我国科学家用多重组学大数据解读番茄前世今生

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美国时间1月11日,《细胞》(Cell)杂志2018年第一期刊登了中国农业科学院深圳农业基因组所(简称基因组所)研究员黄三文团队、华中农业大学教授罗杰团队及合作者在番茄风味品质研究中取得的重要突破,这标志着我国科学家在番茄基因组研究领域实现国际领先。

“这是科学家第一次采用基因组、转录组、代谢组等多组学大数据同时分析一种作物的育种过程,并解读三者之间相互关系。”黄三文在深圳举行的座谈会上告诉《中国科学报》记者。

果实代谢组生物网络,包含13000多组代谢物-基因-SNP关系,涉及371中代谢物,970个信号位点,535个基因。不同颜色圆圈代表不同物质,不同三角形代表不同表达模块的基因。

这项成果在黄三文团队之前的研究基础之上,进一步揭示了番茄口味在驯化中逐步变化的遗传基础,不仅发现了控制番茄碱的多个遗传位点,而且发现了影响番茄风味的更多新物质和信号位点。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,为更为营养、美味番茄的全基因组设计育种提供了路线图。

Cell同期配发了美国科学院院士、康奈尔大学教授James Giovannoni题为“番茄多组学揭示作物驯化和改良的影响”的评述文章,认为:“这项研究加深了对作物品质化学的科学认识,将推动高品质品种培育,最终消费者能够从风味更佳、营养更好的食品供应中得利”。据悉,《细胞》杂志两位审稿人在评语中赞叹到这是一部“力作”(tour de force)。

代谢组大数据带来的方法创新

“番茄是全世界最有价值的果实。”黄三文表示。根据世界粮农组织统计,全世界番茄总产值每年接近1千亿美元。番茄具有低热量、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“世界第一大果实作物”,在国际种业市场上,高端优质番茄的种子价格超过黄金。

然而,番茄经过上万年的人工驯化和育种,到了现在,其风味却下降了,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。”黄三文说。

在此前识别出决定番茄风味的几种重要物质基础之上,黄三文团队对于“什么是好吃的番茄”渐渐有了明晰的答案。现在,他们创新性的采取了多组学、大数据分析的研究模式,对全球番茄种质开展了基因组、转录组、代谢组等多组学分析,共产生了约7Tb的原始序列数据。大数据分析获得了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,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,为植物代谢生物学研究提供了源头大数据和方法创新。

罗杰告诉《中国科学报》记者,他的团队与黄三文团队合作,主要以代谢组学研究为切入点,研究了番茄育种过程中代谢组的变化和遗传基础,探索人类的育种行为对番茄代谢组产生的影响。

所谓代谢组是指相对分子量小于1500Da的所有小分子化合物。“这是首次系统的利用大数据从多组学的角度研究驯化、改良、分化和渐渗四个重要的育种事件对番茄代谢的影响。这项工作的发表也为番茄研究领域继基因组、表观组之后增添了代谢组这一重要的数据库,为解决人类吃到嘴里的物质提供了大量的数据资源。”罗杰说。

多组学大数据联合解析番茄驯化过程

野生番茄只有1~2g,而现在栽培的大果番茄有几百克,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?

文章第一作者、基因组所博士后祝光涛告诉《中国科学报》记者,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。

番茄的果重基因连锁周围基因影响了代谢物的含量。

最终,他们发现大约有30%(116/389)和28%(172/614)群体中差异的物质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。

此外,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。

黄三文介绍,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。

番茄味道的“前世今生”

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,其中的重要原因就是驯化中负选择了番茄碱。

祝光涛告诉记者,通过基因组分析发现,控制番茄碱性状的5个主要遗传位点落在驯化区域,受到了强烈的选择。其中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,发挥转化和降解番茄碱物质的功能。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。

基因组所试验基地为科研提供了大量番茄资源。

祝光涛介绍,番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%。

此外,科学家发现番茄中的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。黄三文指出,番茄的代谢组就是营养和风味的综合体现。

基于此基础研究成果的新品种正在成形。基因组所助理研究员吕亚清告诉《中国科学报》记者,预计2年内可培育出新品种,再经过2年推广种植,基因组学手段能让育种速度提高2~3倍。

“我们要通过‘一基三品’的概念打造一个贯穿创新链和产业链的闭环。一基就是一个基因组,三品就是品种、品质和品牌。”黄三文向记者描述,基因组学研究帮助科学家解读了作物基因的奥秘,设计出高速育种的路线图,在此基础上培育出消费者需要的高品质的新品种,再通过与生产、推广、销售等环节合作打造消费者信任的品牌,从而实现从基因组到餐桌的高品质食物链条。

下一步,他们将与深圳对口扶贫的广西百色市种植基地合作培育新种苗,并示范推广种植,未来将这些高品质番茄供应到深圳市民的餐桌上。

(作者:李晨 孟丽君 李小杰)

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