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    以《更好吃的番茄》為題，1月27日的《科學(xué)》雜志用封面報道介紹了中美科學(xué)家關(guān)于番茄風(fēng)味改良的化學(xué)和遺傳學(xué)路線圖研究成果，同期刊發(fā)了兩國科學(xué)家合作的論文。與此同時，《自然》雜志也就此在線發(fā)表了亮點報道。

    《科學(xué)》和《自然》雜志如此重視這小小番茄的原因在于，番茄既是一種非常受消費者歡迎的蔬菜，根據(jù)2014年世界糧農(nóng)組織的數(shù)據(jù)，全球番茄產(chǎn)值達(dá)962.8億美元；而且還是植物生物學(xué)家的最愛之一，它們堪稱植物遺傳學(xué)界的“小白鼠”。

    中美兩國科學(xué)家如何研究“風(fēng)味”這個能被感覺，但看不見摸不著的性狀？用什么方法解讀番茄基因組9億個堿基對，1200萬個變異的大數(shù)據(jù)？消費者什么時候才能吃上更好吃的番茄？帶著這些問題，《中國科學(xué)報》記者走進(jìn)了論文聯(lián)合通訊作者黃三文研究員和聯(lián)合第一作者祝光濤博士位于中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院基因組研究所和蔬菜花卉研究所的實驗室。

    一封發(fā)給美國“番茄院士”的郵件

    2013年10月13日，美國科學(xué)院院士、佛羅里達(dá)大學(xué)教授Harry Klee在北京舉行的第十屆國際茄科植物生物學(xué)大學(xué)上做了大會主題演講。

    不過讓他更為期待的是，會后他將去參觀蔬菜所研究員黃三文的實驗室，并商量日后的科研合作規(guī)劃。這一切源自《紐約時報》上的一篇報道和黃三文發(fā)給Klee的一封電子郵件。

    彼時恰是人類破解番茄全基因組后的第二年?！都~約時報》在2013年8月26日的一篇報道介紹了Klee關(guān)于番茄風(fēng)味的研究進(jìn)展。當(dāng)時，Klee正在用分子生物學(xué)等傳統(tǒng)手段研究番茄的風(fēng)味形成機制。他已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了幾種和番茄甜味相關(guān)的基因，并知道了決定番茄風(fēng)味的化合物與甜味、酸味有關(guān)，甚至包括400多種揮發(fā)類物質(zhì)。

    當(dāng)時，Klee希望在3到5年后培育出更好吃的可商業(yè)化種植的番茄新品種。但接下來的工作面對的是大量不知道何種作用的番茄基因，以及未知的揮發(fā)性類物質(zhì)生成路徑。更何況風(fēng)味是一種看不見摸不著的性狀，不像產(chǎn)量、抗病性、外形、色澤那樣易于量化。因此，傳統(tǒng)的育種方式缺乏高效的選育工具。

    就在這時，遠(yuǎn)在大洋彼岸的中國，黃三文也開始利用番茄全基因組的破解嘗試培育更甜的新品種。在看到《紐約時報》這篇報道后，8月30日，黃三文給Klee發(fā)去一封簡短的電子郵件，邀請他來實驗室參觀，并主動建議，借助雙方的優(yōu)勢——黃三文團隊的基因組學(xué)方法和Klee團隊的風(fēng)味研究——合作研究番茄的風(fēng)味問題。

    14個小時以后，黃三文收到了Klee的回信，他用一個完全大寫的VERY表示對這個提議非常感興趣，并一定要到黃三文的實驗室談一談合作。

    黃三文告訴《中國科學(xué)報》記者：“我們的基因組學(xué)方法為番茄風(fēng)味改良提供了一種全新而卓有成效的研究工具，這讓科學(xué)家有可能去改變一種看不見摸不著的性狀。”

    此后三年多，化學(xué)和基因組學(xué)結(jié)合，番茄風(fēng)味改良的愿景終于從概念變?yōu)榱寺肪€圖。

    “我希望能吃到小時候的番茄！”

    很多人都有這樣的體會，現(xiàn)在的蔬菜沒有小時候那么好吃了。“我希望能吃到小時候的番茄！”兒時的味道很多時候只存在于記憶里，如果沒有嘗到那種特定的味道，這種記憶就很難被喚醒。

    然而，味道或者說風(fēng)味，是一種非常難于描述的作物性狀，影響它的因素也非常復(fù)雜，并不是一兩種化合物或者基因就能決定的。

    2012年，擁有9億個堿基對的番茄全基因組圖譜被破解，黃三文團隊負(fù)責(zé)第11號染色體的測序（共12條染色體）。2014年，黃三文團隊繼續(xù)組織解讀番茄全基因組變異圖譜，發(fā)現(xiàn)了1200萬個基因組變異。要在這樣的大數(shù)據(jù)中找到?jīng)Q定番茄風(fēng)味的基因，必須要解決兩個問題。

    首先，什么是好吃的番茄？黃三文把解決這個問題的辦法叫做“消費者參與的育種”。過去育種學(xué)家主要關(guān)心的是果實的重量和植株的抗病性，而隨著人們生活水平的提高，消費者更加關(guān)心果實的風(fēng)味和是否有益于健康。因此，Klee實驗室在美國邀請了170位不同年齡、種族、性別的品嘗專家進(jìn)行嘗味，以期確定風(fēng)味的化學(xué)基礎(chǔ)。

    此前，他們已經(jīng)從400多種番茄代謝產(chǎn)物中挑選出了68種可能的風(fēng)味物質(zhì)，而品嘗專家則對其中78份番茄進(jìn)行了多次嚴(yán)格的品嘗實驗，收集了每份番茄的感官指標(biāo)，包括總體喜好度、風(fēng)味的濃度、甜味、鮮味等。繼而他們又對78種果實主要物質(zhì)進(jìn)行了測定，利用數(shù)據(jù)模型分析最終確定了33種影響消費者喜好的主要風(fēng)味物質(zhì)，包括葡萄糖、果糖、檸檬酸、蘋果酸和29種揮發(fā)類物質(zhì)。

    “吃起來甜度高的番茄不一定含糖量高，因為好幾種揮發(fā)性物質(zhì)能夠提高對甜味的感覺。”

    Klee說：“確定番茄風(fēng)味的化學(xué)基礎(chǔ)是風(fēng)味改良的第一步。”

    接下來的問題就是，如何在番茄巨大的基因庫里找到那些產(chǎn)生這33種物質(zhì)的合成途徑基因和調(diào)控基因。

    “為了鑒定番茄種質(zhì)中的優(yōu)良基因，我們對世界范圍內(nèi)的400份代表性的番茄種質(zhì)進(jìn)行了全基因組測序和多點多次的表型鑒定。利用全基因組關(guān)聯(lián)分析和連鎖分析最終鑒定了影響27種風(fēng)味物質(zhì)的200多個主效的遺傳位點。”祝光濤說。其中有2個基因控制了番茄的含糖量，5個控制了酸含量。

    黃三文說，關(guān)鍵的一步是，在雜交培育得到的番茄幼苗期就鑒別出需要的遺傳類型，這樣能大大提高育種效率，最終尋找到目標(biāo)新品種，這就是分子設(shè)計育種，也是番茄風(fēng)味改良的路線圖。

    “我們所有的研究都關(guān)注品質(zhì)”

    隨著黃三文的一部分工作轉(zhuǎn)移到農(nóng)科院新建的基因組所，為了加強密切合作，Klee教授和他的助手Denise Tieman博士也分別擔(dān)任了基因組所兼職研究員和兼職副研究員。接下來，中美科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了現(xiàn)代番茄不如小時候番茄好吃的原因。

    祝光濤告訴記者，通過基因組分析發(fā)現(xiàn)，含糖量位點正好落在全基因組的馴化區(qū)域，而且大多數(shù)品種都選擇了低含量的基因型。

    由于現(xiàn)代育種家主要關(guān)注果實的重量，所以他們懷疑這種強烈選擇可能源于果重和含糖量之間的負(fù)相關(guān)性。“分配到果實里的光合產(chǎn)物是一定的，果實越大，含糖量一般會越低。”黃三文說，通過風(fēng)味物質(zhì)遺傳基礎(chǔ)的解析和優(yōu)良基因的挖掘，將優(yōu)良基因恢復(fù)到現(xiàn)代品種中是下一步番茄品質(zhì)育種的努力方向。

    “我們所有的研究都關(guān)注品質(zhì)。”黃三文向記者強調(diào)，對于提高番茄風(fēng)味他們有更好的選擇。

    揮發(fā)類物質(zhì)不僅本身能通過嗅覺直接影響番茄的風(fēng)味，而且能夠通過增強食用過程中的味覺提高果實的風(fēng)味，有些甚至能夠不依賴糖的含量而提高果實的甜味感。但其含量在果實中非常低，在對這些物質(zhì)的調(diào)控過程中，只需要較小的產(chǎn)量代價，就能夠顯著提高番茄的風(fēng)味。

    “通過分子設(shè)計育種提高這些揮發(fā)性物質(zhì)的含量，不僅可以避免提高含糖量導(dǎo)致的產(chǎn)量損失，而且能夠開發(fā)出更適合糖尿病人群的優(yōu)質(zhì)風(fēng)味番茄。”黃三文說。

    中美科學(xué)家正在加緊培育新的番茄品種。“我們的研究為番茄風(fēng)味改良提供了一個切實可靠的遺傳路線圖，利用這個重要物質(zhì)的遺傳位點和代謝途徑，我們將能夠找回現(xiàn)代品種中丟掉的番茄味。”Klee對番茄風(fēng)味改良充滿信心。