科学家调整自然突变，培育出更好的番茄

在遗传学中，有时一加一等于零。基因本应协同工作，相互放大对方的效果，但有时却会相互抵消。《细胞出版社》周四发表的一项研究调查了现代驯化番茄的基因突变，揭示了这些抵消是如何发生的，以及我们如何利用它们来培育出产量更高的番茄。

现代番茄是大约八万至一万年前随着农业的传播而发生的突变的结果。古代番茄更小、颜色更深、更像浆果。这种突变使果实更大，从而形成了我们今天所熟悉的体积庞大的番茄。基本上所有的番茄——甚至是传家宝品种——都有这种突变。

20 世纪 50 年代，在金宝汤公司的田地里发现了第二种突变，称为“无节突变”。这种突变引起了人们的注意，因为它消除了番茄茎上肘状的弯曲。这有两个好处。首先，发生这种突变的番茄不太可能折断掉落到地上，否则可能会被碰伤或腐烂，从而无法食用。其次，使用机械采摘机采摘番茄会更容易。

如果育种者能够将无缝突变的西红柿与早期的突变相结合，从而长出更大、更多的西红柿，他们认为他们最终会得到更高产的西红柿植株。

但当育种者将这两种番茄合并时，他们并没有得到他们期望的又大又漂亮、关节无缝的番茄。相反，这种结合培育出了一种没有关节的植物，没错，但枝条和花朵却多得多——远远超过了植物结出果实的能量。最终的结果是番茄数量减少了。

“决定性状的基因往往是基因家族的成员，在正常植物中，这些基因家族共同作用，朝着决定性状的方向发展，”冷泉港实验室植物生物学家、这项研究的作者扎卡里·利普曼说。如果一个基因发生突变，影响某种性状的生长和发育，那么第二个突变就会产生，导致同样的性状。然而，它不但不能改善这种性状，反而会使它变得更糟。

基因之间的相互影响被称为上位效应。利普曼所描述的这种抵消现象在无节番茄与原番茄合并时表现出来，被称为负上位效应——而且这种现象并不局限于番茄。

“20 世纪 20 年代和 30 年代有一些很好的例子，人们会将烟草植物进行杂交，培育出新的杂交品种，”利普曼说。“杂交品种并没有表现出活力效应（这通常是杂交品种所期望和希望的），而是出现了自身免疫反应。植物会开始枯萎死亡，就像它们受到某种病原体的攻击一样，而实际上并没有受到攻击。”

尽管育种者最终能够将这两种番茄突变体结合起来，但这是一个相对随意的事情。通过研究分枝和开花之间的潜在遗传关系，利普曼和他的团队希望更好地理解为什么会出现这种抵消效应，并有可能培育出一种更平衡的番茄。也就是说，这种番茄会稍微分枝，产生更多的花朵，但不会太多，以至于植物负担过重。

这也正是他们能够做到的。

把每个基因视为一个剂量。为了获得正常的分支，你需要有四个剂量的两个基因：一个剂量来自基因的每个副本，因为番茄 DNA 中每个基因有两个副本。但如果有两个突变体一起工作，它们基本上会抵消这些剂量。这就像番茄植株实际上没有任何基因副本一样。

“如果因为两种基因都发生突变而失去所有四剂，就会产生负上位效应，导致花朵过多，出现生育问题，”利普曼说。“但是如果你只失去一剂，现在你仍然会长出分枝开花的嫩枝，但因为你仍然有三剂基因，所以情况不会像失去四剂那么糟糕。”

你可以通过突变植物之间的杂交获得三种剂量，但你必须了解潜在的遗传学以及基因如何协同工作。最接近的类比是烹饪：如果你了解食物的一般风味特性，你就会明白哪些风味可以协同工作，哪些风味可以相互抵消。通过研究西红柿的潜在遗传学，利普曼能够了解两种突变基因的特性，并创造出产量更高的西红柿。

利普曼认为，这种负上位性现象不仅仅发生在西红柿中，随着我们的深入挖掘，我们会发现更多令人惊讶的案例。

“最令人惊讶的是，8000 年前的突变在现代番茄品种中如此普遍，以至于当 20 世纪 50 年代和 60 年代发现第二个突变并且育种者想要利用它时，他们遇到了这个障碍——这个障碍就是旧的突变，”利普曼说。“旧的突变是与 50 年代和 60 年代发现的突变最接近的基因，这一事实非常优雅地说明了进化、驯化和育种是如何进行的。”