近日，《科学》杂志以封面报道形式介绍了中美科学家关于番茄风味改良的化学和遗传学路线图研究成果，同期刊发了两国科学家合作的论文。与此同时，《自然》杂志也就此在线发表了亮点报道。
小小番茄之所以获得如此高的关注度，源于这种果实既是一种非常受消费者欢迎的蔬菜，又是植物生物学家的最爱之一，堪称植物遗传学界的“小白鼠”。
中美两国科学家研究了“风味”这个能感觉到却看不见摸不着的性状，解读了番茄基因组9亿个碱基对、1200万个变异的大数据。那么，消费者什么时候才能吃上更好吃的番茄？带着这个问题，《中国科学报》记者走进了中国农业科学院。
一封发给美国“番茄院士”的邮件
这项成果源自2013年《纽约时报》上的一篇报道和黄三文发给克里的一封电子邮件。
彼时恰是人类破解番茄全基因组后的第二年。《纽约时报》在当年8月26日的一篇报道中介绍了美国科学院院士、佛罗里达大学教授哈利·克里关于番茄风味的研究进展。当时，他发现了几种与番茄甜味相关的基因，知道了决定番茄风味的化合物与甜味、酸味有关，甚至包括400多种挥发类物质。他希望在3到5年后培育出更好吃的可商业化种植的番茄新品种。但接下来的工作面对的是大量不知道有何种作用的番茄基因，以及未知的挥发性类物质生成路径。
当时，远在大洋彼岸的中国，上述论文联合通讯作者、农科院蔬菜所研究员黄三文也开始利用番茄全基因组的破解尝试培育更甜的新品种。看到该报道后，8月30日，黄三文给克里发去一封简短的电子邮件，邀请他来实验室参观，并主动建议借助双方的优势——黄三文团队的基因组学方法和克里团队的风味研究——合作研究番茄的风味问题。
14个小时后，黄三文收到了克里的回信，他表示对这个提议“非常”感兴趣，并一定要到黄三文的实验室谈一谈合作。
“我们的基因组学方法为番茄风味改良提供了一种全新而卓有成效的研究工具，这让科学家有可能去改变一种看不见摸不着的性状。”黄三文告诉《中国科学报》记者。此后三年多，化学和基因组学结合，番茄风味改良的愿景终于从概念变为了路线图。
“我希望能吃到小时候的番茄！”
很多人都有这样的体会，现在的蔬菜没有小时候那么好吃了。“我希望能吃到小时候的番茄！”然而，味道或者风味是一种非常难于描述的作物性状，影响它的因素也非常复杂，并不是一两种化合物或者基因就能决定的。
2012年，拥有9亿个碱基对的番茄全基因组图谱被破解，黄三文团队负责第11号染色体的测序（共12条染色体）。2014年，黄三文团队继续组织解读番茄全基因组变异图谱，发现了1200万个基因组变异。要在这样的大数据中找到决定番茄风味的基因，必须要解决两个问题。
首先，什么是好吃的番茄？黄三文把解决这个问题的办法叫作“消费者参与的育种”。为此，克里实验室在美国邀请了170位不同年龄、种族、性别的品尝专家进行尝味，以期确定风味的化学基础。
此前，他们已经从400多种番茄代谢产物中挑选出了68种可能的风味物质，而品尝专家则对其中78份番茄进行了多次严格的品尝实验，收集了每份番茄的感官指标，包括总体喜好度、风味的浓度、甜味、鲜味等。继而他们又对78种果实的主要物质进行了测定，利用数据模型分析最终确定了33种影响消费者喜好的主要风味物质，包括葡萄糖、果糖、柠檬酸、苹果酸和29种挥发类物质。
“吃起来甜度高的番茄不一定含糖量高，因为好几种挥发性物质能够提高对甜味的感觉。”克里说，“确定番茄风味的化学基础是风味改良的第一步。”
接下来的问题是，如何在番茄巨大的基因库里找到那些产生这33种物质的合成途径基因和调控基因。
“为了鉴定番茄种质中的优良基因，我们对世界范围内的400份代表性的番茄种质进行了全基因组测序和多点多次的表型鉴定。利用全基因组关联分析和连锁分析最终鉴定了影响27种风味物质的200多个主效的遗传位点。”该论文联合第一作者、农科院基因组研究所祝光涛博士说。其中有两个基因控制了番茄的含糖量，5个控制了酸含量。
关键的一步是，黄三文说，在杂交培育得到的番茄幼苗期就鉴别出需要的遗传类型，这样能大大提高育种效率，最终寻找到目标新品种，这就是分子设计育种，也是番茄风味改良的路线图。
加紧培育新番茄品种
随着黄三文的一部分工作转移到农科院新建的基因组所，为了加强密切合作，克里和他的助手丹尼斯·铁曼博士也分别担任了基因组所兼职研究员和兼职副研究员。接下来，中美科学家发现了现代番茄不如小时候番茄好吃的原因。
祝光涛告诉记者，通过基因组分析发现，含糖量位点正好落在全基因组的驯化区域，而且大多数品种都选择了低含量的基因型。
由于现代育种家主要关注果实的重量，他们怀疑这种强烈选择可能源于果重和含糖量之间的负相关性。“分配到果实里的光合产物是一定的，果实越大，含糖量一般会越低。”黄三文说，通过风味物质遗传基础的解析和优良基因的挖掘，将优良基因恢复到现代品种中是下一步番茄品质育种的努力方向。
挥发类物质不仅本身能通过嗅觉直接影响番茄的风味，而且能够通过增强食用过程中的味觉提高果实的风味。但其含量在果实中非常低。“通过分子设计育种提高这些挥发性物质的含量，不仅可以避免提高含糖量导致的产量损失，而且能够开发出更适合糖尿病人群的优质风味番茄。”黄三文说。
中美科学家正在加紧培育新的番茄品种。“我们的研究为番茄风味改良提供了一个切实可靠的遗传路线图，利用这个重要物质的遗传位点和代谢途径，我们将能够找回现代品种中丢掉的番茄味。”克里对番茄风味改良充满信心。
