跳到主要內容

如何產生超大蕃茄

大家常常吃生蕃茄、熟蕃茄,但可能不知道,原生種的蕃茄都是小小顆的(類似聖女小蕃茄),大顆的(如牛蕃茄)都是栽培種。到底是什麼原因造成蕃茄有大有小呢?


蕃茄的大小是因為子房室的數目造成的。
究竟是什麼原因造成子房室的數目變化呢?
圖片來源:wiki

當我們把蕃茄橫切(如下圖),會看到蕃茄的果實裡面有很多「房間」。大的蕃茄房間比較多,小的蕃茄房間比較少。這些「房間」其實叫做「子房室」(locule)。

大蕃茄有四個子房室,小蕃茄只有兩個。
photocredit:葉綠舒

科學家們過去已經知道,有兩個基因突變會影響到蕃茄的子房數目。一個稱為lclocule number,子房室數目),另一個是fasfasciated,簇生)。這兩個突變彼此間有加成效果,所以同時具有lcfas的突變蕃茄果實會更大。

最近冷泉港(Cold Spring Harbor)的研究團隊,在蕃茄裡發現了兩個新的基因,當它們突變時會產生超大蕃茄。這兩個基因被稱為fabfasciated and branched,簇生且分支)與finfasciated inflorescence,花莖簇生)。

進一步的分析發現,fab其實跟阿拉伯芥的CLV1是一樣的。在阿拉伯芥(Arabidopsis thaliana),CLV1、CLV3與WUS一起調節阿拉伯芥的頂芽生長點。CLV3是個小分子的多肽(大約12-13個氨基酸),當他與CLV1受器結合以後,便會去抑制WUS的表現,而WUS又會去正向調節CLV3的表現。頂芽生長點因為有他們三個(還有其他配角,不過為了聚焦就不提了),得以維持在適當的大小。

當阿拉伯芥的Clv1Clv3基因發生缺損時,WUS便會開始到處表現。結果就是頂芽生長點變大、(花莖的)分支也變多。而這篇研究裡的蕃茄,fab的突變造成不僅是花莖的分支變多(下圖b),每一朵花的花器也變多了(下圖f右下),於是子房室的數目也增加,結果就是有六個子房室的大蕃茄。

圖片來源:Nature Genetics

另一個基因fin的突變更誇張,花莖的分支(上圖c)以及每朵花的花器數目增加得更多(上圖g右下),於是長出來有12個子房室的超級大蕃茄!

有趣的事情是,Fin並不是Clv1Clv3,而是專門在羥基脯氨酸(hydroxyproline)上面加上阿拉伯糖(arabinose)的酵素:hydroxyproline O-arabinosyltransferase (HPAT)。

為什麼HPAT會跟子房室的數目扯上關係呢?進一步的深入研究發現,原來CLV3需要被Fin基因所產生的這個酵素加上三個阿拉伯糖才能有正常功能。在Fin發生突變時,CLV3因為沒有加上糖所以跟CLV1結合得不好,影響到後續對於生長點的調節功能,於是就產生超大蕃茄了。

至於過去栽培種中的Lc以及Fas基因呢?科學家們認為Lc應該是位於Wus下游,而Fas就有意思了。原來Fas就在Clv3的附近,過去一直認為Fas是一個稱為Yabby的基因,但是當科學家將Yabby放回蕃茄去卻只能部分逆轉Fas的性狀。這次找到了蕃茄的Clv3以後才發現,原來fas的突變是因為一整段基因(29萬4千個鹼基對,294kb)反轉,這一整段包括了Clv3Yabby以及其他的基因,但卻影響到Clv3的表現,所以造成了大蕃茄的性狀。

所以,若要產生超大蕃茄,一定要從Clv1-Clv3-Wus這條路徑下手。目前的研究成果已知這條路徑在蕃茄中與阿拉伯芥是類似的,不知道在其他的植物中是否也很相似?在這個研究裡,作者動用了基因編輯(gene editing)技術,將蕃茄的Clv3剔除掉以後,也一樣會產生超大蕃茄;若能用相同的技術在其他農作物上,或許就能產生更多超大果實呢!

本文版權為台大科教中心所有,其他單位需經同意始可轉載)

參考文獻:

Cao Xu et. al. 2015. A cascade of arabinosyltransferases controls shoot meristem size in tomato. Nature Genetics doi:10.1038/ng.3309.

留言

這個網誌中的熱門文章

關於蕃薯,你知道你吃的是什麼品種嗎?

蕃薯( Ipomoea batatas )從臺灣人的主食、轉變為副食、又轉變為飼料,最後在養生的風潮下,再度躍上餐桌,成為美食,可有人關心過,我們吃的蕃薯是什麼品種嗎? 圖片來源: 農委會 上面這張照片裡的蕃薯,中間的TN57與TN66,就是台農57號與台農66號,是臺灣最受歡迎的兩種蕃薯喔! 台農57號在1955年由嘉義農試分所將日治時代培育出的台農27號與南瑞苕種(Nancy hall)雜交育成。它黃皮黃肉,目前還是全臺灣產量最大的蕃薯。口感鬆軟,適合烤、煮食或製作薯條。主要產地在雲林、台南、高雄。適合在四~十月間種植。台農57號還曾經隨著農技團飄洋過海到史瓦濟蘭去,協助他們解決糧食問題呢! 至於台農66號呢,就是所謂的紅心蕃薯啦!台農66號是1975年也是由嘉義農試分所選出,1982年正式命名。它是目前栽植最普遍的食用紅肉番薯。在臺灣,幾乎全年皆可栽種,秋冬作五個月可收穫,春夏作四個月就可以收穫囉! 最右邊的台農73號,就是現在所謂的「芋仔蕃薯」啦!它是在1990年以台農62號(♂)x清水紫心(♀)雜交後,在2002年選拔出優良子代CYY90-C17,並於2007年正式命名。由於肉色為深紫色,所以得到「芋仔蕃薯」的暱稱。本品種富含cyanidin 及peonidin 等花青素,具抗氧化功用。 至於常吃的蕃薯葉,則是以桃園2號與台農71號為主,這兩種葉菜蕃薯都不用撕皮就可以直接煮來吃,而且莖葉不易倒伏,方便農民採收喔! 如果您愛吃的是蕃薯的加工食品,如蕃薯餅、蜜蕃薯、蕃薯酥,其實他們大多也是用台農57號與66號來加工的喔! 參考文獻: 蔡承豪、楊韻平。2004。臺灣蕃薯文化誌。貓頭鷹出版。 行政院農委會。 甘藷主題館 。

秘魯傳統與現代:如何耕作(tillage)影響了土壤下的微生物世界

  Chiwa (左)與  barbecho(右)。圖片來源:Sci. Rep. 以前的人認為耕作可以「把土翻鬆」對植物有益,但近年來的研究卻發現,耕作會干擾土壤聚合,所以有了所謂的「免耕耕作」(no-till farming)。但是收穫後都不翻土,任由雜草叢生,也會造成操作上的一些困擾。 或許有限度的翻土,讓操作方便,也不會太擾動土壤,是否比較可行呢?最近在秘魯的研究,提供了一些資訊。 研究團隊探討了秘魯安第斯山脈傳統種植馬鈴薯的耕作系統對土壤微生物群落的影響。他們比較了「chiwa」(最小耕作)和「barbecho」(全耕作)兩種傳統耕作系統對土壤細菌多樣性、均勻度、群落組成和功能的影響。 「Chiwa」是一種最小耕作系統(MTS),其中常用「chakitaklla」(圖)。這種前印加時期的工具用於腳來定位,由一根長0.8至2.5米的木頭和一根長75至300毫米的金屬條製成。在這種MTS中,「chakitaklla」被用於草地上,以穿孔處植入馬鈴薯種子,種子被埋在0.1至0.2米的深度,並用相同的土壤覆蓋。三到四週後,種植區域附近的土壤被翻轉或翻面,形成種子塊莖上的土堤。 相對的,「barbecho」則是使用類似犁的由牛來拉的工具,甚至會使用耕耘機。 研究團隊發現,這兩種耕作系統雖然共享許多代謝途徑,但在厭氧途徑和多樣性途徑上存在差異,顯示了土壤管理對維持健康土壤微生物群落的重要性。 他們發現,「chiwa」耕作系統,即最小耕作方法,顯示出比「barbecho」耕作系統,即全耕作方法,更高的微生物多樣性。這說明在較少干擾土壤的情況下,能夠支持更廣泛的微生物群落,這對土壤健康和生態系統功能是非常重要的。 分析顯示「chiwa」耕作系統比「barbecho」耕作系統展現了更多的厭氧途徑。這意味著在較少干擾土壤的情況下,能夠促進特定微生物群落的發展,這些群落在厭氧條件下更為活躍。這一發現強調了傳統最小耕作方法在維持土壤微生物多樣性和功能上的潛在優勢。 研究強調了利用微生物生物指標來評估耕作系統影響的潛力,這些發現為理解傳統耕作系統下秘魯農業土壤的微生物群落及其生態提供了新的見解。 論文中沒有提到哪一種耕作法馬鈴薯產量比較高,這是比較可惜的事。 參考文獻: García-Serquén, A.L., Chumbe-Nolasco, L.D., N

橘色胡蘿蔔「爆橘」的關鍵基因

  胡蘿蔔。圖片來源:維基百科 於十世紀在中亞馴化的胡蘿蔔(carrot, Daucus carota subsp. sativus )本來是黃色或紫色的。橘色的胡蘿蔔大約在十五世紀初出現在西歐(可能是來自白色與黃色胡蘿蔔雜交),很快地因為類胡蘿蔔素的甜味受到喜愛(雖然有些人也因為這樣的味道而厭惡它)。 到了二十世紀初期,研究者發現橘色的胡蘿蔔有療效,而類胡蘿蔔素(beta-carotene)的名字也是由胡蘿蔔而來。 但是,到底是什麼基因讓胡蘿蔔「爆橘」呢?最近的研究發現,要讓胡蘿蔔變成橘色,竟然需要同時關掉三個基因! 這三個基因是: REC1 , Or 與 EX1 。 美國的研究團隊,為了了解胡蘿蔔「爆橘」的關鍵,分析、定序了630種胡蘿蔔品系。他們發現,只要這三個基因裡面有一個是開啟的狀態,胡蘿蔔就不是橘色的。當這三個基因同時被關掉時,色素會累積,造成橘色的胡蘿蔔。 由於這三個基因位於不同的染色體上(胡蘿蔔有九對染色體),所以在世界各地可能會有不同光譜的橘色胡蘿蔔出現。科學家們翻閱十七世紀的歷史文獻也發現,在當時有「比較」橘與「比較不橘」(可能沒有完全關掉)的胡蘿蔔。當然最後都是比較橘的胡蘿蔔勝出啦。 參考文獻: Coe, K., Bostan, H., Rolling, W. et al. Population genomics identifies genetic signatures of carrot domestication and improvement and uncovers the origin of high-carotenoid orange carrots. Nat. Plants (2023). https://doi.org/10.1038/s41477-023-01526-6