茄屬植物中2,800種植物中的每一種都產(chǎn)生的花數(shù)量存在驚人的多樣性，其中包括經(jīng)濟上重要的作物，如西紅柿，辣椒和馬鈴薯。一些茄子，如胡椒，會產(chǎn)生一朵花，而其他的，如西紅柿，會產(chǎn)生帶有多朵花的枝條。為什么這些密切相關(guān)的物種之間的巨大差異?雖然個別花卉的開發(fā)已被很好地理解，但尚不清楚什么機制可以控制植物將產(chǎn)生多少枝條以及每個枝條將生長多少花朵。

副教授Zachary Lippman和冷泉港實驗室(CSHL)的科學家團隊使用RNA測序來鑒定數(shù)百個基因的網(wǎng)絡(luò)，這些基因共同作用，以確定植物中干細胞生長的關(guān)鍵窗口的持續(xù)時間。上升到鮮花。這個窗口保持打開的時間越長，干細胞的發(fā)育越多，可以生長的花和枝越多。

該團隊還證明，從番茄植物中消除這個網(wǎng)絡(luò)中三種特定基因的活性 - 這些基因的活化通常會導致幾種花的產(chǎn)生 - 導致植物只產(chǎn)生一到兩朵花。

“進化利用了植物生長計劃的靈活性，以便在花卉生產(chǎn)中創(chuàng)造出顯著的多樣性，”Lippman說。

花卉生產(chǎn)在所有作物中都非常重要，是水果和種子生產(chǎn)的基礎(chǔ)。然而，即使是密切相關(guān)的物種之間也存在顯著差異，無論是產(chǎn)花分枝結(jié)構(gòu)(稱為花序)的數(shù)量，還是從每個花序發(fā)芽的花的數(shù)量。

花來自位于枝條尖端的干細胞，稱為分生組織的圓頂狀結(jié)構(gòu)。到目前為止，決定植物開花模式的分生組織的分子變化仍然是一個謎，主要是因為顯示出戲劇性花序變異的物種，如夜晚，彼此不相互交叉相容。這意味著傳統(tǒng)的雜交育種實驗不能用于確定負責任的基因。

為了克服這個障礙，Lippman和他的同事，包括CSHL兼職副教授Michael Schatz，在比較基因組學方法中使用RNA測序來研究在五個夜間物種的分生組織成熟的關(guān)鍵窗口中數(shù)千個基因的活動如何變化。

該團隊在這五個物種中篩選了近20,000個基因。其中，大約300個基因的網(wǎng)絡(luò)在成熟過程中打開并關(guān)閉。然后，研究人員在關(guān)鍵窗口內(nèi)的不同時間段內(nèi)跟蹤這些基因的活動。

正如他們今天在“ 基因組研究 ”雜志上報道的那樣，在每個花序上產(chǎn)生單花的簡單花序的植物中，300個基因的一部分在關(guān)鍵窗口的早期階段開啟。在具有更復雜花序的植物中，同一組基因稍后開啟，延伸窗口并允許更多時間形成額外的干細胞群。這些種群反過來會產(chǎn)生更多的枝條和更多的花朵。在像番茄這樣產(chǎn)生多花序花序的食物植物中，這導致更高的產(chǎn)量。

“有一個連續(xù)的花序復雜性，起源于密切相關(guān)的夜間成熟時期的細微變化，”Lippman說。

雖然他的團隊研究了茄屬植物，但Lippman認為這一發(fā)現(xiàn)將成為解釋不同植物家族多樣性的核心原則，包括玉米，水稻和小麥等草。由于這些禾本科植物占世界上許多主要的主食，這一發(fā)現(xiàn)可能具有特別強大的意義。

研究人員想知道這個過程涉及哪些特定基因。團隊基因表達分析的性質(zhì)使得無法確定一個基因或一組基因。然而，他們注意到網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)百個基因中有三個基因家族，稱為BLADE-ON-PETIOLE(BOP)，該團隊發(fā)現(xiàn)該基因與先前研究的成熟基因TMF一起工作，確保番茄植株在每個花序上產(chǎn)生多朵花。人們早就知道這些BOP基因在植物發(fā)育中起作用，但很少有人知道這些基因在花卉生產(chǎn)中的重要性。

正如他們在9月份的Genes and Development中所報告的那樣，Lippman的團隊使用了一種強大而精確的基因編輯技術(shù)CRISPR，在番茄植株的每個BOP基因中產(chǎn)生突變。值得注意的是，當所有三個基因都發(fā)生突變時，番茄植株的花序只產(chǎn)生一兩朵花。

BOP基因編碼稱為轉(zhuǎn)錄輔因子的蛋白質(zhì)，其控制其他基因的表達。利普曼說，這些因素可能會在正常生長過程中轉(zhuǎn)向特定基因，從而延遲分生組織的成熟，從根本上延伸植物可以產(chǎn)生花朵的關(guān)鍵窗口。

Lippman認為有可能修改300個基因的網(wǎng)絡(luò)，包括BOP基因，以操縱分生組織成熟過程，從而控制許多類型植物的開花模式。

“你可以調(diào)整成熟過程，可以說，就像用于音量控制的收音機上的撥號盤一樣，”Lippman說。

但他警告說，但是，盡可能地將表盤旋轉(zhuǎn)以產(chǎn)生盡可能多的花朵可能會適得其反。一種突然將其資源轉(zhuǎn)移到創(chuàng)造鮮花的植物將幾乎沒有能量來制造葉子，果實和種子，這是發(fā)育和繁殖所必需的。

“我們已經(jīng)證明的一個很好的例子是，我們可以在番茄植物中突變一個基因，并獲得具有數(shù)百朵花的非常分枝的花序，”Lippman說。“然而，它們的產(chǎn)量很低，因為那些花不會結(jié)果。”

“如果進化已經(jīng)證明可以在野生植物中找到金錠點，”Lippman補充說，“那么這意味著我們也應(yīng)該能夠在作物中獲得同樣的甜蜜點，我們相信基因編輯是實現(xiàn)前進的方法。這個重要的目標。“