DNA和所有。經(jīng)過數(shù)百年的育種，曾經(jīng)是南美豌豆大小的南美漿果，如今已具有各種形狀和大小，從像櫻桃到繁重的傳家寶水果。

霍華德·休斯醫(yī)學研究所研究員扎卡里·利普曼說，如今，科學家們正在研究這些物理變化如何在基因水平上顯現(xiàn)出來，這些工作可以指導現(xiàn)代調(diào)整番茄的工作。

他和他的同事現(xiàn)在已經(jīng)在100種番茄的基因組中發(fā)現(xiàn)了長期隱蔽的隱藏突變，其中包括來自加拉帕戈斯群島的橘子野生植物和通常加工成番茄醬和調(diào)味醬的品種。

他們對2020年6月17日發(fā)表在《細胞》雜志上的分析是對任何植物進行的此類突變(改變DNA的長片段)的最全面評估。利普曼說，這項研究可能會導致番茄新品種的產(chǎn)生和現(xiàn)有番茄品種的改良。研究人員顯示，他的團隊發(fā)現(xiàn)了少數(shù)幾個突變，這些突變改變了關(guān)鍵特性，例如風味和重量。

冷泉港實驗室的植物遺傳學家利普曼說，以前的研究早就表明這些突變存在于植物基因組中。他說：“但是直到現(xiàn)在，我們還沒有找到它們并研究其影響的有效方法。”

進入基因組的窗口

生物體細胞內(nèi)攜帶的四種類型的DNA字母的突變或變化會改變其物理特性。研究植物的科學家通常將注意力集中在一種小的，易處理的突變上，在這種突變中，一個DNA字母被交換為另一個。

Lippman團隊研究的突變更大—它們通過復制，刪除，插入或?qū)NA的長片段復制到基因組中的其他位置來修飾DNA的結(jié)構(gòu)。這些突變也稱為結(jié)構(gòu)變異，遍布整個生活世界。例如，人類研究已將這些變異與精神分裂癥和自閉癥等疾病聯(lián)系起來。

科學家可以使用一種稱為基因測序的技術(shù)，通過讀出DNA字母來識別突變。Lippman說，由于這項技術(shù)的局限性，很難對長段DNA進行解碼。因此研究人員無法捕獲基因組中結(jié)構(gòu)突變的完整圖片。

即便如此，植物遺傳學家仍懷疑這些突變會極大地影響植物的性狀，邁克爾·普魯加甘(Michael Purugganan)說，他在紐約大學研究水稻和棗椰子，但并未參與這項新研究。他說：“這就是為什么本文如此令人興奮的原因。”他說，利普曼的研究小組不僅在番茄及其野生近緣種中發(fā)現(xiàn)了這些突變，而且還確定了它們在植物中的功能。

未來西紅柿指南

這項新研究與約翰·霍普金斯大學的邁克爾·沙茨(Michael Schatz)等人合作，使用一種稱為長讀測序的技術(shù)，鑒定出番茄中超過200,000個結(jié)構(gòu)突變。利普曼將其比作是通過全景窗口查看基因組大部分的圖像。相比之下，更常規(guī)的測序只能提供一個窺孔。

他們發(fā)現(xiàn)的大多數(shù)突變都不會改變編碼性狀的基因。但是，李普曼說，很明顯，許多這些突變改變了控制基因活性的機制。例如，一個這樣的基因控制番茄果實的大小。在這種情況下，通過修飾DNA結(jié)構(gòu)-基因的拷貝數(shù)-Lippman的團隊能夠改變水果的產(chǎn)量。缺少該基因的植物從未結(jié)出果實，而具有該基因的三個拷貝的植物結(jié)出的果實比只有一個拷貝的植物大了約30%。

Lippman的團隊還證明了DNA結(jié)構(gòu)如何影響性狀的例子，他稱之為“非常復雜”。他們表明，將一個重要的收獲性狀育成現(xiàn)代番茄需要一起進行四個結(jié)構(gòu)突變。

利普曼說，這些見解可以幫助解釋其他農(nóng)作物的性狀多樣性，并使育種者能夠改良品種。他說，例如，也許在微小的櫻桃上增加一個大小基因的拷貝，櫻桃就是番茄的近親，可以使它們變大，從而增加它們的吸引力。

他說：“農(nóng)業(yè)上的圣靈之一就是能夠說，'如果我突變了這個基因，我就會知道產(chǎn)量是多少'。”“該領(lǐng)域正在朝著這種可預測的繁殖邁出重要的一步。”