番茄作为全球产值最高的蔬菜作物之一，以其独特的风味赢得了消费者的喜爱。然而，现代育种工作更多聚焦于提高产量和增强抗病能力，而忽视了对风味特性的优化，这导致许多消费者感叹“现在的番茄不再有昔日的味道”。糖分是决定番茄口感的关键成分，多数消费者倾向于选择口感更甜的番茄。不过，糖分水平通常与果实大小成反比关系，这意味着在追求高产的同时，番茄的糖分含量往往会受到影响，尤其是在大型果品种中更为明显。因此，如何在保持或提升产量的基础上，同时改善番茄的风味，成为了育种专家们亟待解决的问题。
近日，中国农业科学院蔬菜花卉研究所、农业基因组研究所以及山东省农业科学院蔬菜研究所联合在国际顶级期刊Nature上发表了题为“Releasing a sugar brake generates sweeter tomato without yield penalty”的研究论文。该研究通过全基因组关联分析，发现了两个能够抑制番茄果实中糖分积累的“刹车”基因——CDPK27和CDPK26。利用基因编辑技术对这两个基因进行修改，可以使得番茄果实内的糖分含量提高约30%，并且不会影响单个果实的重量或整株植物的总产量。这一发现不仅揭示了果实内糖分积累调控的具体机制，也为解决育种过程中品质与产量之间的矛盾提供了新的策略。
深入研究表明，番茄果实中的糖主要以果糖和葡萄糖的形式存在，这些糖分在果实成熟过程中由叶片光合作用产生的蔗糖转化而来。虽然果实成熟初期糖分持续积累，但在果实颜色开始变化之后，这种积累趋势会减缓甚至逆转。研究团队发现，随着果实成熟，CDPK27和CDPK26的表达量逐渐增加，这两个基因通过磷酸化作用促使蔗糖合酶SUS3降解，从而阻止了更多的糖分在果实中积累。通过对这两个基因进行基因编辑，可以显著增强SUS3蛋白的稳定性，进而大幅度提高果实中的糖分含量，同时保持果实大小和植株整体产量不变，有效解决了提高果实甜度与保持产量之间的矛盾。
此外，研究还揭示了高糖分番茄品种中CDPK27表达量普遍较低的现象，这与该基因启动子区域的一个特殊插入序列有关，该序列能被转录抑制因子RAV识别。在番茄的长期驯化和改良过程中，对大果型的选择偏好导致了这一有助于提高糖分的遗传特征频率大幅下降，从野生番茄中的58.3%降至现代大果型番茄中的2.6%，这也是现代番茄风味下降的原因之一。
研究还探讨了开花植物成功的关键在于确保种子的健康发育，CDPK27和CDPK26可能在此过程中发挥着抑制多余糖分积累的作用，以保证种子的正常成长。然而，当种子在果实颜色变化后已经成熟，继续积累过多的糖分就变得没有必要。实验显示，经过基因编辑的植株虽然种子的大小和数量略有变化，但其发芽率保持正常，这表明光合产物可能在果实和种子之间进行了重新分配，为通过调节种子特性来提高果实甜度提供了新的可能性。
最后，这项研究通过基因编辑技术创造了一种新的CDPK27突变体，该突变体不仅自身无法磷酸化SUS3，还能干扰CDPK26对SUS3的磷酸化作用，从而更好地保护SUS3免于降解，实现了更高效的果实糖分积累。这一进展不仅开辟了育种的新途径，也为作物遗传改良带来了新的希望。
据了解，该项目自2017年立项之初便致力于解决在不降低单果重量的前提下提高果实糖含量的育种难题。为了寻找和确认抑制果实糖分积累的“刹车”基因，研究团队在北京、山东、广东等地广泛种植了番茄材料，对近3000株植物、超过20000个番茄果实的表型进行了详细调查。研究过程中，团队面临了台风侵袭、新冠疫情导致的实验室关闭、田间试验材料无法获取等多种挑战。尽管如此，为了获取精确的田间数据，团队成员坚持不懈，连续五年在北京、山东、广东三地收集了详尽的表型数据，最终成功鉴定出CDPK27/26作为抑制果实糖分积累的关键基因。这一成果得到了审稿人的高度认可。
中国农业科学院农业基因研究组所黄三文院士作为文章的通讯作者，中国农业科学院蔬菜花卉研究所张金喆副研究员、山东省农科院蔬菜所吕宏君助理研究员、基因组所博士后陈洁为文章共同第一作者。美国佛罗里达大学Harry Klee教授、康奈尔大学费章君教授、基因组所周永锋研究员对这项研究提出了宝贵的指导。基因组所杜然副研究员、王楠博士、曹雪博士、饶江雷博士、博士生王洁、农艺师吕亚清、王艳玲博士参与了此研究。云南师范大学祝光涛教授、中国农业大学马亮研究员、林涛教授、中科院植物所周姚研究员、中国标准化研究院钟葵副研究员对本研究提供了支持。该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、广东省重点领域研发计划和中国农业科学院科技创新工程等项目的资助。
