又大又甜的番茄不是夢！

番茄這個發源於中南美洲的水果/蔬菜，從只有小番茄這麼大，因為人類的育種，產生了牛番茄這種大果番茄。但是，從小番茄到大番茄，改變的不只是大小，還有味道。

相信大家都聽過抱怨：番茄越來越難吃啦！影響番茄味道的原因很多，但是有兩個原因，卻完全是人類「自作孽」。

原因之一是，傳統番茄果實在成熟時會出現果肩部分（靠近莖的部位）較淺色的不均勻著色，而消費者喜歡整個都變紅的番茄。於是，為了滿足消費者對完全紅透番茄的偏好，育種家選擇了uniform ripening（u）基因的突變。

又大又紅的番茄卻不好吃，怎麼會這樣呢？圖片取自維基百科

卻沒想到，果肩部位較淺的顏色其實反映了更多的葉綠體，更多的葉綠體意味著更高的糖分累積能力；而u基因這個Golden 2-like轉錄因子，雖然會讓整顆番茄變紅，卻會影響果實中葉綠體的發育和功能！所以uniform ripening （u）突變，雖然讓整顆番茄變得紅紅的很漂亮，實際上卻降低了番茄的品質。也就是說，我們為了外觀而進行的選擇，卻犧牲其他重要性狀[1]（真是金玉其外啊...扶額）。

原因之二是，果實大小和糖分含量有負相關性。有科學家發現了一個控制番茄果實大小的關鍵基因FAS，它是一個類YABBY轉錄因子。在番茄馴化過程中，這個基因的調控區域發生變化，使果實變大，但是糖分含量也降低了[2]。

另一個研究團隊也發現，碳資源的分配在果實大小和糖分含量之間存在權衡關係。簡單來說，植物每天就只能進行那麼多光合作用，所以要長大果實就沒辦法夠甜、要夠甜果實就沒辦法長太大[3]。

難道又大又甜的番茄只是夢想嗎？最近的研究告訴我們：番茄是可以既大又甜的[4]！

由於番茄的甜度與可溶性固形物含量（SSC）相關，所以研究團隊針對可溶性固形物含量進行了全基因體關聯分析（GWAS），結果在11號染色體上發現一個與可溶性固形物含量（SSC）顯著相關的位點。這個區塊包含6個候選基因，分析這些基因的表現模式後，發現只有SlCDPK27（Solyc11g065660）的表現量與SSC呈明顯負相關。

另外，當他們在分析這個基因的功能時，發現它的一個突變株（MM-CDPK27-CR1）顯示出比完全缺失該基因的突變株更強的糖分累積效應。進一步的分析發現，原來這個突變株在激酶域中少了兩個胺基酸（L62和G63），產生了一個沒有活性的激酶；而另一個突變株（MM-CDPK27-CR2）只剩下N端72個胺基酸，所以是完全缺失突變。但是，MM-CDPK27-CR1雖然失去了激酶活性，卻還是可以與受質SlSUS3結合；這個現象是所謂的「顯性負」（dominant-negative）效應，而這個現象的出現，意味著番茄基因體中可能存在與它功能重複的基因。

於是，他們去搜尋基因體中是否有它的基因家族。搜尋發現，這個家族還真不是普通的大啊！SlCDPK27屬於鈣依賴性蛋白激酶（CDPK）家族，而番茄中總共有29個CDPK蛋白，還可以被分為四組。其中，SlCDPK26與SlCDPK27的關係最接近。

進一步的研究發現，它在果實成熟過程中的表現模式與SlCDPK27類似。透過基因編輯創造單基因和雙基因突變株進行功能研究之後，確認這兩個基因的確有功能冗餘的現象。

但是，這兩個基因是如何影響番茄的可溶性固形物含量呢？研究團隊發現，它們透過磷酸化SlSUS3（蔗糖合成酶3），造成SlSUS3蛋白的分解，來影響番茄果實的糖含量。原來，SlSUS3負責催化蔗糖水解，產生葡萄糖和果糖。由於果糖的甜度最高，所以當SlSUS3活性上升或表現量增加，番茄就會變得特別甜。

在番茄中共有六個SlSUS基因，這些基因在不同組織中的表現量不同。其中SlSUS3在成熟果實中表現量最高。研究團隊發現，當SlCDPK27/26被剔除時，SlSUS3蛋白就會變得更穩定，於是番茄就變得更甜；而當SlSUS3過量表現時，果實的糖分含量也會增加，當然番茄也會變甜。但是，不論是過量表現SlSUS3或剔除SlCDPK27/26，對果實重量都沒有明顯的影響。

變得多甜呢？分析發現，葡萄糖和果糖含量提高30%。為了要瞭解是否會影響到產量，研究團隊進行了種植實驗。他們發現雙突變株（SlCDPK27/26 KO）不論是單顆果實重量、每株植物總產量、每株植物果實數量，都與野生種沒有明顯的差異。唯一的顯著差異是種子數量與種子重量：種子數量減少18%、千粒種子重少了13%。不過種子發芽率並沒有顯著的影響。

所以，透過尋找與可溶性固形物含量相關的基因，研究團隊找到了調節番茄蔗糖合成酶的基因，而剔除這個基因可以使番茄變甜但是果實不會縮水。也就是說，我們真的可以有「又大又甜」的番茄吃了！

參考文獻：

[1]Powell, A. L., Nguyen, C. V., Hill, T., Cheng, K. L., Figueroa-Balderas, R., Aktas, H., ... & Bennett, A. B. (2012). Uniform ripening encodes a Golden 2-like transcription factor regulating tomato fruit chloroplast development. Science, 336(6089), 1711-1715. DOI: 10.1126/science.1222218

[2]Prudent, M., Causse, M., Génard, M., Tripodi, P., Grandillo, S., & Bertin, N. (2009). Genetic and physiological analysis of tomato fruit weight and composition: influence of carbon availability on QTL detection. Journal of Experimental Botany, 60(3), 923-937. DOI: 10.1093/jxb/ern338

[3]Prudent, M., Causse, M., Génard, M., Tripodi, P., Grandillo, S., & Bertin, N. (2009). Genetic and physiological analysis of tomato fruit weight and composition: influence of carbon availability on QTL detection. Journal of Experimental Botany, 60(3), 923-937. DOI: 10.1093/jxb/ern338

[4]Zhang, J., Lyu, H., Chen, J., Cao, X., Du, R., Ma, L., ... & Huang, S. (2024). Releasing a sugar brake generates sweeter tomato without yield penalty. Nature. https://doi.org/10.1038/s41586-024-08186-2