MHOrT | 培育适合垂直农业的早熟且株型紧凑的樱桃番茄品种

https://doi.org/10.1186/s43897-026-00248-5

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垂直农业可实现单位体积的作物产量最大化，并在不受天气、水源、土地的限制下实现作物稳定生产。叶菜类蔬菜因成熟快且占用空间小，非常适合垂直农业系统。相比而言，果实类作物，如番茄，传统品种体积较大、生长周期长且不适合堆叠种植，需改良农艺性状，培育保持株型紧凑并维持产量的品种，以适应垂直农业需要。经典的改良品种为“三限定基因型”(sp sp5g sler)的樱桃番茄品种。先前的研究发现，赤霉素（GA）代谢途径的关键酶GA20ox和GA3ox，如产生突变可缩短植株节间。但过度减小植株尺寸会降低单株产量。如何平衡株型紧凑、早熟与稳定产量，对改良适用于垂直农业系统的番茄品种是一个重要挑战。

本研究中，研究者采用性状叠加的基因编辑策略进一步改良“三限定基因型”(sp sp5g sler)樱桃番茄。番茄的五个SlGA3ox基因中，SlGA3ox2的表达量最高，被选为靶基因。在“三限定基因型”株系背景中，研究者采用3个导向RNA的CRISPR-Cas9系统，在两个独立纯合的slga3ox2等位基因中引入提前终止密码子，获得四重突变体（sp sp5g sler slga3ox2CR-1；以下简称slga3ox2）。研究者分别在潮汐式水培系统和垂直农场营养膜技术（NFT）系统下栽培四重突变体并评估株型、生长周期和产量性状。潮汐式水培系统中slga3ox2植株的株高、茎长和节间长度显著降低，第一花序出现时间也较早，植株缩小的性状持续到果实收获，总生物量和总产量较“三限定基因型”株系有所降低，单个果实大小和重量较“三限定基因型”株系也有所降低，但成熟红果对未成熟绿果的比例明显增加，此外两个基因型的收获指数无显著变化。

而在垂直农业体系中，slga3ox2植株与“三限定基因型”株系的生物量相当，花期略短，每根茎上花序数量增加，由此体现了栽培系统会影响slga3ox2植株的表型，在未来的育种策略上，优化栽培系统与通过遗传变异改良同等重要。且值得注意的是，在垂直农业体系中，。与“三限定基因型”株系相比，尽管slga3ox2植株的果实成熟时间略晚，但在收获时slga3ox2植株的总果实产量、收获指数和坐果率略高，成熟红果对未成熟绿果的比例也更高，并且单个果实的大小和重量相似。这些结果表明，与“三限定基因型”株系相比，slga3ox2植株更适合垂直农业，具有更紧凑的株型与更的高产量（Fig.1）。

Fig.1 培育适合垂直农业的早熟且株型紧凑的樱桃番茄品种。

此外，研究者还分析了slga3ox2植株与光合作用相关的生理指标，包括叶绿素含量（SPAD）、光合效率（Fv/Fm）、气孔导度（gsw）和非光化学猝灭（NPQ）等。结果显示slga3ox2四重突变降低了植株冠层大小，同时提高了单位叶面积的叶绿素含量，而对核心光合效率指标的影响微乎其微。

韩国庆熙大学绿色生物科学研究院Yoonseo Lim与Jeong-Tak An为本文共同第一作者，Choon-tak Kwon 副教授为本文通讯作者。本研究获得了韩国国家研究基金会的项目资助（RS-2024-00407469、RS-2024-00468878和RS-2025-00517964）。