根據(jù)世界糧農(nóng)組織統(tǒng)計(jì)，全世界番茄總產(chǎn)值每年接近1千億美元。番茄具有低熱量，富含抗氧化的番茄紅素、多種礦物質(zhì)和維生素等優(yōu)勢(shì)，被稱為“世界第一大蔬菜作物”，在國(guó)際種業(yè)市場(chǎng)上，高端優(yōu)質(zhì)番茄的種子價(jià)格超過(guò)黃金（是的，你沒(méi)有看錯(cuò)?。?。

圖1 傳播路線
番茄起源于南美洲的安第斯山地帶；1523年，傳到西班牙、葡萄牙；1550年前后傳到意大利；1575年相繼傳到英國(guó)和中歐各國(guó)，但當(dāng)時(shí)僅作為觀賞植物。17世紀(jì)傳入菲律賓，后傳到其他亞洲國(guó)家。18世紀(jì)中葉開(kāi)始做食用栽培。1768年米勒（Miller）首次對(duì)它作出植物學(xué)描述，進(jìn)行分類和定名。
中國(guó)栽培的番茄從歐洲或東南亞傳入。清代汪灝在《廣群芳譜》（1708）的果譜附錄中有“番柿”：“一名六月柿，莖似蒿。高四五尺，葉似艾，花似榴，一枝結(jié)五實(shí)或三四實(shí)……草本也，來(lái)自西番，故名?！?nbsp;

2014年，時(shí)任中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉所研究員、深圳農(nóng)業(yè)基因組所副所長(zhǎng)黃三文領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際番茄變異組研究團(tuán)隊(duì)在Nature Genetics 雜志上，通過(guò)對(duì)世界各地的360份番茄種質(zhì)進(jìn)行重測(cè)序分析，揭示了番茄的進(jìn)化歷史。研究揭示番茄果實(shí)變大經(jīng)歷了兩次進(jìn)化過(guò)程，從藍(lán)莓大小的栽培番茄近緣物種（SP）到一般櫻桃大小的小果型番茄（SLC），再到各地食用的普通大果型栽培番茄（SLL）（圖4）。在此過(guò)程中分別有5個(gè)和13個(gè)果實(shí)重量基因受到了人類的定向選擇。其中，發(fā)現(xiàn)的多個(gè)位點(diǎn)，都有利于今天我們的有目的的遺傳改良。比如，發(fā)現(xiàn)第5號(hào)染色體是決定鮮食番茄和加工番茄（主要用于生產(chǎn)番茄醬）差異的主要基因組區(qū)域。通過(guò)全基因組關(guān)聯(lián)分析，發(fā)現(xiàn)了決定粉果果皮顏色的關(guān)鍵變異位點(diǎn)SlMYB12，此位點(diǎn)的變異使得成熟的粉果番茄果皮中不能積累類黃酮。這一發(fā)現(xiàn)為培育粉果番茄品種提供了有效的分子育種工具（Lin et al. Nature Genetics, 2014）       https://www./articles/ng.3117)

圖4 栽培番茄及其野生近緣植物的全基因組關(guān)系和番茄的果實(shí)形態(tài)變化

2020年1月，馬薩諸塞大學(xué)阿默斯特分校的Ana L Caicedo教授，通過(guò)群體基因組學(xué)方法來(lái)重點(diǎn)關(guān)注中間階段發(fā)生的進(jìn)化轉(zhuǎn)變，發(fā)現(xiàn)SLC的起源可能早于馴化，許多被認(rèn)為是典型的栽培番茄的性狀出現(xiàn)在南美洲的SLC中，但一旦這些部分馴化的品種向北傳播，這些性狀就會(huì)消失或減少（圖5）。在普通栽培番茄向全世界推廣之前，這些性狀可能會(huì)在普通栽培番茄中以一種趨同的方式被重新選擇，進(jìn)一步揭示了番茄復(fù)雜的馴化歷史（Razifard et al.,  Mol Biol Evol, 2020）。

             圖5 根據(jù)群體歷史分析和果實(shí)大小中值比較的綜合結(jié)果，推斷出番茄系統(tǒng)發(fā)育和馴化歷史

都說(shuō)萬(wàn)事有輪回！幾百年后，2018年以色列培育出全球最小“水滴西紅柿”個(gè)頭僅有藍(lán)莓大小，這種西紅柿食用方便，因?yàn)閭€(gè)頭很小，無(wú)需切開(kāi)，可直接放入沙拉中，且汁水充盈，咬上一口體會(huì)“爆漿”的感覺(jué)，很是享受。“水滴西紅柿”的種子最早源于荷蘭，后經(jīng)改良適應(yīng)了以色列南部干旱地區(qū)的生長(zhǎng)環(huán)境。

在番茄馴化中，果實(shí)重量大了幾百倍，在此過(guò)程中分別有5個(gè)和13個(gè)果實(shí)重量基因受到了人類的定向選擇（圖6）（Lin et al. Nature Genetics, 2014,）。

圖6 栽培番茄及其野生近緣植物的全基因組關(guān)系和番茄的果實(shí)形態(tài)變化

隨后的2017年，CSR（Cell Size Regulator）（fw11.3））基因被克隆，該基因的突變會(huì)導(dǎo)致番茄果皮細(xì)胞增大，果實(shí)重量增加，果肉豐滿多汁。櫻桃番茄（番茄的祖先）的人工馴化選育過(guò)程得到了CSR基因的突變基因型CSR-D，CSR-D比CSR缺少了1.4Kb，其編碼的蛋白截短了194個(gè)氨基酸。CSR基因編碼一個(gè)新的尚未得到研究的蛋白，共表達(dá)和GO聚類分析結(jié)果顯示CSR蛋白與果實(shí)組織和維管束的細(xì)胞分化有關(guān)（Mu et al., PLoS Genet. 2017; https://journals./plosgenetics/articleid=10.1371/journal.pgen.1006930。

圖7 CSR基因的突變基因型CSR-D使番茄果實(shí)增大

2020年，番茄果實(shí)變大的負(fù)調(diào)控因子ENO被發(fā)現(xiàn)，是一新的APETALA2/Ethylene Responsive Factor (AP2/ERF) 超家族轉(zhuǎn)錄因子，它可以通過(guò)在花器官中調(diào)控 WUSCHEL (一種信號(hào)通路)基因表達(dá)來(lái)限制花中干細(xì)胞的產(chǎn)生，進(jìn)而影響果實(shí)的大?。▓D8）。他們還發(fā)現(xiàn)，在長(zhǎng)期馴化過(guò)程中，ENO 啟動(dòng)子發(fā)生了突變，導(dǎo)致果實(shí)大小增大（圖9）。更具體地說(shuō)，他們發(fā)現(xiàn)ENO的突變導(dǎo)致產(chǎn)生了更多的空腔，這種空腔可以容納種子(Fernando et al., PNAS, 2020)。

 圖8 ENO參與轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，調(diào)控花器官分生組織大小

圖9 番茄野生祖先(A) ;半馴化的番茄(B) ; 栽培番茄品種(C-F) ; lc突變體(D) ; lc和fas 突變體(E) ;eno突變體(F)

番茄風(fēng)味形成機(jī)制——為培育美味番茄提供技術(shù)藍(lán)圖

風(fēng)味不像產(chǎn)量、抗病性、外形、色澤等易于量化的育種性狀，這一特性能“感覺(jué)到”，但“看不見(jiàn)、摸不著”，這就決定了研究的難度。

2017年，黃三文團(tuán)隊(duì)組織了一個(gè)170人的“品嘗小組”，對(duì)100多種番茄進(jìn)行了多次嚴(yán)格的品嘗實(shí)驗(yàn)，并利用數(shù)據(jù)模型分析確定了33種影響消費(fèi)者喜好的主要風(fēng)味物質(zhì)，這些物質(zhì)包括葡萄糖、果糖、檸檬酸、蘋果酸和29種揮發(fā)性物質(zhì)，揭示了番茄風(fēng)味的物質(zhì)基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，分析了來(lái)自世界各地400多份番茄的風(fēng)味物質(zhì)含量、并進(jìn)行基因組測(cè)序和生物信息學(xué)分析，獲得了控制風(fēng)味的250多個(gè)基因位點(diǎn)，從而首次闡明了番茄風(fēng)味的遺傳基礎(chǔ)。其中2個(gè)控制含糖量的基因位點(diǎn)，5個(gè)控制酸度的基因位點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)了一些揮發(fā)性物質(zhì)能夠提高果實(shí)的甜感，另一些可以賦予果實(shí)花香的氣味。這項(xiàng)成果為培育美味番茄提供給了切實(shí)可行的路線圖（Tieman et al., Science, 2017）。

而現(xiàn)代番茄，之所以“西紅柿沒(méi)有兒時(shí)的味道了”，是由于在現(xiàn)代育種過(guò)程過(guò)于注重產(chǎn)量、外觀等商品品質(zhì)，導(dǎo)致了控制風(fēng)味品質(zhì)的部分基因位點(diǎn)丟失，造成13種風(fēng)味物質(zhì)含量在現(xiàn)代番茄品種中顯著降低，最終使得番茄口感下降。

但是要將這些研究結(jié)果應(yīng)用到美味番茄育種中，需要對(duì)這些物質(zhì)的遺傳調(diào)控做進(jìn)一步的解析，了解其調(diào)控的分子機(jī)理。番茄有9億堿基對(duì)，3.5萬(wàn)基因，它們與33種決定番茄風(fēng)味的物質(zhì)又是怎樣發(fā)生關(guān)聯(lián)的？ 

2018年，黃三文團(tuán)隊(duì)再次在Cell雜志上發(fā)表論文，首次通過(guò)“代謝組+基因組+轉(zhuǎn)錄組”多組學(xué)大數(shù)據(jù)同時(shí)分析一種作物的育種過(guò)程，并解讀三者之間相互關(guān)系。分析了包含來(lái)自數(shù)百種番茄基因型的基因組，轉(zhuǎn)錄組和代謝組的數(shù)據(jù)集，建立一個(gè)多組學(xué)的網(wǎng)絡(luò)來(lái)整合上述數(shù)據(jù)，mGWAS和eQTL結(jié)果的重疊產(chǎn)生13361個(gè)三重關(guān)系(代謝-SNP–基因)，其中包括371個(gè)代謝物，970個(gè)SNPs，535個(gè)基因。該研究為番茄果實(shí)風(fēng)味和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的遺傳調(diào)控和全基因組設(shè)計(jì)育種提供了思路。不僅是這些風(fēng)味物質(zhì)，還發(fā)現(xiàn)了影響果實(shí)中多種維生素類、氨基酸等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量的遺傳位點(diǎn)。該文章為所有植物的代謝物的分子機(jī)理研究提供了源頭大數(shù)據(jù)和方法創(chuàng)新（圖10）（Zhu et al., Cell,2018）。

圖10  采用基因組、轉(zhuǎn)錄組、代謝組等多組學(xué)大數(shù)據(jù)同時(shí)分析一種作物的育種過(guò)程，并解讀三者之間相互關(guān)系

番茄的果實(shí)成熟是由植物激素乙烯所介導(dǎo)的，但是其作用是受一個(gè)未知機(jī)制的限制。乙烯涉及植物生長(zhǎng)，發(fā)育和應(yīng)激反應(yīng)的許多其它方面，不能誘導(dǎo)其種子未成熟的果實(shí)的成熟，這可能表明額外的調(diào)節(jié)機(jī)制影響果實(shí)向成熟的轉(zhuǎn)變和果實(shí)響應(yīng)乙烯而成熟的能力。

2013年，東北師范大學(xué)和康奈爾大學(xué)聯(lián)合在Nature Biotechnology雜志上，揭示了表觀遺傳修飾對(duì)番茄果實(shí)成熟的調(diào)控作用。首先是對(duì)番茄果實(shí)進(jìn)行了甲基轉(zhuǎn)移酶抑制劑的誘導(dǎo)，觀察DNA甲基化對(duì)果實(shí)成熟的影響。再進(jìn)一步對(duì)番茄果實(shí)成熟的4個(gè)階段以及兩個(gè)成熟基因突變體進(jìn)行BS測(cè)序。同時(shí)，為了深入闡述甲基化對(duì)果實(shí)成熟的調(diào)控，作者還進(jìn)行了小RNA、chIP-seq以及RNAseq分析。發(fā)現(xiàn)，DNA胞嘧啶甲基化的抑制作用，消除了在種子成熟之前阻止果實(shí)成熟的發(fā)育限制，導(dǎo)致種子成熟和果實(shí)發(fā)育過(guò)程的解偶聯(lián)。甲基化修飾不僅在不同組織中有差異，并且果實(shí)的不同發(fā)育時(shí)期都存在差異。同時(shí)，果實(shí)的整體甲基化水平很大程度上反映轉(zhuǎn)座子甲基化的變化（圖11）。番茄果實(shí)成熟過(guò)程中的甲基化水平逐漸下降，并且與成熟相關(guān)基因（cnr）的啟動(dòng)子的轉(zhuǎn)錄激活有關(guān)。RIN調(diào)控大量成熟相關(guān)基因，這些成熟相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄與RIN結(jié)合位點(diǎn)的甲基化狀態(tài)負(fù)相關(guān)，RIN結(jié)合位點(diǎn)隨著果實(shí)成熟而去甲基化，從而促進(jìn)成熟發(fā)育。

圖11 番茄的組織和發(fā)育特異性的表觀遺傳變異

基因表達(dá)是連接基因組和表型的橋梁，在物種馴化過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。目前對(duì)番茄基因表達(dá)變異的研究，主要基于單一番茄參考基因組亨氏1706, 馴化改良過(guò)程中表達(dá)存在/缺失變異(ePAV)的基因被忽視。通過(guò)組裝群體轉(zhuǎn)錄組，可以全面揭示馴化改良過(guò)程中番茄基因表達(dá)變異。

2020年1月，黃三文課題組在Journal of Integrative Agriculture (JIA)發(fā)表了題為“Domestication and breeding changed tomato fruit transcriptome”的研究，構(gòu)建了番茄泛轉(zhuǎn)錄組，全面分析了番茄馴化改良過(guò)程中的轉(zhuǎn)錄組變異。該研究對(duì)399份橙果期番茄的RNA-seq數(shù)據(jù)進(jìn)行了群體水平轉(zhuǎn)錄本的重新組裝，鑒定出41,265個(gè)基因在番茄橙果期表達(dá)，其中7,181個(gè)基因?yàn)樾禄颉４送猓?,629個(gè)基因在番茄馴化育種過(guò)程中差異表達(dá)，19個(gè)基因與番茄馴化育種過(guò)程中糖、酸等含量的變化有關(guān)，包括LIN5, TIV1和7個(gè)糖轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)的基因。在番茄馴化育種過(guò)程中6,123個(gè)基因缺失/獲得表達(dá)，其中包含160個(gè)響應(yīng)刺激相關(guān)基因。晚疫病抗性基因PIM_DN29746_c0_g3_i1和類過(guò)氧化物酶P7基因PIM_DN30274_c0_g2_i1，在馴化及育種過(guò)程中丟失表達(dá)（Liu, Journal of Integrative Agriculture (JIA)，2020)。

2020年5月，西班牙瓦倫西亞理工大學(xué)的Estefanía Mata-Nicolás等人，研究選取了包括醋栗番茄、櫻桃番茄和栽培番茄在內(nèi)的163份番茄材料來(lái)代表番茄在其起源和馴化中心—秘魯和厄瓜多爾的安第斯地區(qū)和中美洲的遺傳和形態(tài)多樣性。這份收集材料富含來(lái)自亞馬遜地區(qū)的未被分析過(guò)也未被廣泛使用的櫻桃番茄。形態(tài)學(xué)分析顯示，這些番茄材料在果實(shí)、花和營(yíng)養(yǎng)器官具有性狀多樣性。基于這些番茄材料已經(jīng)公布的的基因組（solgenomics. net/projects/varitome）通過(guò)SnpEff分析和全基因組關(guān)聯(lián)研究（Genome-Wide Association Studies，GWAS），作者不僅發(fā)現(xiàn)了已知的數(shù)量性狀基因座QTL和基因，還發(fā)現(xiàn)了與果色、每個(gè)花序花的數(shù)目及花序結(jié)構(gòu)等性狀相關(guān)的新位點(diǎn)。此外，作者將這163份材料分別與醋栗番茄、櫻桃番茄和栽培番茄的代表品種BGV007109（SP）、 LA2278（SLC）和Money Maker（SLL）進(jìn)行雜交并構(gòu)建了F2群體，F(xiàn)2種子可在COMAV和TGRC種質(zhì)資源庫(kù)免費(fèi)獲得。

Solanaceae Genomics  Network （https:///）整合了大量番茄種質(zhì)的基本信息、鑒定數(shù)據(jù)、譜系信息、基因組序列、SNPs和GWAS等分析結(jié)果（圖12），這些免費(fèi)并且方便獲取的資源為番茄的遺傳研究和品質(zhì)改良搭建了一個(gè)強(qiáng)大的平臺(tái)，對(duì)番茄的遺傳育種具有重要意義（Mata-Nicolás，Hortic Res，2020）。

圖12 番茄數(shù)據(jù)庫(kù)，整合了大量番茄種質(zhì)的基本信息、鑒定數(shù)據(jù)、譜系信息、基因組序列、SNPs和GWAS等分析結(jié)果

得益于基因編輯技術(shù)的發(fā)展，番茄也開(kāi)始了開(kāi)掛的歷程。

近年來(lái)，基因編輯技術(shù)快速發(fā)展，為農(nóng)作物育種帶來(lái)了變革，如作物的品種馴化方面，包括了孤兒作物的馴化和野生作物的從頭馴化。

使用基因編輯技術(shù)對(duì)具備天然抗逆性的野生植物進(jìn)行從頭馴化，是獲得抗逆作物的全新策略。

圖13: 基因編輯將理想株型、開(kāi)花的光周期不敏感性、果實(shí)大小和成熟同步性等重要馴化性狀一次性導(dǎo)入野生番茄

番茄像葡萄一樣，都市農(nóng)作物，你家陽(yáng)臺(tái)就可以種植！

在繁華都市，人們對(duì)新鮮果蔬產(chǎn)品的需求很大，催生了城市農(nóng)業(yè)這一新興產(chǎn)業(yè)。但是城市的空間有限，而為了能在狹小種植空間收獲更高產(chǎn)量，城市農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中栽培的作物大多植株矮小，生長(zhǎng)快速。為豐富人們的餐桌，開(kāi)發(fā)出更多新型“都市農(nóng)作物”已成為科學(xué)家的重要目標(biāo)。

 2019年12月23日，Nature Biotechnology雜志在線發(fā)表了來(lái)自美國(guó)冷泉港Zachary B. Lippman課題組題為“Rapid customization of Solanaceae fruit crops for urban agriculture”的研究論文。該研究將番茄三個(gè)基因突變后，培育了新品番茄，該品種植株外形緊湊，結(jié)出的小番茄就像葡萄一樣串在一起，并且能更早開(kāi)花結(jié)果，很適合在空間狹小的城市環(huán)境、甚至是空間站內(nèi)種植，將會(huì)是一種理想的“城市農(nóng)作物”。

該研究通過(guò)CRISPR基因編輯技術(shù)，對(duì)番茄的三種基因—SP基因、SP5G基因和SIER基因進(jìn)行了編輯。三種基因中，SP基因可調(diào)控植株的生長(zhǎng)成熟期，SP5G基因能控制植株的開(kāi)花時(shí)間，SIER基因則能調(diào)控植株莖干的長(zhǎng)度。通過(guò)設(shè)計(jì)了性狀疊加策略，將三種修飾后的突變基因結(jié)合起來(lái)，最終培育出的新品番茄植株外形緊湊，如同玫瑰花束，結(jié)出的小番茄就像葡萄一樣串在一起。相比其他番茄品種，新番茄能更早地停止生長(zhǎng)，更早開(kāi)花結(jié)果，40天即可成熟。因此，新品番茄果實(shí)小，味道好，種植起來(lái)很環(huán)保，不會(huì)占用大面積土地，很適合城市農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，甚至是在空間站種植。

圖14: CRISPR基因編輯技術(shù)，對(duì)番茄的三種基因—SP基因、SP5G基因和SIER基因進(jìn)行了編輯，產(chǎn)生葡萄串式番茄

2019年，巴西維索薩聯(lián)邦大學(xué)（Universidade Federal de Vi?osa）的Agustin Zs?g?n等人在Trends in Plant Science雜志在線發(fā)表了一篇觀點(diǎn)文章，指出利用最新的基因編輯技術(shù)，可能使番茄生產(chǎn)辣椒素（圖15）。這是以一種更簡(jiǎn)單更容易的方法來(lái)批量生產(chǎn)用于商業(yè)目的的辣椒素。它們具有營(yíng)養(yǎng)性和抗菌特性，能夠用于止痛藥和胡椒噴霧。Zs?g?n還強(qiáng)調(diào)，將辣椒素生物合成途徑放到番茄上，會(huì)使其生產(chǎn)變得更容易且廉價(jià)。

圖15 如何讓番茄生產(chǎn)辣椒素

這樣做到底可行不可行？辣椒和番茄擁有共同的祖先，1900萬(wàn)年前分開(kāi)，但仍然共享著一部分相同的DNA。研究者表示，他們有足夠強(qiáng)大的工具來(lái)設(shè)計(jì)任何物種的基因組，挑戰(zhàn)在于需要知道要設(shè)計(jì)哪種基因以及在哪里。辣椒全基因組測(cè)序以及番茄具有刺激性所必需基因的發(fā)現(xiàn)，為設(shè)計(jì)辛辣味番茄鋪平了道路。

番茄就像是天選之子，歷經(jīng)世紀(jì)輾轉(zhuǎn)，走向世界各地。相信隨著多組學(xué)數(shù)據(jù)的有機(jī)整合和基因編輯技術(shù)的發(fā)展，番茄的未來(lái)充滿著無(wú)限可能！

參考文獻(xiàn)：

【1】Sato, S., Tabata, S., Hirakawa, H. et al. The tomato genome sequence provides insights into fleshy fruit evolution. Nature 485, 635–641 (2012). 

【2】Zhong S, Fei Z, Chen Y, et al. Single-base resolution methylomes of tomato fruit development reveal epigenome modifications associated with ripening[J]. Nature Biotechnology, 2013, 31(2): 154-159.

【3】Lin, T., Zhu, G., Zhang, J. et al. Genomic analyses provide insights into the history of tomato breeding. Nat Genet 46, 1220–1226 (2014). 

【4】Guangtao Zhu，et al., Rewiring of the Fruit Metabolome in Tomato Breeding.Cell 172, 2018, Pages 249-261.e12

【5】Fernando J. Yuste-Lisbona, et al.,  ENO regulates tomato fruit size through the floral meristem development network. PNAS, 2020 117 (14) 8187-8195

【6】Li, T., Yang, X., Yu, Y. et al. Domestication of wild tomato is accelerated by genome editing. Nat Biotechnol 36, 1160–1163 (2018). https:///10.1038/nbt.4273

【7】Zs?g?n, A., ?ermák, T., Naves, E. et al. De novo domestication of wild tomato using genome editing. Nat Biotechnol 36, 1211–1216 (2018). https:///10.1038/nbt.4272

【8】Kwon, C., Heo, J., Lemmon, Z.H. et al. Rapid customization of Solanaceae fruit crops for urban agriculture. Nat Biotechnol 38, 182–188 (2020). https:///10.1038/s41587-019-0361-2

【9】LIU Dan, YANG Liang, ZHANG Jin-zhe, ZHU Guang-tao, Lü Hong-jun, Lü Ya-qing, WANG Yan-ling, CAO Xue, SUN Tian-shu, HUANG San-wen, WU Yao-yao. 2020. Domestication and breeding changed tomato fruit transcriptome. Journal of Integrative Agriculture, 19(1): 120-132.

【10】Mata-Nicolás, E., Montero-Pau, J., Gimeno-Paez, E. et al. Exploiting the diversity of tomato: the development of a phenotypically and genetically detailed germplasm collection. Hortic Res 7, 66 (2020). 

【11】Naves et al. Capsaicinoids: Pungency beyond Capsicum. 2019. Trends in Plant Science.

文末福利：