基因组学出手助番茄复“味”
以《更好吃的番茄》为题，1月27日的《科学》杂志用封面报道介绍了中美科学家关于番茄风味改良的化学和遗传学路线图研究成果，同期刊发了两国科学家合作的论文。与此同时，《自然》杂志也就此在线发表了亮点报道。
《科学》和《自然》杂志如此重视这小小番茄的原因在于，番茄既是一种非常受消费者欢迎的蔬菜，根据2014年世界粮农组织的数据，全球番茄产值达962.8亿美元；而且还是植物生物学家的最爱之一，它们堪称植物遗传学界的“小白鼠”。
中美两国科学家如何研究“风味”这个能被感觉，但看不见摸不着的性状？用什么方法解读番茄基因组9亿个碱基对，1200万个变异的大数据？消费者什么时候才能吃上更好吃的番茄？带着这些问题，《中国科学报》记者走进了论文联合通讯作者黄三文研究员和联合第一作者祝光涛博士位于中国农业科学院基因组研究所和蔬菜花卉研究所的实验室。
一封发给美国“番茄院士”的邮件
2013年10月13日，美国科学院院士、佛罗里达大学教授Harry Klee在北京举行的第十届国际茄科植物生物学大学上做了大会主题演讲。
不过让他更为期待的是，会后他将去参观蔬菜所研究员黄三文的实验室，并商量日后的科研合作规划。这一切源自《纽约时报》上的一篇报道和黄三文发给Klee的一封电子邮件。
彼时恰是人类破解番茄全基因组后的第二年。《纽约时报》在2013年8月26日的一篇报道介绍了Klee关于番茄风味的研究进展。当时，Klee正在用分子生物学等传统手段研究番茄的风味形成机制。他已经发现了几种和番茄甜味相关的基因，并知道了决定番茄风味的化合物与甜味、酸味有关，甚至包括400多种挥发类物质。
当时，Klee希望在3到5年后培育出更好吃的可商业化种植的番茄新品种。但接下来的工作面对的是大量不知道何种作用的番茄基因，以及未知的挥发性类物质生成路径。更何况风味是一种看不见摸不着的性状，不像产量、抗病性、外形、色泽那样易于量化。因此，传统的育种方式缺乏高效的选育工具。
就在这时，远在大洋彼岸的中国，黄三文也开始利用番茄全基因组的破解尝试培育更甜的新品种。在看到《纽约时报》这篇报道后，8月30日，黄三文给Klee发去一封简短的电子邮件，邀请他来实验室参观，并主动建议，借助双方的优势——黄三文团队的基因组学方法和Klee团队的风味研究——合作研究番茄的风味问题。
14个小时以后，黄三文收到了Klee的回信，他用一个完全大写的VERY表示对这个提议非常感兴趣，并一定要到黄三文的实验室谈一谈合作。
黄三文告诉《中国科学报》记者：“我们的基因组学方法为番茄风味改良提供了一种全新而卓有成效的研究工具，这让科学家有可能去改变一种看不见摸不着的性状。”
此后三年多，化学和基因组学结合，番茄风味改良的愿景终于从概念变为了路线图。
“我希望能吃到小时候的番茄！”
很多人都有这样的体会，现在的蔬菜没有小时候那么好吃了。“我希望能吃到小时候的番茄！”儿时的味道很多时候只存在于记忆里，如果没有尝到那种特定的味道，这种记忆就很难被唤醒。
然而，味道或者说风味，是一种非常难于描述的作物性状，影响它的因素也非常复杂，并不是一两种化合物或者基因就能决定的。
2012年，拥有9亿个碱基对的番茄全基因组图谱被破解，黄三文团队负责第11号染色体的测序（共12条染色体）。2014年，黄三文团队继续组织解读番茄全基因组变异图谱，发现了1200万个基因组变异。要在这样的大数据中找到决定番茄风味的基因，必须要解决两个问题。
首先，什么是好吃的番茄？黄三文把解决这个问题的办法叫做“消费者参与的育种”。过去育种学家主要关心的是果实的重量和植株的抗病性，而随着人们生活水平的提高，消费者更加关心果实的风味和是否有益于健康。因此，Klee实验室在美国邀请了170位不同年龄、种族、性别的品尝专家进行尝味，以期确定风味的化学基础。
此前，他们已经从400多种番茄代谢产物中挑选出了68种可能的风味物质，而品尝专家则对其中78份番茄进行了多次严格的品尝实验，收集了每份番茄的感官指标，包括总体喜好度、风味的浓度、甜味、鲜味等。继而他们又对78种果实主要物质进行了测定，利用数据模型分析最终确定了33种影响消费者喜好的主要风味物质，包括葡萄糖、果糖、柠檬酸、苹果酸和29种挥发类物质。
“吃起来甜度高的番茄不一定含糖量高，因为好几种挥发性物质能够提高对甜味的感觉。”
Klee说：“确定番茄风味的化学基础是风味改良的第一步。”
接下来的问题就是，如何在番茄巨大的基因库里找到那些产生这33种物质的合成途径基因和调控基因。
“为了鉴定番茄种质中的优良基因，我们对世界范围内的400份代表性的番茄种质进行了全基因组测序和多点多次的表型鉴定。利用全基因组关联分析和连锁分析最终鉴定了影响27种风味物质的200多个主效的遗传位点。”祝光涛说。其中有2个基因控制了番茄的含糖量，5个控制了酸含量。
黄三文说，关键的一步是，在杂交培育得到的番茄幼苗期就鉴别出需要的遗传类型，这样能大大提高育种效率，最终寻找到目标新品种，这就是分子设计育种，也是番茄风味改良的路线图。
“我们所有的研究都关注品质”
随着黄三文的一部分工作转移到农科院新建的基因组所，为了加强密切合作，Klee教授和他的助手Denise Tieman博士也分别担任了基因组所兼职研究员和兼职副研究员。接下来，中美科学家发现了现代番茄不如小时候番茄好吃的原因。
祝光涛告诉记者，通过基因组分析发现，含糖量位点正好落在全基因组的驯化区域，而且大多数品种都选择了低含量的基因型。
由于现代育种家主要关注果实的重量，所以他们怀疑这种强烈选择可能源于果重和含糖量之间的负相关性。“分配到果实里的光合产物是一定的，果实越大，含糖量一般会越低。”黄三文说，通过风味物质遗传基础的解析和优良基因的挖掘，将优良基因恢复到现代品种中是下一步番茄品质育种的努力方向。
“我们所有的研究都关注品质。”黄三文向记者强调，对于提高番茄风味他们有更好的选择。
挥发类物质不仅本身能通过嗅觉直接影响番茄的风味，而且能够通过增强食用过程中的味觉提高果实的风味，有些甚至能够不依赖糖的含量而提高果实的甜味感。但其含量在果实中非常低，在对这些物质的调控过程中，只需要较小的产量代价，就能够显著提高番茄的风味。
“通过分子设计育种提高这些挥发性物质的含量，不仅可以避免提高含糖量导致的产量损失，而且能够开发出更适合糖尿病人群的优质风味番茄。”黄三文说。
中美科学家正在加紧培育新的番茄品种。“我们的研究为番茄风味改良提供了一个切实可靠的遗传路线图，利用这个重要物质的遗传位点和代谢途径，我们将能够找回现代品种中丢掉的番茄味。”Klee对番茄风味改良充满信心。
