从巨大的果实到紧凑的植株大小，今天的番茄已经通过数千年的育种塑造而成。但遗传学家发现，与珍贵性状相关的突变——包括使它们更容易收获的突变——结合在一起时，会产生不良的植物。
纽约冷泉港实验室的遗传学家扎卡里·利普曼说，这是一个罕见的例子，表明在驯化过程中利用的基因后来阻碍了作物改良的努力。在确定了这些突变后，他和他的同事使用 CRISPR 基因编辑技术来培育更高产的植物——植物育种者渴望采用这一策略。
图森市亚利桑那大学的植物遗传学家罗德·温格说：“这非常令人兴奋。“这种方法可以应用于作物改良，不仅在番茄中，而且在所有作物中。”
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烂番茄
利普曼很熟悉番茄农场。十几岁时，他整个夏天都在手工采摘番茄——这是他讨厌的差事。“烂番茄。气味持续一整天，”他说。“我总是祈祷番茄收获日下雨。”
但多年以后，他对控制植物形状的遗传学产生了兴趣，这使他回到番茄地，去理清育种者在不知不觉中所做的遗传改变。
在 20 世纪 50 年代，研究人员在加拉帕戈斯群岛生长的野生番茄近缘种中发现了一种新性状：它缺少茎的膨胀部分，称为关节。
关节是茎的薄弱区域，使果实能够从植株上掉落。野生植物受益于果实掉落，因为它有助于种子传播。但是随着机械番茄采摘机的出现，农民希望他们的果实留在植株上。育种者争先恐后地将“无关节”性状融入他们的番茄中。
这个新性状也有一个缺点。当它与现有的番茄品种杂交时，产生的植株的花枝会产生许多额外的分枝，看起来像扫帚，末端长出许多花。这些花消耗了植物的资源，减少了它产生的果实数量。育种者选择了其他遗传变异来克服这一缺陷。但几十年后，利普曼的团队开始寻找这种现象背后的基因。
两个正确反而导致错误
他们之前筛选了 4,193 个番茄品种的集合，寻找那些具有不寻常分枝模式的品种。从该集合中，他们追踪到两个基因的变异，这两个基因共同导致了与植物育种者所见的类似的极端分枝。该团队在 5 月 18 日在线发表在《细胞》杂志上的一篇论文中报告说，其中一个基因负责无关节性状。
另一个基因有利于在果实顶部形成由叶状结构组成的大型绿色帽状物——这一性状是在数千年前番茄驯化的早期被选择出来的。利普曼说，这种性状的好处尚不清楚，但它可能有助于支撑更重的果实。
在揭示了这些基因后，他的团队使用 CRISPR-Cas9 编辑技术消除了它们的活性，以及第三个也影响花朵数量的基因的活性，以不同的组合方式进行。这产生了一系列植物结构，从长而细长的花枝到浓密、类似花椰菜的花簇——包括一些产量更高的植物。
雅典佐治亚大学的植物育种家安德鲁·帕特森说，这些发现应该有助于消除植物育种家长期以来的疑虑，即理想遗传性状之间的负面相互作用是一种不可忽视的力量。他说，这个想法一直存在争议，因为这些影响在统计学上很难检测到。
利普曼的团队现在正在与植物育种家合作，使用基因编辑技术开发出枝和花针对果实大小进行优化的番茄。例如，果实较大的植物，如果其花枝比果实较小的植物少，则可能具有更好的产量。
“我们真的在挖掘基础知识并将其应用于农业，”他说。“具有讽刺意味的是，这恰好是我在农场最不喜欢收获的作物。”
本文经许可转载，并于2017 年 5 月 18 日首次发表。