园艺作物果实发育专刊 | 华南农业大学宋建文团队—番茄果实形态发育相关基因研究进展

向下滑动查看更多

番茄是全球第二大种植面积的蔬菜，根据联合国粮食及农业组织统计，全球番茄一年产量约1.9亿t。中国作为全球番茄生产与消费大国，每年可生产约6 700万t番茄，可见消费者对番茄的需求量之大。单果重是影响产量的重要因素，全面研究番茄果实形态发育相关基因可精准高效地指导育种。研究番茄果实形态发育包括挖掘定位相关基因，深度解析其调控机制和网络通路，利用基因编辑技术进行精准遗传改良，并结合人工智能等指导番茄高效育种。

4.1 深度挖掘番茄果实形态特征相关基因

关于番茄果实形态发育相关基因的探究一直在持续深入推进。目前，通过正向遗传学方法鉴定的基因数量仍然有限。此外，在调控番茄果实形态发育的QTL位点中，只有FW11.3作用于果实膨大期，其余QTL位点集中于花期和果实发育初期，是否存在其他调控果实形态发育后期的相关QTL位点，需要后期继续探讨。因此，未来应继续挖掘新的基因，以更清晰地了解番茄果实形态发育的驯化改良过程，完善果实形态发育的网络通路，为后期作物改良和遗传育种提供新的理论基础和技术手段。

4.2 重视番茄果实形态特征相关基因调控机制研究

目前发现多数基因尤其是番茄果实重量相关的调控机制尚未阐明，细胞学层面的解析仍处于初步探索阶段。同时，经典调控途径中尚存在未被充分揭示的调控。随着技术的不断优化和升级，对经典调控途径的再挖掘，有望揭示因技术限制而未被发现的调控环节，为果实形态发育的调控机制提供更为全面的认知。此外，前人对各QTL位点发育时期的探讨不够深入，部分基因表达时期比较模糊。明确各基因的发育时期，有助于理解特定时期下不同基因间的相互作用，并进行搭配协同改良番茄果实形态。阐明基因调控机制，从基因到性状转向从基因到调控机制再到性状，从“发现基因”走向“理解基因”，调控机制的研究是充分了解基因的基础。在清楚了解各个基因间的调控机制后，能将其串联起来，共同谱写发育过程。利用该基因调控相关性状变得更加可控、可预测。再者，番茄作为研究肉质果实的模式植物，对其调控机制的研究不仅有利于番茄本身，也为其他肉质果实形态发育提供理论指导。因此，未来应加强对基因调控机制和发育时期的系统研究。

4.3 赋能基因编辑，开启精准育种新模式

基因编辑技术是近年来发展迅速的一项新兴技术。基因与基因编辑技术结合可加快驯化改良，实现快速育种，精准助力可持续农业发展。野生番茄中存在丰富的遗传物质，是现代栽培番茄驯化改良的关键基因库，但二者生长习性相差大，将野生番茄优异性状渗入栽培番茄周期长，成本高；而基因编辑介导的从头驯化技术，可直接改造基因，实现快速精准育种。已有研究表明，利用基因编辑改造番茄CLV3和WUS的顺式调控区，果实心室轻微增多，证实靶向改造基因顺式调控区可实现对番茄相关性状的精准调控。此外，随着耕地面积缩减，人口基数激增，都市农业作为一种新型可持续发展农业形式孕育而出，在都市农业中，需要生长快、结构紧密、易管理的蔬菜类型。曾有研究者利用CRISPR-Cas9技术敲除番茄SP、SP5G和SlER基因，改造成生长快、结构紧凑、果实穗状的植株结构。未来可利用基因编辑技术定向改造果实形态发育相关基因，为突破传统育种瓶颈、创制优异农艺性状提供了新方向。

4.4 助力人工智能，推动农业新发展

人工智能正重塑农业研究、优化作物生产，并成为推动高效精准农业发展的核心驱动力。最新开展的一项研究将番茄育种与AI深度融合，首次提出作物‒机器人协同理念。该研究利用CRISPR-Cas9技术对调控雄蕊发育的B类基因GLO2的第2个内含子和3′UTR区进行多重基因编辑，构建机器人友好的雄性不育系，并在快速育种条件下整合从头驯化，加速抗逆、优质风味番茄育种，推动精准农业技术的高效发展。利用基因编辑定向改造果实大小和形状，创制机器人友好型作物，推动精准农业技术的高效规模化应用。