通过引入HWS和GAD3基因的突变，培育出具有高糖分、高GABA积累量以及单性结实特性的番茄品种

《Plant Science》：Development of tomatoes with high sugar and GABA accumulation and parthenocarpic traits by introducing mutations in HWS and GAD3

　　

崔承哲（Seungje Choi）|岩间武（Takeru Iwama）|小林美咲（Misaki Kobayashi）|江村宏（Hiroshi Ezura）|三浦健二（Kenji Miura）

日本筑波大学生命与地球科学系毕业

摘要

番茄是全球重要的农作物，富含多种营养成分，包括维生素、番茄红素和γ-氨基丁酸（GABA）。本研究利用CRISPR/Cas9技术对两个基因HWS（Hawaiian Skirt）和GAD3（谷氨酸脱羧酶3）进行突变处理，以提高番茄品质、增强产量稳定性并改善单性结实特性。实验结果表明，HWS和GAD3的突变使番茄的糖分（Brix）和GABA含量增加，并在高温条件下诱导出单性结实现象。单性结实的发生与HWS基因无法正常调节转录组有关，导致植物激素相关果实发育过程发生更动态的变化。这些发现表明，基因改造可以提升番茄的品质和适应气候变化的能力。

引言

番茄是全球重要的农作物，年产量约为1.89亿吨（FAO，2023年）。研究表明，番茄含有多种功能性成分，如维生素、番茄红素和γ-氨基丁酸（GABA）（Kaboré等人，2022年）。研究人员利用新型工具尝试培育高营养价值的番茄品种（Kawaguchi，2024年）。例如，通过基因编辑技术培育出的高GABA含量的番茄已实现商业化（Nagamine和Ezura，2022年）。GABA是一种抑制性神经递质，在哺乳动物中枢神经系统中具有降低血压和缓解焦虑的作用（Boonstra等人，2015年）。SlGAD3基因编码谷氨酸脱羧酶3，该酶在果实中GABA的积累过程中起关键作用，通过去除谷氨酸的羧基来促进GABA的合成。SlGAD3的C末端含有自抑制结构域，在正常情况下可保持酶的非活性状态。当细胞内钙离子水平因胁迫而升高时，钙钙调蛋白复合物会与自抑制结构域中的结合位点结合，从而激活酶的活性（Takayama和Ezura，2015年；Nonaka，2017年）。

虽然培育高品质番茄品种至关重要，但确保稳定的产量同样重要。近期研究表明，气候变化（尤其是全球变暖）会导致番茄产量波动（Bhandari等人，2021年；Suman等人，2022年；Onyeneke等人，2023年）。全球变暖加剧了病虫害的发生，使得作物种植面临挑战。此外，高温环境会改变植物的生理机能，例如生殖器官对温度变化非常敏感（Zinn等人，2010年）。番茄的最佳结实温度范围为21至24°C（Geisenberg和Stewart，1996年）。当白天温度超过32°C、夜间温度仍高于21°C时，果实形成和总产量会显著下降（Moore和Thomas，1952年；Ahmadi和Stevens，1979a；Ahmadi和Stevens，1979b）。为解决这一问题，人们采取了多种措施来稳定番茄产量。其中，诱导单性结实现象是一个有前景的突破。单性结实是指无需受精即可形成果实的现象，可通过生长激素（如生长素、赤霉素和细胞分裂素）实现。已鉴定出与这些激素相关的多个基因，如IAA9和Pad1，其突变体表现出单性结实特性（Matsuo等人，2020年；Mubarok等人，2023年）。此外，SlHWS突变体（HAWAIIAN SKIRT）在Micro-Tom品种中表现出单性结实现象（Damayanti等人，2019年）。HWS拟南芥中被发现，它编码一种参与miRNA生物合成的F-box蛋白（Zhang等人，2017年；Lang等人，2018年）。受该F-box蛋白调控的miRNA中，miRNA159可调节GAMYB（赤霉素myb）基因的表达。过表达该miRNA的番茄品系在Micro-Tom品种中表现出单性结实（da Silva等人，2017年）。除了单性结实特性外，slhws突变体由于韧皮部面积扩大而表现出更高的糖分积累（Lombardo等人，2021年）。

最新研究表明，hws突变体中某些miRNA的表达水平高于野生型（WT）植物（Damayanti等人，2019年；Lombardo等人，2025年）。HWS蛋白含有F-box结构域，可与Skp-Cullin-F-box复合体（SCF）相互作用，该复合体是一种多蛋白E3泛素连接酶，负责将目标蛋白标记为26S蛋白酶体降解。已鉴定出HWS中F-box结构域的多个靶标，如HASTY（HST）和MEDIATOR 37（MED37），它们通过调控miRNA的细胞间运输来影响其非自主功能；AGO1则通过将miRNA从细胞核转运到细胞质中发挥自主调控作用。此外，HWS蛋白还含有Kelch重复序列，可与核孔复合体（NPC）中的蛋白质相互作用，从而参与miRNA的核输出（Gonzalo等人，2025年）。

本研究通过基因编辑针对HWS和GAD3的自抑制结构域，旨在培育出单性结实能力更强的高品质番茄。

章节摘录

植物与生长条件

本研究使用的番茄（Solanum lycopersicum）由Sanatech Life Science Co., Ltd.提供。培养室的温度维持在25°C，光照周期为16小时光照和8小时黑暗。种子在培养室中发芽后生长6周，随后将6周大的植株移栽到温室中。温室内的种植和收获工作在春季进行（3月1日至4月30日）。

为了利用CRISPR/Cas9技术生成含有T-DNA的番茄，通过胚叶组织培养获得了129株再生植株。其中31株经过MultiNA初步筛选后被选中进行测序，确认了7株目标位点的突变（补充表4）。部分植株还检测到多重突变。

在T₁代中，这些突变从四个hwsgad3品系中遗传而来。

本研究通过单次基因编辑成功引入了hws和gad3突变，并研究了突变体的特性。结果显示，商业品种背景下的hws突变体部分性状与Micro-Tom品种一致，但与其他突变体存在差异。

在Micro-Tom的hws突变体中，植株的营养生长增强而开花延迟，而HG品系的差异较为轻微。

(Lobardo等人，2025年；Ning等人，2021年)

三浦健二（Kenji Miura）：撰写 – 审稿与编辑、项目管理、资金筹集、概念构思。岩间武（Takeru Iwama）：数据分析。崔承哲（Seungje Choi）：撰写 – 初稿撰写、数据分析。江村宏（Hiroshi Ezura）：资金筹集、概念构思。小林美咲（Misaki Kobayashi）：撰写 – 审稿与编辑、数据分析。

作者贡献

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