“找回儿时的番茄味道”是中国科学院院士、中国农业科学院研究员黄三文20多年前的梦想，那时他刚刚在中国农业科学院蔬菜花卉研究所（以下简称蔬菜所）开始独立科研生涯。
如今，接力棒交到了张金喆、吕宏君、陈洁等团队年轻人手中。从小在城市里长大的张金喆没有想到，他工作后的科研之路是从学种菜开始的。6年间，他们至少在地里“解剖”了2万个番茄，亲口尝过的番茄更是不计其数。
这项研究虽然曾经遭遇《科学》杂志的拒稿，但是他们原地站起，从评审意见中找到突破点，做成创新点，重新投到《自然》杂志，并获得三位评审人的一致好评。
北京时间2024年11月14日零时，中国农业科学院农业基因组研究所、蔬菜花卉研究所以及山东省农业科学院蔬菜研究所联合在《自然》上发表研究论文。该研究通过全基因组关联分析鉴定到一个抑制果实糖积累的刹车基因CDPK27及其同源基因CDPK26。通过编辑这两个基因，可使番茄果实糖含量增加30%，且不影响单果重和单株产量。
该发现阐明了果实糖积累的调控机制，为解决番茄育种中兼顾品质和产量的难题提供了新思路。
《自然》杂志同期发表了美国冷泉港实验室教授Amy Lanctot和美国加州大学伯克利分校教授的Patrick Shih的专评。他们认为，该研究为理解果实能量分配迈出了令人兴奋的一步，将为作物改良提供借鉴。
学种菜：从一篇《科学》论文起步
2017年1月27日，《科学》杂志用封面报道介绍了中美科学家关于番茄风味改良的化学和遗传学路线图研究成果。
这项研究借助黄三文团队的基因组学方法和美国科学院院士、佛罗里达大学教授Harry Klee的风味研究，合作攻关番茄的风味问题。他们发现了影响31种风味物质的49个关键遗传位点。其中有2个位点与糖含量相关，5个和酸含量相关。
但是当时并没有克隆到控制含糖量的基因。“我们关注的是蔬菜的品质问题。番茄的品质问题主要就是风味问题。”黄三文说，尽管风味由含糖量、含酸量和挥发性物质共同决定，但是“人类对于甜味的追求是刻在基因里的”，找到控制含糖量的基因是解决番茄风味问题首先要攻克的难关。
2017年夏天，想要做接地气研究的张金喆决定从事农业科学研究，从此他进入了黄三文团队。
要想搞农业科研，首先要学会种地。“番茄的病虫害太多了，土壤、光、温都要调节。有时候天气突然变冷，没有及时加温，一周后番茄就冻死了。”如今已经是蔬菜所副研究员的张金喆说，为了种好菜，他拜蔬菜所实验基地的“厂长”为师，学习各种种菜窍门。。
2018年，他接手了《科学》论文的后续研究。然而，番茄果实含糖量的调控基因却不那么容易定位。
黄三文介绍，番茄果实中主要积累了果糖和葡萄糖。在成熟过程中，糖含量并不会持续增加，尤其在番茄变红后，果实中的糖含量反而会有些许降低。
是什么在抑制番茄果实中糖分的积累？为什么要抑制糖分积累？
要想了解这个问题，首先要种好番茄。“突变体和对照组之间糖含量差异明显，才能确定目标基因的功能。”论文共同第一作者张金喆说，番茄种植过程受到多种环境因素的影响，稍微不注意就会表型不稳定。
到底突变体是否比对照组的含糖量更多了？张金喆也担心找错了方向。
经过好几年的摸索，他们才学会了如何种好番茄，并且发现突变体和对照组之间的差异确实存在。
第一个糖刹车基因：再投《科学》被拒
“每次下地收番茄，最少三个人，流水化作业。”张金喆说，先把果实擦干净，上秤称果重；第二个人再挤出番茄汁，测可溶性固形物含量；最后切片取样，冻在液氮里，回去后测果糖和葡萄糖含量。
北京、山东、广东，他们都布了实验点，每年要轮流去收番茄。但是新冠肺炎疫情期间，“我们去不了现场，当地也找不到人手帮我们收番茄，很多果实就那样烂在地里，有时候就是收了果实寄到北京也坏了。很痛心！”论文共同第一作者、山东农科院蔬菜所助理研究员吕宏君感慨，耽误了很多实验的进度。
利用基因编辑技术，研究团队共获得了3个突变体。
“当时我们发现，候选基因CDPK27的3个突变体中糖含量比对照组更高了。”黄三文回忆，他猜测这可能就是他们要寻找的目标基因。
研究团队在后来的研究中发现CDPK27这个基因在番茄果实成熟过程中表达量不断提高，可以通过磷酸化蔗糖合酶SUS3促进其降解，从而抑制葡萄糖和果糖在果实中的积累。
CDPK27和CDPK26抑制糖分积累
2022年，团队完成了论文初稿，并投给了《科学》杂志。评审专家认为，现有研究数据不能解释1号突变体上产生更高的含糖量的原因，拒收了他们的论文。
“那段时间是崩溃的。”张金喆一方面觉得挺好的工作被拒了有点可惜，另一方面也觉得评审意见说的有道理，工作做得还不够细致。
险些被丢掉的材料立了大功
“幸好1号突变体材料没有被丢掉。”论文共同第一作者、基因组所博士后陈洁告诉《中国科学报》，突变体不容易获得，所有突变体材料他们都舍不得丢。
后来研究团队发现1号突变体（CDPK27-CR1）中CDPK27缺失了6个碱基，丧失了与ATP结合的两个关键氨基酸，使得其自身的激酶活性受到很大影响，表明CDPK27-CR1可能具有显性负效应的作用。
进一步，他们找到一个和CDPK27演化关系最近的基因CDPK26。CDPK26也能像CDPK27那样通过磷酸化蔗糖合酶SUS3促进其降解，从而抑制葡萄糖和果糖在果实中的积累。
张金喆解释说，在2号突变体中，CDPK27发生了突变，完全丧失了功能，但CDPK26还能继续工作，对糖积累的刹车作用还存在；而在1号突变体中，CDPK27不仅自身不能磷酸化蔗糖合酶SUS3，还可通过干扰CDPK26对SUS3的磷酸化来保护SUS3蛋白不被降解，从而实现了比传统突变CDPK27基因更好地提高果实含糖量的效果，可分别提高葡萄糖和果糖含量35%和30%。
“不仅管自己，还管别人”，两个刹车基因同时失效，于是番茄变得更甜了。
CDPK27和CDPK26磷酸化SUS3促进其降解
这个发现让他们非常激动。“这是一种新的机制。”黄三文说，基因功能冗余现象在植物中非常常见，通过基因编辑技术创制目标基因更多的优异等位基因，将有可能通过显性负效应的作用来干扰其同源基因的功能，从而实现更好的作物遗传改良的效果。
研究团队开始组织新的实验，从各种角度验证双刹车基因的功能。结果发现，双突变体中，CDPK27/26基因编辑后的植株可显著提高SUS3蛋白的稳定性，并将葡萄糖和果糖含量进一步提升。
更重要的是，果实大小和单株产量没有显著变化，成功解决了提高果实糖含量但不影响果实大小的育种难题。
“过去育种家认为产量和品质是育种上的一对矛盾。产量高了，品质就会下降，或者产量高了，抗性就会下降。不仅在蔬菜瓜果里存在这种现象，在大田作物、主粮里也有这种情况。”黄三文告诉《中国科学报》，他们这项研究对改变这种情况提供了一种新的思路，只要找到了相关的调控基因，鱼和熊掌可以兼得。
完整的故事：获得《自然》审稿人肯定
论文准备投出去之前，他们又审视了一遍实验数据。
他们发现，高糖型番茄中CDPK27的表达量普遍偏低，且启动子区域有一个12个碱基的插入可被转录抑制因子RAV识别。然而，该12个碱基的插入位点与小果基因型位点高度连锁。在番茄驯化和改良过程中，由于过多选择了大果基因型，从而导致高糖位点的频率从野生番茄中的58.3%下降到现代大果番茄中的2.6%。
“野生番茄都是小果，含糖量很高。而现代番茄经过驯化以后，含糖量大大下降。”吕宏君说，这项工作揭示了现代番茄品种风味降低的直接原因。
论文作者Harry Klee则提出了另一个问题：果实重量不变的情况下，含糖量增加的来源是什么？也就是说糖从哪里来？
黄三文认为，开花植物的成功很大程度上取决于产生健壮的种子。番茄果实在成熟过程中首先要保障种子有足够的能量供应，CDPK27/26在果实成熟过程中抑制糖分积累，很可能是为了确保种子后期的正常发育。他建议测量一下突变体中种子的数据。
结果发现，突变体中的番茄种子数量减少，重量减少。“虽然我们还没有证明种子的变化和果肉中含糖量变化是因果关系，但是二者互相关联。”陈洁说，番茄种子在果实转色期后就已成熟，后期不需要过多的能量供应。进一步实验发现，突变体的种子萌发率没有显著变化。
CDPK27和CDPK26调控种子发育
他们又测算了CDPK27/26基因编辑的植株光合效率，基本没有变化。“这说明光合产物在果实和种子间可能发生了重新分配，为通过操控种子数量和大小提高果实含糖量提供了新的解决方案。”黄三文说。
CDPK27工作模型
这一次，他们投给了《自然》杂志。审稿人说，这项研究在不影响产量的情况下提高番茄果实品质方面取得了重大突破；不仅揭示了非常新颖的分子调控机制，具有重要的科学意义，对育种者和农业产业也具有重要的应用价值。
相关论文信息：
https://doi.org/10.1038/s41586-024-08186-2
编辑 | 余 荷
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