生物學(xué)：基因編輯使西紅柿提前開花并且提前成熟！

改善了備受喜愛的櫻桃番茄（左圖），CSHL團(tuán)隊(duì)使用基因編輯在兩周前獲得成熟果實(shí)（右圖）。這些圖像是在種植后的同一時(shí)間拍攝的。圖片來源：Lippman lab，CSHL。

使用簡(jiǎn)單而強(qiáng)大的遺傳方法來調(diào)整兩種常見番茄植物的基因，冷泉港實(shí)驗(yàn)室（CSHL）的一個(gè)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種快速方法，使它們開花并生產(chǎn)成熟果實(shí)比商業(yè)育種者快2周以上目前能夠做到。

這意味著每個(gè)生長(zhǎng)季節(jié)種植面積更多，因此產(chǎn)量更高。在這種情況下，它還意味著植物可以在比當(dāng)前可能更偏北的緯度生長(zhǎng) - 這是地球氣候變暖的一個(gè)重要因素。

“我們的工作是基因編輯能力的有力證明 - CRISPR技術(shù) - 能夠迅速提高作物育種中的產(chǎn)量性狀，”CSHL負(fù)責(zé)該研究的副教授Zachary Lippman說。他說，應(yīng)用可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出番茄家族，包括許多主要糧食作物，如玉米，大豆和小麥，這些都是世界上很多人所依賴的。

李普曼澄清說，他的團(tuán)隊(duì)今天在Nature Genetics上發(fā)表的技術(shù)不僅僅是增加產(chǎn)量?！斑@真的是關(guān)于創(chuàng)建一個(gè)遺傳工具包，使一代人中的種植者和繁殖者能夠調(diào)整花卉生產(chǎn)的時(shí)間，從而調(diào)整產(chǎn)量，幫助調(diào)整我們的最佳品種，使其在世界上目前尚未繁榮發(fā)展的地區(qū)生長(zhǎng)?！?/p>

該方法的核心是Lippman及其同事獲得的見解，包括位于紐約伊薩卡的博伊斯湯普森研究所和JoséJiménez-Gómez博士領(lǐng)導(dǎo)的法國(guó)的植物科學(xué)家關(guān)于許多作物及其作物開花過程的演變。野生近緣種，因?yàn)樗c一天中光照期的長(zhǎng)短有關(guān)。遺傳研究揭示了為什么今天的栽培番茄植物與來自南美洲的野生親緣植物相比，對(duì)這一變量不是非常敏感。不知何故，馴化植物無論是12小時(shí)白天還是16小時(shí)都沒關(guān)系; 它們?cè)诜N植后幾乎在同一點(diǎn)開花。

眾所周知的荷爾蒙系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)開花時(shí)間 - 因此也就是植物產(chǎn)生第一個(gè)成熟果實(shí)的時(shí)間。激素成花素和一種被稱為SP（用于自我修剪）的抗逆轉(zhuǎn)“激素”激素一起以陰陽方式共同促進(jìn)或延遲開花。在新報(bào)告的研究的一個(gè)階段，研究人員研究了一種原產(chǎn)于加拉帕戈斯群島的野生番茄物種 - 靠近赤道，全年接近12小時(shí)的白天和黑夜。他們想知道為什么當(dāng)這個(gè)植物在夏季漫長(zhǎng)的北緯地區(qū)生長(zhǎng)時(shí)，這種植物在季節(jié)開花很晚，并且?guī)缀鯖]有果實(shí)。

使用基因編輯來改善珍貴的櫻桃番茄品種（左）產(chǎn)生更加茂密的植物（右），可以更密集地種植，提高產(chǎn)量，同時(shí)加速成熟約兩周。在種植后相同數(shù)天拍攝這些植物。圖片來源：Lippman lab，CSHL

他們了解到，野生赤道番茄對(duì)日光長(zhǎng)度非常敏感。一天越長(zhǎng)，開花時(shí)間越長(zhǎng)，而“當(dāng)你的光照時(shí)間更短，就像在植物的原生棲息地，它們開花得更快，”Lippman說。這表明在野生番茄植物馴化之前或期間的某些時(shí)間點(diǎn)發(fā)生了番茄植物的遺傳變化。利普曼懷疑，當(dāng)西班牙征服者科爾特斯于16世紀(jì)初將墨西哥從墨西哥帶到歐洲時(shí)，這種變化可能已經(jīng)發(fā)生，開始了該植物在中北緯度地區(qū)廣泛采用的時(shí)代。

Lippman及其同事將馴化番茄中日長(zhǎng)敏感性的缺失追溯到稱為SP5G（SELF PRUNING 5G）的基因突變。它是已知調(diào)節(jié)番茄開花時(shí)間的同一系列的成花和抗成花基因的成員。

Lippman及其同事在紐約的溫室和田地中種植加拉帕戈斯野生番茄植物，觀察到SP5G基因編碼的抗成花素激素的表達(dá)和活性急劇上升，導(dǎo)致開花后期發(fā)生。相反，在馴化的番茄植物中，抗成花素的激增要弱得多。

無論白天長(zhǎng)度如何，抑制SP5G基因與CRISPR的表達(dá)都會(huì)導(dǎo)致快速開花。改良植物位于右側(cè)，顯示與“未編輯的”野生型植物相同的播種天數(shù)。圖片來源：Lippman lab，CSHL。

該團(tuán)隊(duì)的主要?jiǎng)?chuàng)新 - 產(chǎn)生櫻桃和羅馬西紅柿的品種，其開花時(shí)間比它們所基于的馴化品種早得多 - 源于觀察到雖然馴化的植物對(duì)白天長(zhǎng)度特別不敏感，但是有一些殘留的表達(dá)。 -florigen SP5G基因，“Lippman說。

這導(dǎo)致團(tuán)隊(duì)使用基因編輯工具CRISPR來誘導(dǎo)SP5G基因中的微小突變。目的是完全滅活基因，使其根本不產(chǎn)生任何抗成花蛋白。當(dāng)這個(gè)經(jīng)過調(diào)整的SP5G版本被引入流行的羅馬和櫻桃番茄品種時(shí)，植物開花得更早，從而使果實(shí)更早成熟。調(diào)整另一種使番茄植物生長(zhǎng)成密集，緊湊，灌木狀的抗florigen基因，使得早花品種更加緊湊和早熟 - 這一團(tuán)隊(duì)稱之為“雙重決定?！?/p>

“我們?cè)谶@里展示的是快速繁殖，”Lippman說?！艾F(xiàn)在我們有一個(gè)簡(jiǎn)單的策略來徹底消除已經(jīng)種植的優(yōu)良近交系和雜交植物的日光敏感性。這可以使種植者擴(kuò)大其種植地理范圍，只需使用CRISPR快速'適應(yīng)'番茄和其他作物更多的北緯地區(qū)，夏季漫長(zhǎng)的日子和非常短的生長(zhǎng)季節(jié)?！?/p>