中科院之聲 - 科研人員通過多重基因編輯實現番茄果色的快速定製－鑽石舞台

水果和蔬菜的顏色是園藝作物重要的外觀品質。五彩繽紛的顏色不僅給人以美的視覺享受，而且影響消費的購買慾望。以全球產量最高的蔬菜作物番茄為例，我國南方的消費者喜歡紅果番茄，而北方的消費者則更鍾情於粉果番茄。深入研究果蔬顏色形成的分子調控機制，並在此基礎上利用新興生物技術實現果蔬顏色的快速定製，具有重要的科學意義和應用前景。

中國科學院遺傳與發育生物學研究所研究員李傳友團隊長期致力於番茄功能基因組學，在番茄果色調控機理與分子設計育種方面取得了一系列進展。研究團隊揭示了栽培番茄不含花青素的機理，創製出果肉中富含花青素的營養保健紫番茄（Sun et al., 2020, Molecular Plant）；合作分離了番茄橙色果決定基因（Zhou et al., 2022, Horticulture Research）；提出了利用基因編輯技術從優良紅果番茄雜交種定向快速創製粉果番茄雜交種的方法（Deng et al., 2018,Journal of Genetics and Genomics;Yang et al., 2019,Journal of Genetics and Genomics）。

近日，該團隊等以Recoloring tomato fruit by CRISPR/Cas9-mediated multiplex gene editing為題在Horticulture Research上發表研究，提出了一種利用多重基因編輯技術以紅果番茄材料為底盤材料，快速定向創製七種不同果色番茄材料的策略。

番茄果實的顏色主要由類胡蘿蔔素、類黃酮和葉綠素等色素決定。隨着果實的成熟，紅果材料的果肉中積累類胡蘿蔔素（主要為番茄紅素），而果皮中則積累類黃酮（主要為柚皮素查爾酮），與之相伴隨的是葉綠素的迅速降解。基於此，該研究利用多重基因編輯系統靶向敲除了紅果番茄中控制三類色素合成或代謝的關鍵基因，包括番茄紅素合成限速酶基因PSY1、類黃酮合成關鍵調控基因MYB12和葉綠素降解限速酶基因SGR1，獲得了純合的三重突變體（psy1myb12 sgr1）。三重突變體的果實在成熟過程中不能合成番茄紅素和柚皮素查爾酮，其葉綠素又不能被正常降解，因而呈現出綠色。隨後，將三重突變體與紅果底盤材料進行回交，篩選出不含外源DNA片段的BC1F1單株進行自交構建BC1F2分離群體。研究通過對BC1F2分離群體的分子鑑定，獲得了不同基因型、不同果色的番茄材料，包括野生型（紅色）、psy1單突體（橙色）、myb12單突體（粉果）、sgr1單突變體（棕色）、psy1 myb12雙突變體（黃色）、myb12 sgr1雙突變體（紅紫色）、psy1 sgr1雙突變體（黃綠色）和psy1 myb12 sgr1三重突變體（綠色）材料。進一步的研究表明，除果色相關性狀外，該策略對單果重、單株產量、果實可溶性固形物含量和維生素C含量等性狀沒有影響。

與常規回交轉育相比，該策略具有省時省力、一步到位、不引起連鎖累贅、不影響其他農藝性狀等優勢。該策略很容易複製推廣到其他蔬菜、水果和花卉等園藝作物中，而且對其他多基因控制性狀的遺傳改良具有借鑑作用。

相關研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金等項目的資助。