敲除两个基因，让番茄更甜，且不影响产量！

2024年11月14日，中国农业科学院黄三文院士团队利用多组学测序技术结合基因编辑/遗传转化方法，在国际顶尖学术期刊 Nature 上发表了题为：Releasing a sugar brake generates sweeter tomato without yield penalty 的研究论文。这项研究阐释了番茄糖分积累背后的遗传机制和分子机制。其最终研究表明，只需敲除两个基因——SlCDPK27和SlCDPK26，就能让番茄更甜，同时不会牺牲番茄的重量或产量。

研究背景

番茄是世界上最有价值的蔬菜作物，对人类饮食的整体健康和营养做出了重大贡献。番茄果实品质的一个关键组成部分是可溶性固形物含量（SSC）。糖（主要是果糖和葡萄糖）约占番茄果实中SSC总组分的55%-65%，糖的含量以及糖/酸的比例是影响口感的主要成分。大多数消费者偏爱更甜的番茄，此外，更高的糖含量也有利于提高番茄加工业的经济价值，例如，当生产糖浓度为28%的番茄酱时，SSC从4%增加到5%可以减少高达25%的番茄原材料消耗。

然而，由于产量和果实大小是该行业品种选择的主要决定因素，在番茄驯化期间，培育者更关注果实的大小，造成如今的番茄果实比它们的野生祖先大10-100倍，但是由于遗传连锁的原因，番茄的甜度和大小通常很难同时兼备，现代番茄培育的一个重要目标是提高果实的含糖量，同时增加或至少保持果实大小。科学家们以培育出好吃的番茄为目的，研究番茄果实营养和风味物质的化学和遗传机理，期望把风味更佳的番茄送到市民餐桌上。

研究方法及结果

基因组关联研究（GWAS）

该团队为了识别导致糖积累的基因的新等位基因，利用GWAS分析，在第11号染色体上发现了一个主要的峰值，其顶端的SNP与可溶性固形物含量（SSC）显著相关，这一结果与之前的研究一致。对该峰值区域进行分析顶端SNP的80kb区域六个候选基因，只有编码SlCDPK27的基因，显示出与SSC积累显著负相关的表达模式，表明它可能有负向调控糖分积累的功能。

基因编辑

使用CRISPR-Cas9技术对Sl CDPK27进行基因敲除，验证其对糖分积累的影响。研究中生成了多个突变体（MM-CDPK27-CR1、MM-CDPK27-CR2等），并通过体外激酶实验确认Sl CDPK27的激酶活性。通过功能冗余性分析，研究Sl CDPK26是否在Sl CDPK27失活时发挥冗余功能，结果显示双突变体MM-CDPK27-CR2/MM-CDPK26-CR1的糖分含量显著提高。

表达模式分析

通过qRT-PCR和GUS染色分析Sl CDPK27在不同果实发育阶段的表达模式，研究者发现SlCDPK27的转录本数量在果实成熟过程中逐渐增加，此时果实的大小已经固定，验证其作为“汇基因”的功能。即调控果实储存光合糖分的能力，而不影响果实的重量。

为了研究这些SlCDPK敲除突变体中糖分含量的增加是否能提高感知的果实甜度，研究者组织了两次大规模的感官评价测试，一次在2022年3月于深圳，另一次在2022年7月于北京。约100名志愿者参加了品尝实验，选择哪种样品更甜。在这些感官评价小组中，MM-CDPK27-CR1和MM-CDPK27-CR2/MM-CDPK26-CR1双重突变体的果实被认为明显比野生型更甜。

研究总结

该项目从2017年立项之初就瞄准解决在不影响单果重的前提下提高果实糖含量的育种难题。为挖掘和鉴定抑制果实糖积累的刹车基因，研究团队先后在北京、山东、广东等地广泛种植番茄材料，调查了近3000株，共计2万余个番茄果实的表型。为了拿到准确的田间数据，团队成员连续收集了5年分别种植在北京、山东、广东三地材料的表型数据，最终确定了CDPK27/26作为糖积累“刹车基因”的功能。

通过基因组关联研究和基因编辑技术，成功识别了调控番茄糖分积累的关键基因Sl CDPK27和Sl CDPK26，并证明其在提高番茄糖分含量的同时不影响果实重量。这一研究为未来在大型果实品种中实现糖分提升提供了新的思路和方法，具有重要的应用前景，成功解决了提高果实糖含量但不影响果实大小的育种难题。
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