从野生植物到作物：CRISPR-Cas9革命性育种——含有更多有价值的抗氧化剂的新番茄
小麦、玉米等农作物经过几千年的育种过程，人类在育种过程中逐渐地改变了野生植物的特性，使其适应自己的需要。一个动机是，而且仍然是更高的产量。这种育种的一个“副作用”是减少遗传多样性和丧失有用的特性。现代品种对疾病的易感性增加、味道缺乏或维生素和营养含量降低都表明了这一点。现在，来自巴西、美国和德国的研究人员首次利用CRISPR-Cas9（一种现代的基因组编辑过程）在单代内从一种野生植物中培育出一种新的作物。从一种“野生西红柿”开始，他们同时引进了各种农作物的特征而不会失去野生植物的有价值的遗传特性。研究结果已发表在现期《自然生物技术》杂志上。
“这种新方法允许我们从头开始，重新开始新的驯化过程，”来自明斯特大学（德国）的生物学家Jörg Kudla教授说，他的研究小组参与了这项研究。通过这样做，我们可以利用研究人员在过去几十年中积累的关于植物遗传学和植物驯化的所有知识。我们可以保存野生植物的遗传潜力和特别有价值的特性，同时在很短的时间内生产出现代作物所希望的特征。”研究人员总共花了大约三年时间进行他们的研究。
研究者们选择Solanum pimpinellifolium作为亲本植物，一个来自南美洲的野生番茄，也是现代栽培番茄的祖先。野生植物的果实只有豌豆的大小，产量也低，这两种特性使得它不适合作为农作物。另一方面，该水果比现代西红柿更香，现代西红柿由于育种失去了一些味道。此外，野生水果含有更多的番茄红素。这种所谓的自由基清除剂，即抗氧化剂，被认为是健康的，因此是一种受欢迎的成分。
研究人员通过使用“多元CRISPR-Cas9”对野生植物进行修饰，使得后代植物在六个基因上具有小的遗传修饰。这些决定性基因在过去的几年中已经被研究者们所认识，并且被认为是驯化番茄的遗传关键特征。具体来说，研究人员与野生西红柿相比做了以下改进：水果比野生西红柿大三倍，相当于樱桃西红柿的大小。水果的数量达到十倍，形状比圆形野生水果更像椭圆形。这种特性很受欢迎，因为下雨时圆形水果比椭圆形水果更快裂开。植物也有更紧凑的生长。
另一个重要的新特性是，番茄新品种中的番茄红素含量是野生亲本的两倍以上，并且不低于常规樱桃番茄的五倍。"这是一个决定性的创新，它不能通过任何传统的育种过程用目前栽培的西红柿实现，"Jörg Kudla说。"番茄红素有助于预防癌症和心血管疾病。因此，从健康的角度来看，我们所创造的番茄可能比传统栽培的番茄和其他只含有非常有限量的番茄红素的蔬菜具有额外的价值。"他补充说，到目前为止，育种工作者一直在试图增加栽培番茄中番茄红素的含量。然而，即使在它们成功的情况下，也是以β-胡萝卜素含量为代价的，β-胡萝卜素也保护细胞，因此是一种有价值的成分。
Jörg Kudla总结了现代农业的困境：“我们的现代作物是育种的结果，有它的所有优点和缺点。许多特性如弹性已经丧失，我们只能通过一个艰苦的，长达数十年的过程与野生植物回交——如果还有野生植物。原因在于，由于众多基因之间的相互作用，不能通过传统的育种过程恢复性状。在许多方面，驯化就像一条单行道。在现代基因组编辑的帮助下，我们可以利用野生植物的优势解决这一育种问题。简而言之，分子“从头驯化”提供了巨大的潜力，也产生了新的、理想的特性。“此外，Kudla教授补充说，现在已经有可能获得目前还没有被人类所使用的非常健康的植物，或只在一个有限的范围内，通过有针对性的增加其果实的大小或改进驯化其他特征，把它们变成新的作物。
该方法的细节：研究人员利用CRISPR-Cas9方法通过所谓的功能缺失突变来靶向和失活Solanum pimpinellifolium的基因。从这些转基因植物中，他们选择了合适的成熟亲本植物。研究人员对这些亲本植物的后代进行了外观特征分析，并对它们的特性进行了分析。
参与这项研究的研究人员来自维索萨联邦大学和圣保罗大学（巴西）、明尼苏达大学（美国）以及明斯特大学（德国）。
