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James Giovannoni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“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特定個體，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)家測定了世界上首個番茄參考基因組，揭示了大約3.5萬個基因，促進(jìn)了作物改良方面的研究。目前，科研人員已經(jīng)對數(shù)百個野生和栽培番茄品系進(jìn)行了基因組測序，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，每個品種都含有一些特異的基因，因此基于單一栽培個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個參考基因組中缺少的基因，這些約占整個泛基因組的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)?！闭撐牡谝蛔髡?、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。”費(fèi)章君說，幸運(yùn)的是，這些都在泛基因組中找到了。

其中就包括一個罕見且關(guān)鍵的“TomLoxC”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)代育種中人們越來越關(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TomLoxC基因的一個新功能。

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)者對番茄的整體接受度。而TomLoxC蛋白的一個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?！辟M(fèi)章君說。

這對愛好番茄的人來說，或許是個“福音”。

解析基因“奧秘”，助力番茄改良

伴隨著測序技術(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，大量的測序數(shù)據(jù)為動植物泛基因組研究提供了豐富的素材。

費(fèi)章君指出，動植物等真核生物泛基因組研究目前較為缺乏。一方面，同時對至少幾十個甚至數(shù)千個個體進(jìn)行基因組測序和分析，時間、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?！拔磥恚绾胃咝Ш侠淼胤治隼靡约肮蚕磉@些數(shù)據(jù)資源，將會是該領(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，使用更精確的測序和分析手段，一方面擴(kuò)展對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)掘它們在新品種培育中的應(yīng)用潛力。”費(fèi)章君表示。