近日，《科學》雜志以封面報道形式介紹了中美科學家關(guān)于番茄風味改良的化學和遺傳學路線圖研究成果，同期刊發(fā)了兩國科學家合作的論文。與此同時，《自然》雜志也就此在線發(fā)表了亮點報道。
小小番茄之所以獲得如此高的關(guān)注度，源于這種果實既是一種非常受消費者歡迎的蔬菜，又是植物生物學家的最愛之一，堪稱植物遺傳學界的“小白鼠”。
中美兩國科學家研究了“風味”這個能感覺到卻看不見摸不著的性狀，解讀了番茄基因組9億個堿基對、1200萬個變異的大數(shù)據(jù)。那么，消費者什么時候才能吃上更好吃的番茄？帶著這個問題，《中國科學報》記者走進了中國農(nóng)業(yè)科學院。
一封發(fā)給美國“番茄院士”的郵件
這項成果源自2013年《紐約時報》上的一篇報道和黃三文發(fā)給克里的一封電子郵件。
彼時恰是人類破解番茄全基因組后的第二年?！都~約時報》在當年8月26日的一篇報道中介紹了美國科學院院士、佛羅里達大學教授哈利·克里關(guān)于番茄風味的研究進展。當時，他發(fā)現(xiàn)了幾種與番茄甜味相關(guān)的基因，知道了決定番茄風味的化合物與甜味、酸味有關(guān)，甚至包括400多種揮發(fā)類物質(zhì)。他希望在3到5年后培育出更好吃的可商業(yè)化種植的番茄新品種。但接下來的工作面對的是大量不知道有何種作用的番茄基因，以及未知的揮發(fā)性類物質(zhì)生成路徑。
當時，遠在大洋彼岸的中國，上述論文聯(lián)合通訊作者、農(nóng)科院蔬菜所研究員黃三文也開始利用番茄全基因組的破解嘗試培育更甜的新品種?？吹皆搱蟮篮?，8月30日，黃三文給克里發(fā)去一封簡短的電子郵件，邀請他來實驗室參觀，并主動建議借助雙方的優(yōu)勢——黃三文團隊的基因組學方法和克里團隊的風味研究——合作研究番茄的風味問題。
14個小時后，黃三文收到了克里的回信，他表示對這個提議“非常”感興趣，并一定要到黃三文的實驗室談一談合作。
“我們的基因組學方法為番茄風味改良提供了一種全新而卓有成效的研究工具，這讓科學家有可能去改變一種看不見摸不著的性狀。”黃三文告訴《中國科學報》記者。此后三年多，化學和基因組學結(jié)合，番茄風味改良的愿景終于從概念變?yōu)榱寺肪€圖。
“我希望能吃到小時候的番茄！”
很多人都有這樣的體會，現(xiàn)在的蔬菜沒有小時候那么好吃了。“我希望能吃到小時候的番茄！”然而，味道或者風味是一種非常難于描述的作物性狀，影響它的因素也非常復(fù)雜，并不是一兩種化合物或者基因就能決定的。
2012年，擁有9億個堿基對的番茄全基因組圖譜被破解，黃三文團隊負責第11號染色體的測序（共12條染色體）。2014年，黃三文團隊繼續(xù)組織解讀番茄全基因組變異圖譜，發(fā)現(xiàn)了1200萬個基因組變異。要在這樣的大數(shù)據(jù)中找到?jīng)Q定番茄風味的基因，必須要解決兩個問題。
首先，什么是好吃的番茄？黃三文把解決這個問題的辦法叫作“消費者參與的育種”。為此，克里實驗室在美國邀請了170位不同年齡、種族、性別的品嘗專家進行嘗味，以期確定風味的化學基礎(chǔ)。
此前，他們已經(jīng)從400多種番茄代謝產(chǎn)物中挑選出了68種可能的風味物質(zhì)，而品嘗專家則對其中78份番茄進行了多次嚴格的品嘗實驗，收集了每份番茄的感官指標，包括總體喜好度、風味的濃度、甜味、鮮味等。繼而他們又對78種果實的主要物質(zhì)進行了測定，利用數(shù)據(jù)模型分析最終確定了33種影響消費者喜好的主要風味物質(zhì)，包括葡萄糖、果糖、檸檬酸、蘋果酸和29種揮發(fā)類物質(zhì)。
“吃起來甜度高的番茄不一定含糖量高，因為好幾種揮發(fā)性物質(zhì)能夠提高對甜味的感覺。”克里說，“確定番茄風味的化學基礎(chǔ)是風味改良的第一步。”
接下來的問題是，如何在番茄巨大的基因庫里找到那些產(chǎn)生這33種物質(zhì)的合成途徑基因和調(diào)控基因。
“為了鑒定番茄種質(zhì)中的優(yōu)良基因，我們對世界范圍內(nèi)的400份代表性的番茄種質(zhì)進行了全基因組測序和多點多次的表型鑒定。利用全基因組關(guān)聯(lián)分析和連鎖分析最終鑒定了影響27種風味物質(zhì)的200多個主效的遺傳位點。”該論文聯(lián)合第一作者、農(nóng)科院基因組研究所祝光濤博士說。其中有兩個基因控制了番茄的含糖量，5個控制了酸含量。
關(guān)鍵的一步是，黃三文說，在雜交培育得到的番茄幼苗期就鑒別出需要的遺傳類型，這樣能大大提高育種效率，最終尋找到目標新品種，這就是分子設(shè)計育種，也是番茄風味改良的路線圖。
加緊培育新番茄品種
隨著黃三文的一部分工作轉(zhuǎn)移到農(nóng)科院新建的基因組所，為了加強密切合作，克里和他的助手丹尼斯·鐵曼博士也分別擔任了基因組所兼職研究員和兼職副研究員。接下來，中美科學家發(fā)現(xiàn)了現(xiàn)代番茄不如小時候番茄好吃的原因。
祝光濤告訴記者，通過基因組分析發(fā)現(xiàn)，含糖量位點正好落在全基因組的馴化區(qū)域，而且大多數(shù)品種都選擇了低含量的基因型。
由于現(xiàn)代育種家主要關(guān)注果實的重量，他們懷疑這種強烈選擇可能源于果重和含糖量之間的負相關(guān)性。“分配到果實里的光合產(chǎn)物是一定的，果實越大，含糖量一般會越低。”黃三文說，通過風味物質(zhì)遺傳基礎(chǔ)的解析和優(yōu)良基因的挖掘，將優(yōu)良基因恢復(fù)到現(xiàn)代品種中是下一步番茄品質(zhì)育種的努力方向。
揮發(fā)類物質(zhì)不僅本身能通過嗅覺直接影響番茄的風味，而且能夠通過增強食用過程中的味覺提高果實的風味。但其含量在果實中非常低。“通過分子設(shè)計育種提高這些揮發(fā)性物質(zhì)的含量，不僅可以避免提高含糖量導(dǎo)致的產(chǎn)量損失，而且能夠開發(fā)出更適合糖尿病人群的優(yōu)質(zhì)風味番茄。”黃三文說。
中美科學家正在加緊培育新的番茄品種。“我們的研究為番茄風味改良提供了一個切實可靠的遺傳路線圖，利用這個重要物質(zhì)的遺傳位點和代謝途徑，我們將能夠找回現(xiàn)代品種中丟掉的番茄味。”克里對番茄風味改良充滿信心。
