利用基因編輯和雜交育種來(lái)“微調(diào)”，提高了番茄產(chǎn)量。Lippman lab, CSHL供圖
在植物和動(dòng)物育種中，通常會(huì)涉及到簡(jiǎn)單的加法。當(dāng)發(fā)現(xiàn)了新的有益性狀，如更抗旱或果實(shí)更大，就會(huì)被人們通過(guò)雜交育種的方式添加到現(xiàn)有品種上。不過(guò)，偶爾也會(huì)發(fā)生添加一個(gè)有益性狀導(dǎo)致凈減法的情況。這是由于隱藏在現(xiàn)有基因和新添加性狀基因之間的互相作用。
美國(guó)冷泉港實(shí)驗(yàn)室（CSHL）植物遺傳學(xué)家團(tuán)隊(duì)在《細(xì)胞》（Cell）上發(fā)表了一篇論文，演示了如何匯集有益性狀卻產(chǎn)生消極的后果，也展示了如何利用這方面的知識(shí)，以從植物上獲得未開(kāi)發(fā)的產(chǎn)量潛力。他們通過(guò)植物雜交來(lái)獲得結(jié)論。
“研究的第一個(gè)例子是，我們知道的一個(gè)馴化基因阻礙了作物改良。”冷泉港實(shí)驗(yàn)室副教授Zachary Lippman領(lǐng)銜了這項(xiàng)研究，他表示，“這項(xiàng)工作表明了基因‘劑量’是如何被利用來(lái)微調(diào)和提高主要產(chǎn)量的性狀的。”
基因之間的相互作用，不管是好的還是壞的，都稱為上位。這項(xiàng)研究還表明通過(guò)識(shí)別和分析動(dòng)植物繁殖負(fù)面上位的類(lèi)似案例，人們可以打破農(nóng)業(yè)現(xiàn)有生產(chǎn)力的障礙。
幾乎所有今天種植的番茄，包括每一個(gè)你曾經(jīng)吃過(guò)的，都攜帶一個(gè)基因特點(diǎn)，它可能出現(xiàn)在8000至10000年前的農(nóng)業(yè)曙光之前。這種古老的基因突變使早期馴化的番茄植株在果實(shí)上面長(zhǎng)出更大的綠葉帽。
盡管不知道祖先們?yōu)槭裁从X(jué)得綠葉帽大了好，但這種性狀穿越歷史，成為大多數(shù)現(xiàn)代番茄品種基因組的一部分。
Lippman團(tuán)隊(duì)追蹤的第二次基因突變首先出現(xiàn)在20世紀(jì)中期一家公司的番茄地里。這次基因突變帶來(lái)了戲劇性的變化——無(wú)縫。新基因改變了花柄離區(qū)結(jié)構(gòu)，所謂無(wú)縫，意味著沒(méi)有關(guān)節(jié)。
其實(shí)對(duì)戰(zhàn)后的工業(yè)種植者而言，這是一個(gè)絕妙的改變。不是正好可以干凈利落地分離果實(shí)了嗎？而且摘下放到容器中后，也沒(méi)有殘留的莖穿刺其他番茄。
研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)識(shí)到古老的“綠帽基因”和現(xiàn)代的“無(wú)縫基因”有關(guān)系。Lippman表示，“這兩個(gè)基因在被選中時(shí)都被認(rèn)為是有益的，但放在同一植物上就有負(fù)面作用了。”古老的基因讓綠帽變大，阻礙了無(wú)縫這一基因的利用。
育種者和種植者都不知道為什么無(wú)縫植株有太多的枝來(lái)開(kāi)花，這稱為花序。“花序越多，開(kāi)花越多。”Lippman表示，“事實(shí)上這只是增加產(chǎn)量的一種方式。如果番茄或其他植物開(kāi)了太多的花，它有沒(méi)有足夠的資源把這些花變?yōu)楣麑?shí)呢？其結(jié)果是‘生育率’實(shí)際下降了。”
“我們團(tuán)隊(duì)想了解花序分枝和產(chǎn)量關(guān)系的遺傳基礎(chǔ)。”Lippman解釋說(shuō)，他們推斷可以通過(guò)了解負(fù)責(zé)分枝和開(kāi)花的基因的相互作用來(lái)得出答案。并且，“在無(wú)縫的情況下，提出一個(gè)更加平衡的版本，弱分枝也能意味著多花多果，卻不使植物負(fù)擔(dān)過(guò)重，產(chǎn)量也將增加”。
完全否定無(wú)縫賦予番茄植株的特質(zhì)——分枝大爆發(fā)是不必要的。團(tuán)隊(duì)能夠捕捉和利用這一潛力，調(diào)整負(fù)責(zé)綠帽大小的基因“劑量”，而不是清零了分枝的影響。
育種者終于找到一種方法來(lái)抵消不必要的分枝，這使他們能夠利用無(wú)縫的突變優(yōu)勢(shì)。番茄花序形狀就像人們熟悉的葡萄藤那樣，單莖掛果，排列在線性鋸齒圖案上。結(jié)果是弱枝番茄品種也是無(wú)縫的，容易機(jī)械收獲，而且有更多的果實(shí)。
“可能有更多的基因之間隱藏著不太明顯的互相作用，阻礙了育種者和農(nóng)民意識(shí)到它們?nèi)康倪z傳潛力。”Lippman說(shuō)。這一戰(zhàn)略的確定，逆轉(zhuǎn)負(fù)基因交互作用，可以幫助改善其他作物，也能用于馴養(yǎng)的動(dòng)物上。
