植物和動物的繁殖通常涉及直接添加。由于發(fā)現(xiàn)了有益的新特性 - 如抗旱或較大的水果 - 它們被添加到現(xiàn)有的珍貴品種中，通過雜交育種。但是，每隔一段時(shí)間，添加一個(gè)有益的新特性可能導(dǎo)致凈減法，因?yàn)檫^程深深地隱藏在現(xiàn)有和新添加的特征基礎(chǔ)的基因的相互作用中。

基因之間的相互作用- 正面和負(fù)面 - 稱為上位性(ep-i-STAY-sis)。今天，冷泉港實(shí)驗(yàn)室(CSHL)的一個(gè)植物遺傳學(xué)家團(tuán)隊(duì)在Cell上發(fā)表了一篇論文，展示如何將有益特性結(jié)合起來產(chǎn)生負(fù)面影響。他們在各種番茄植物中發(fā)現(xiàn)并剖析了一例負(fù)上位性病例。但他們也展示了如何利用這些知識從植物中獲得未開發(fā)的產(chǎn)量潛力。他們通過交叉繁殖植物標(biāo)本來攜帶，這些標(biāo)本攜帶負(fù)責(zé)陽性和陰性性狀的不同“劑量”的基因變體。

“我們的研究提供了第一個(gè)我們知道馴化基因阻礙作物改良的例子，”負(fù)責(zé)該研究的CSHL副教授Zachary Lippman說。“這項(xiàng)工作說明了如何利用基因劑量來微調(diào)和改善主要產(chǎn)量性狀。它表明，通過鑒定和解剖植物和動物育種中的負(fù)上位性的類似病例，我們可能能夠打破農(nóng)業(yè)中現(xiàn)有的生產(chǎn)力障礙。 “

兩個(gè)突變的故事

幾乎所有今天種植的西紅柿 - 可能是你曾經(jīng)吃過的每一只西紅柿 - 都帶有一種基因突變，這種突變很可能發(fā)生在8000到10000年前，即農(nóng)業(yè)的曙光。這種古老的突變導(dǎo)致早期形式的馴化番茄植物生產(chǎn)水果，頂部有較大的綠葉。我們永遠(yuǎn)不會確定為什么古老的番茄種植者喜歡他們的西紅柿有更大的帽子，但我們確實(shí)知道他們選擇了這樣的植物，并且越過它們以使該特性成為大多數(shù)現(xiàn)代番茄品種的基因組的一部分。

李普曼團(tuán)隊(duì)追蹤的第二個(gè)突變是在二十世紀(jì)中期發(fā)現(xiàn)的，這個(gè)突變是在坎貝爾湯公司擁有的一塊土地上種植的馴化西紅柿中發(fā)現(xiàn)的。第二次突變引起了兩次劇烈變化。這種新突變的基因被稱為無關(guān)，它改變了莖中的肘狀彎曲，導(dǎo)致植物的花朵 - 一種稱為離體區(qū)的天然關(guān)節(jié)。這些突變的番茄植物，如“無關(guān)節(jié)”暗示，沒有關(guān)節(jié)。

對于工業(yè)種植者來說，這是一個(gè)很好的特性，他們在戰(zhàn)后期間想用機(jī)械采摘器收獲水果。收割機(jī)(機(jī)械或人工)更容易將番茄從無接縫品種的葡萄藤中干凈地分離，因?yàn)榍o中的肘部消失，果實(shí)頂部的綠色蓋子仍留在植物上。當(dāng)西紅柿被挑選時(shí)被扔進(jìn)容器中時(shí)，那些帶有蓋子和殘留莖干的東西經(jīng)常刺穿附近的其他西紅柿。所以種植者喜歡無縫，飼養(yǎng)者立即開始利用它。

但是，擴(kuò)大綠色帽子的古老突變阻止了無關(guān)節(jié)的輕松采用。由于育種者和種植者不知道的原因，直到CSHL新發(fā)表的研究才知道，無縫植物經(jīng)常有太多的花枝，稱為花序。

“你會認(rèn)為 - 正確 - 更多的花序分枝意味著更多的花朵，”Lippman說，“事實(shí)上，這是獲得更多產(chǎn)量的一種方法。但只有一點(diǎn)。如果番茄或任何其他植物生產(chǎn)過多的花，植物沒有足夠的資源將所有這些花變成水果。結(jié)果實(shí)際上是生育力下降。“

商業(yè)育種者最終找到了一種方法來抵消不需要的分枝，這使他們能夠利用產(chǎn)生無關(guān)莖的突變。結(jié)果是花序的形狀以任何在藤蔓上見過西紅柿的人都熟悉的方式。水果懸掛在單莖上，呈線性鋸齒形排列。

扭轉(zhuǎn)負(fù)面基因相互作用

“我們的團(tuán)隊(duì)想要更好地理解花序分枝和產(chǎn)量之間關(guān)系的遺傳基礎(chǔ)，”Lippman解釋說。他們推斷，通過了解負(fù)責(zé)分枝和開花的基因的相互作用，“在無縫的情況下，我們可能會提出一個(gè)更平衡的版本 - 一個(gè)會稍微分支的版本。弱分支意味著更多的鮮花和水果，同時(shí)不會使植物過度繁殖。產(chǎn)量會增加。“

這正是他和同事們成功做到的。他們的關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)：認(rèn)識到在大多數(shù)現(xiàn)代番茄植物中產(chǎn)生較大綠色帽的古老突變與幾十年前Campbell Soup領(lǐng)域首次注意到的關(guān)節(jié)突變相互作用。Lippman說，這種相互作用是“消極上位性”的一個(gè)有說服力的例子 - “兩個(gè)突變的例子，一個(gè)是古代的，一個(gè)是最近的，當(dāng)它們被選中時(shí)都被認(rèn)為是有益的，當(dāng)放置在同一個(gè)植物中??時(shí)會產(chǎn)生負(fù)面影響。”

通過完全否定無關(guān)節(jié)所帶來的特質(zhì)- 這是一種不必要的 - 分支爆炸 - “我們認(rèn)為育種者錯過了一些重要的產(chǎn)量潛力。”該團(tuán)隊(duì)能夠通過調(diào)整負(fù)責(zé)綠帽大小的基因的“劑量”來捕獲和利用這種潛力。與商業(yè)種植者一樣，不是將其對分枝的影響歸零，而是能夠與攜帶不同基因型(稱為等位基因)的變體進(jìn)行遺傳雜交，因此只能表達(dá)其分支能力的一小部分。

結(jié)果是一種弱分枝的番茄品種，也是無縫的，因此易于收獲。然而，他們也有更多的成果，僅僅因?yàn)樗麄冎婚_發(fā)了更多的枝和花。

Lippman說，這種識別，中和和可能利用負(fù)上位性的策略可能有助于改善其他作物，也可能是馴養(yǎng)的動物，其中可能存在更多隱藏的基因相互作用，而不明顯的負(fù)面影響阻礙了繁殖者和農(nóng)民實(shí)現(xiàn)其充分遺傳潛力。

“繞過在由馴化基因征收番茄產(chǎn)量負(fù)上位”出現(xiàn)在網(wǎng)上細(xì)胞5月18日，2017年的作者是：塞巴斯蒂安Soyk，扎卡里·H.·萊蒙，馬坦Oved的，約瑟夫·費(fèi)雪，凱蒂L. Liberatore，不久居公園， Anna Goren，Ke Jiang，Alexis Ramos，Esther van der Knaap，Joyce Van Eck，Dani Zamir，Yuval Eshed和Zachary B. Lippman。