中国科学家多重组学研究揭示番茄育种历史——助力恢复“儿时番茄美味”【附专家点评】

2018-01-12 14:36 | 作者: BAP | 标签: 番茄

番茄是一种重要的园艺作物。野生番茄是一种果重只有1-2g,酸涩味浓郁的野果子,经过人类千百年的驯化后,番茄的重量和味道都有了显著的改良,但是在驯化和育种过程中,果实的营养和风味物质发生了怎样的变化?1月11日,中国农业科学院深圳农业基因组研究所黄三文研究员实验室、华中农业大学罗杰教授实验室及合作者在Cell杂志发表了题为“Rewiring of the Fruit Metabolome in Tomato Breeding”的研究论文。本研究利用多重组学的大数据,揭示了在驯化和育种过程中番茄果实的营养和风味物质发生的变化,并发现了调控这些物质的重要遗传位点。本研究为植物代谢物的分子机理研究提供了源头大数据和方法创新。同时,该研究结果为番茄果实风味和营养物质的遗传调控和全基因组设计育种提供了路线图。值得一提的是,Cell杂志同期配发了由康奈尔大学James Giovannoni教授撰写的评论性文章。鉴于该工作的重要意义,我们也有幸邀请到四川大学生命科学学院特聘研究员、“青年千人”张阳博士对该工作进行了点评(见文后),以飨读者!




茄果实中大量的糖、酸、矿物质、氨基酸、维生素等物质是其风味和营养的重要体现。通过代谢物质和六种感官性状,甜味、酸味、咸味、鲜味、苦味和风味强度进行分析,发现上百种物质和这些性状是显著相关的,番茄碱物质影响果实的苦味;氨基酸类影响果实的鲜味,柠檬酸、苹果酸影响果实的酸味。2017年1月27日黄三文实验室与合作者在Science发表论文,确定了番茄风味的贡献物质。




但是要将这些研究结果应用到美味番茄育种中,需要对这些物质的遗传调控做进一步的解析,了解其调控的分子机理。本次研究是之前研究的的延续和提升,发现的多种风味物质的共定位信息,将有助于风味物质代谢途径的进一步解析和分子标记辅助育种。不仅是这些风味物质,还发现了影响果实中多种维生素类、氨基酸等营养物质含量的遗传位点。

多重组学数据解析果实生物网络

研究中收集了600多份遗传变异丰富、来着于世界各地的番茄资源,对这些材料进行基因组和转录组测序共产生了约7 Tb的原始序列数据。数据分析获得了2,600万个基因组变异位点、3万多个基因的表达量和980种果实代谢物的群体多组学数据。这些代谢物不仅包含糖酸类、氨基酸、核苷酸等初级代谢物也包含类黄酮、多胺类、多酚类、茄碱类等大量的次级代谢物。利用多重组学数据的分析方法发现了调控 514种物质的3,526个信号位点;9万多个eQTL 位点,以及23万组物质和表达量的相关性数据。并进一步构建了番茄果实代谢物生物网络包括1万个代谢物-基因-遗传位点的互作关系,涉及371种代谢物、970个SNP位点和535个基因。本研究为植物代谢物的分子机理研究提供了源头大数据和方法创新。


Network built on correlation among metabolites, genes, and SNPs

番茄代谢组育种史的全面解读

尽管我们的祖先对代谢组一无所知,但是这并不影响着他们对番茄代谢组的选择和改变,因为在一定意义上,我们从番茄果实中吃的就是代谢组的重要组成,番茄果实代谢组是其营养和风味物质的综合体现。番茄的育种史包括驯化、改良、分化和渐渗四个主要的阶段,具体来说就是醋栗番茄经过驯化形成了樱桃番茄(今天大家常见的圣女果);樱桃番茄经过改良形成了大果栽培番茄;栽培番茄在不同的选择中形成了不同类型的分化;现代商业育种中将野生资源渐渗到栽培番茄的基因组中。研究中分别解析了这几个育种选择过程对代谢组的影响。

果重基因的搭车效应


野生番茄只有1-2 g,大果番茄有几百克,番茄在驯化过程中果实重量发生了上百倍的变化,代谢组的变化是怎样的呢?研究中通过对几百份材料的分析,发现分别有389和614种物质在驯化和改良过程中含量发生了显著的变化。为了研究哪些物质是在以果重为目标的育种中影响的物质,研究中选择了三个代表性的材料:醋栗番茄、樱桃番茄和大果番茄,通过构建分离群体选择不同大小果实的个体来模拟番茄驯化选择的育种过程。最终发现大约有30%(116/389)和28% (172/614) 群体中差异的物质是受到果重选择的影响。为了进一步解析果重基因对相关代谢物的影响,研究中创造了果重基因fw11.3的不同渐渗系和转基因材料,发现不是果重基因而是其连锁的周围基因影响了代谢物的含量,揭示了“搭车效应”对代谢物的影响。


Hitchhiking of Fruit Weight Locus fw11.3-Altered Metabolites

番茄碱驯化的遗传基础和育种改良


番茄的味道是重要的驯化性状,野生番茄果实苦涩难吃,是因为有较高含量的番茄碱,番茄碱是一种有毒的抗营养物质,取实过量,能引起人们呕吐和腹泻的感觉。研究发现栽培番茄之所以好吃了,就是因为驯化中负选择了这种物质,导致45种番茄碱的含量都降低了。通过基因组分析发现控制此性状的5/7个主要的遗传位点落在驯化区域,受到了强烈的选择。其中位于10号染色体上有一个新的基因簇,包括1个P450氧化还原酶、一个酰基转移酶和8个糖基转移酶。此基因簇一个显著的特点是其活跃表达的时期是果实的转色和成熟期,发挥转化和降解茄碱物质的功能。此基因簇不仅对植物自身还是对取实者来说都是至关重要的,这个时期果实中不再需要大量的茄碱物质来防止病虫害的侵染、而是需要迅速降低从而更有利于果实被取实以方便于种子的传播。

茄碱遗传位点的鉴定将为野生资源在育种中的应用提供重要的价值。不同等位基因的有效组合能够显著降低茄碱物质的含量,通过选择两个主效的位点,能够将主要番茄碱的含量降低80%。


Domesticated SGAs and Related Metabolic Pathway


红粉果差异的遗传和物质基础


栽培番茄在不同环境和地域选择中发生了各种各样的分化,因用途不同产生了加工和鲜食的分化;在鲜食番茄中,又有红粉果实的分化。粉果番茄较红果番茄因为质地松软、口感细腻而备受消费者所喜爱,这说明粉果和红果的差别并不仅仅是果实颜色的差别,然而影响这种差异的物质基础一直未有全面的解析。研究中利用基因编辑技术敲除SlMYB12,成功的创造了粉果突变体,通过代谢组分析发现,有上百种物质发生了显著的的变化,这些物质中除了赋予果实颜色的类黄酮还有大量的多胺、多酚和茄碱物质,这些物质也是影响番茄口感的物质成份。结合基因组和转录组分析,多胺和茄碱类代谢途径的多个核心基因是差异表达的,进一步验证了转录因子SlMYB12 的调控新功能。本研究深入解析了果色差异的基因和物质基础并发现了SlMYB12调控非黄酮类物质的新功能。


Metabolites and Pathway Affected by SlMYB12

揭示野生渐渗对代谢组的影响

野生资源因为具有丰富的遗传和表型变异,在番茄育种中被广泛应用,现代番茄品种中几乎所有的抗病资源都来着于野生番茄。野生资源利用对番茄品质的影响未有报道,本研究通过分析不同背景的抗病资源和分离群体,发现抗烟草花叶病基因(Tm-2a)的应用过程中,携带的大片的野生片段,这一野生片段导致果实中几十种代谢物含量发生了显著的变化。本发现为野生资源的育种应用提供了一个重要的警示,在利用它们的时候,要“取其精华、去其糟粕”。



据悉,该论文的第一作者为黄三文实验室祝广涛博士、共同第一作者为罗杰实验室的博士研究生王守创,通讯作者为黄三文研究员和罗杰教授。

专家点评:


张阳 研究员,“千人计划”青年项目入选者,四川大学

随着人民生活水平的提高,“粮食安全”被赋予了新的定义:除了生产充足的食物,如何提高食物的营养价值变得尤为重要。番茄因为具有种植方便、生长周期短、产量高、口感独特以及营养价值高等优点,一直以来就是全世界最受欢迎的水果。番茄同时还是植物研究的重要模式植物与资源,如基因组信息、转基因技术、基因编辑技术在番茄研究中都很成熟。但是相对于水稻、小麦等具有悠久育种历史的作物,番茄育种的记录较为混乱,许多品种的来源及育种历史不明,对进一步深入开发种质资源造成了困难。在番茄基因组完成之后,如何通过基因组信息解析番茄的驯化历史以及如何从基因组到新品种成为了一个新的难题。

而随着广泛靶向代谢组学分析的发展,在基因组和转录组的基础之上,代谢组的加入可以帮助我们去研究一些之前仅靠表型观察而不能得到的性状,如重要化合物的含量等。在这篇最新的Cell论文中,通过结合610个番茄及近缘品种的重测序数据、399个品种的转录组数据以及442个品种中近980种化合物的代谢组数据,科研人员实现了mGWAS和eQTL的结合。利用这些数据,他们成功解决了几个番茄育种中长期存在的问题:1、以往根据果实大小、产量等方式筛选番茄品种的方法是如何间接影响番茄营养品质的?2、番茄中一些化合物是如何在长期的驯化育种过程中被筛选的?3、番茄育种的一个优势是可以同近缘物种进行杂交改良品质,那么这些育种行为对目标性状以外的番茄品质是否有影响?在本文中,利用组学数据结合功能验证,科研人员都一一解答。随着这一工作的发表,番茄这个热点研究领域里继基因组(Nature 2012)、表观组(Nature Biotechnology 2013)之后又多了一个重要数据库,为番茄研究提供了大量的素材。

该工作的成功发表也是一个不同实验室间通力合作的典范: 黄三文课题组长期以来致力于构建果蔬全基因组设计育种的理论和方法体系。在2014年,他们就对360多个番茄品种进行了重测序分析(Nature Genetics 2014)。在这个基础上,2017年,通过和美国科学院院士Harry Klee合作,他们进一步利用这一群体,对番茄风味物质进行了组学研究,为恢复番茄风味的育种研究做出了开创性工作 (Science 2017)。而罗杰课题组在组学分析方面居于国际领先地位,他们开发了一种新的广泛靶向代谢组学分析方法,该方法可同时检测近千种代谢物,具有高度灵敏性和定量准确性,mGWAS作为经典的分析方法推动了正向遗传学研究的进展(Nature Genetics 2014)。由此建立了利用多种组学手段对大规模遗传群体进行深入的正向遗传学模式。因此,当两个课题组的资源整合之后。优秀的种质资源加上最前沿的实验技术也为项目的成功实施奠定了坚实基础。

该工作除了为今后的番茄育种朝更营养更健康的方向发展奠定了基础,同时对其他植物次生代谢资源的开发利用提供了一个重要的思路。除了重要的作物(如水稻、小麦、玉米等),我国还有许多其他重要的植物天然产物资源,比如中草药资源。随着这些非模式植物的基因组陆续解析,如何进一步解析和开发这些特殊的天然产物将成为主要的难题。而组学技术的应用可以有效的加速这一进程。可以预计,在未来3-5年内这种研究思路将从作物果蔬扩展到各种经济作物、药用植物的研究中。

点击阅读原文

来源: BioArt植物

相关文章