《Cell》中国科学家今年第一篇在《细胞》杂志上发表
来源|综合
深圳新闻网讯 农历丁酉鸡年，深圳科学家可谓是“首尾呼应”，不仅夺得了鸡年“头彩”，更在鸡年的尾巴翘起了“凤尾”。继2017年1月28日（农历丁酉鸡年大年初一），因为发现番茄风味调控机制而登上世界顶级学术期刊《科学》封面后，2018年1月12日，深圳科学家祝光涛、黄三文再接再厉，《番茄育种对果实代谢组的改变》登上了世界顶级学术期刊《细胞》。
1月11日，祝光涛与黄三文所属的研究机构——中国农科院深圳农业基因组研究所召开高品质番茄基因组研究成果与精准扶贫座谈会，向媒体通报了这一喜讯。本着寻找“儿时美味番茄”的初心，科学家历时5年，终于利用基因组学大数据与分子生物学、生物化学等多学科交叉探索了番茄风味形成的机制，破解了番茄风味的基因密码，并透露将在广西百色大规模种植科研育种的高品质番茄，未来供应深圳餐桌。
鼻子比嘴巴更“懂”风味
“番茄是全世界最有价值的果实。”基因组所所长黄三文表示，世界粮农组织统计显示，全世界番茄总产值每年接近1000亿美元。番茄具有低热量以及富含抗氧化的番茄红素、多种矿物质和维生素等优势，被称为“世界第一大蔬菜作物”，在国际种业市场上，高端优质番茄的种子价格与黄金相当。
黄三文表示，番茄经过多年的人工驯化和育种，变成了现在的模样，但番茄的风味却下降了，逐渐影响了人们的消费意欲。“我们的研究就是要培育出好吃的番茄，送到市民餐桌上。”黄三文告诉记者，科学家遇到的第一个难题就是“什么是好吃的番茄”。
2012年开始，黄三文团队便与美国科学院院士、美国佛罗里达大学教授Harry Klee合作，一方面找到了170位品尝专家，请他们对100多种番茄进行品鉴打分；另一方面，利用先进仪器，分析出番茄中含有的1000种物质，与品尝专家的打分进行统计学关联，最终找出了果糖、葡萄糖、苹果酸、柠檬酸和29种挥发性物质。“这33种物质对于番茄风味有着决定性作用。”黄三文说。
黄三文表示，其实在好不好吃这个问题上，鼻子比嘴巴更能起决定性作用。“舌腔能够体验出酸甜苦辣咸等5种味觉，而鼻腔中可以感觉出200多种不同的气味受体。”黄三文说，味觉与嗅觉的综合才能称之为“风味”。
破解番茄风味密码是个庞大工程
番茄有9亿碱基对、3.5万基因，它们又是怎样与33种决定番茄风味的物质发生关联的？
科学家表示，这需要经历庞大繁复的计算过程。“基因组所利用2万个CPU、拥有50万亿次计算能力的超级计算机系统，这应该是世界上农业科学界首次完成如此庞大的计算，体现了中国在大数据研究上的雄厚实力，更体现了深圳在IT领域的领先地位。”黄三文透露，《细胞》杂志两位审稿人在评语中赞叹这是一部“力作”。
通过对番茄2600多万个变异位点与33种风味决定物质的关联分析，科学家发现了控制风味的50个基因位点，并确定了10个关键基因位点，以此找到了这些位点的最佳等位基因。
科学家构建了番茄变异组、代谢组和转录组大数据库。祝光涛表示，研究所有基因变异的变异组收集了610种番茄样本，从中找到了2600万个基因组变异位点；研究所有代谢产物成分与含量的代谢组收集了442份番茄样本，从中找出了980种代谢物；研究所有基因表达情况的转录组收集了339份番茄样本，从中找到了3万多个基因表达量。“这不仅对于番茄研究有用，对于其他植物研究也有着重要价值。”黄三文表示。
已发现千种控制番茄风味物质
据了解，科学家所发现番茄中的980种代谢物既包含了糖酸类、氨基酸、核苷酸等初级代谢物，也包括类黄酮、多胺类、多酚类、茄碱类等大量次级代谢物。科学家认为，我们吃的番茄果实就是代谢组的重要组成，番茄代谢组是营养和风味的综合体现。
通过代谢组大数据库，科学家解析了番茄的育种路。人们是如何将1克左右的绿色野生番茄，培养成现在大于100克的红色或粉色番茄的？科学家认为，首先野生番茄被驯化成为樱桃番茄，就是我们通常说的圣女果；樱桃番茄再经过改良成为大果番茄；大果番茄再通过改良变成不同的品种。
很多人会感觉，番茄的大小、颜色与风味有关，科研发现，果重基因并不直接决定代谢物含量，而是通过连锁周围基因影响代谢物含量，首次揭示 了“搭车效应”对代谢物的影响。
又如，粉色番茄比红色番茄吃起来更“沙”，更好吃。科学家通过代谢组分析发现，粉色番茄跟红色番茄并不仅是颜色的区别，它们之间上百种物质发生了显著变化，红色番茄含有大量的类黄酮，还有多胺、多酚和番茄碱物质，这些物质才是影响番茄口感的主要成分。
“ 2017年1月，我们在《科学》上发表的文章仅发现了33种主要控制番茄风味的物质，现在已经扩展到1000种，并且发现了影响番茄中多种维生素、氨基酸等营养物质含量的遗传位点。”黄三文表示，这些研究结果为番茄果实风味和营养物质的遗传控制和全基因组设计育种提供了线路图。
中国科学家在番茄基因组研究领域领先国际
基因组所副所长饶敏杰表示，2014年，该所建立以来通过全球公开招聘引进各类人才，现有人才200人，其中高级职称19人，博士学位获得者56人，平均年龄32岁。该所以“重大科学研究”为主导，以第一作者或通讯作者发表学术论文100篇，其中在顶级学术刊物发表14篇。
《番茄育种对果实代谢组的改变》是中国科学家今年第一篇在《细胞》杂志上发表的文章，也是深圳市科研机构今年在国际顶级学术期刊上发表的第一篇有重要影响力的文章。成果的发表标志着中国科学家在番茄基因组研究领域实现全面国际领先，不仅提升了深圳市基础研究的国际地位，更为深圳市建设国家科技产业创新中心起到了推动作用。
论文以“Rewiring of the fruit metabolome in tomato breeding”为题，首次系统的报道了育种过程中，人类的育种行为对番茄代谢组产生的影响。番茄是全世界广泛种植的蔬菜作物，起源于南美洲的安第斯山地带，经过人类对野生番茄的驯化改良，培育出了观赏番茄和现代栽培番茄。为了对番茄育种过程中的代谢变化进行全面解读，对600余份材料进行代谢组分析，结果表明从野生番茄到栽培番茄的育种过程中，具有涩味的毒性抗营养因子茄碱的含量逐渐降低。进一步的遗传分析发现茄碱的自然变异受到5个主要遗传位点控制，且这些位点在驯化及改良过程中受到强烈选择。对其中效应最大的位点是位于10号染色体上包含P450氧化还原酶、酰基转移酶和糖基转移酶的一个基因簇进行体外实验，发现糖基转移酶（Solyc10g085230）外显子上发现一个点突变造成提前终止，显著降低栽培番茄果实中茄碱物质的含量。通过两个主效的位点，能够将主要茄碱含量降低80%。栽培番茄在人类驯化选择过程中发生了各种各样的分化，红粉果实的分化是一种典型的代表。粉色果实因为质地松软、口感细腻而备受消费者所喜爱。研究表明粉果育种是选择了在转录因子SlMYB12的启动子区域一个导致低水平转录的变异，从而造成粉果番茄中营养因子类黄酮含量大幅下降。另外，研究还表明番茄育种过程中对果重基因的选择及野生渐渗片段对代谢组的影响，首次揭示了育种过程中代谢组变化的“搭车效应”。该研究通过多组学手段对育种过程进行全景式的分析，其大数据资源也将促进番茄营养、健康品质改良研究。
论文链接：http://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(17)31499-X
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