%?！罢f明TomLoxC基因變體又開始被重新引入，這與現(xiàn)代育種中人們?cè)絹碓疥P(guān)心果實(shí)風(fēng)味的改善相一致?！?/p>

更重要的是，研究人員還“解鎖”了Tom-LoxC基因的一個(gè)新功能。

芳香揮發(fā)物能夠讓番茄果實(shí)更美味。最近的研究表明，特定的芳香揮發(fā)物，比如脂肪酸、氨基酸和類胡蘿卜素等衍生的芳香物質(zhì)關(guān)系著番茄的香味強(qiáng)度、風(fēng)味特征，以及消費(fèi)者對(duì)番茄的整體接受度。而TomLoxC蛋白的一個(gè)已知功能就是可以催化脂肪衍生的芳香物質(zhì)的合成。

“我們發(fā)現(xiàn)TomLoxC蛋白同時(shí)也可以促進(jìn)從類胡蘿卜素（決定番茄紅色的色素）中產(chǎn)生芳香化合物，這有助于獲得所需的番茄風(fēng)味。”費(fèi)章君說。

這對(duì)愛好番茄的人來說，或許是個(gè)“福音”。

解析基因“奧秘”，助力番茄改良

伴隨著測(cè)序技術(shù)提升與成本降低，泛基因組學(xué)的研究從最初的微生物逐漸擴(kuò)展到人類及重要作物，大量的測(cè)序數(shù)據(jù)為動(dòng)植物泛基因組研究提供了豐富的素材。

費(fèi)章君指出，動(dòng)植物等真核生物泛基因組研究目前較為缺乏。一方面，同時(shí)對(duì)至少幾十個(gè)甚至數(shù)千個(gè)個(gè)體進(jìn)行基因組測(cè)序和分析，時(shí)間、資金以及計(jì)算能力仍是重大挑戰(zhàn)。另一方面，在構(gòu)建策略和分析方法上，科學(xué)家尚未達(dá)成共識(shí)?！拔磥?，如何高效合理地分析利用以及共享這些數(shù)據(jù)資源，將會(huì)是該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)之一?！?/p>

隨著番茄泛基因組圖譜的揭示，人們知曉了更多的番茄基因“密碼”，從而幫助那些曾在馴化中“迷失”的基因“回家”，讓栽培番茄的家族“開枝散葉”，培育出更抗病、更高產(chǎn)、風(fēng)味更獨(dú)特的優(yōu)秀新品種指日可待。

“不過，我們的研究還有很多的品系，尤其是很多野生種尚未包括在內(nèi)。”費(fèi)章君表示。番茄有許多近緣的野生種，這些近緣野生種可以與栽培番茄無障礙雜交，它們富含珍貴的優(yōu)良基因，是今后番茄改良的重要種質(zhì)資源。

未來，開展番茄泛基因組研究需要擴(kuò)大取樣范圍，使用更精確的測(cè)序和分析手段，一方面擴(kuò)展對(duì)番茄遺傳多樣性的覆蓋度，另一方面改進(jìn)泛基因組的準(zhǔn)確性，從而進(jìn)一步促進(jìn)番茄的研究和改良?！拔覀冞€需要深入解析這些基因功能，發(fā)掘它們?cè)谛缕贩N培育中的應(yīng)用潛力。”費(fèi)章君表示。