Science：揭示自然突变和通过CRISPR基因编辑引入的工程突变对番茄大小的影响

数万年来，进化通过自然突变塑造了西红柿。然后，人类出现了。几个世纪以来，我们一直在培育和挑选具有我们喜欢的性状的西红柿。如今，CRISPR 基因组编辑技术让我们能够制造新的作物突变，从而进一步改善性状。然而，无论是自然突变（natural mutation）还是工程突变（engineered mutation，人工通过基因改造引入的突变），单个突变都不能单独发挥作用。每个基因突变都在成千上万个所谓的“背景”突变中起作用。这些变化都是进化和农业历史的产物。如果仅仅一种背景突变就能极大地改变工程突变的预期结果呢？

如今，在一项新的研究中，来自美国冷泉港实验室（CSHL）的研究人员探索了自然突变和 CRISPR 突变对植物育种的可预测性。为此，他们将进化时钟往回拨。相关研究结果发表在2023年10月20日的Science期刊上，论文标题为“Idiosyncratic and dose-dependent epistasis drives variation in tomato fruit size”。

CSHL 教授Zachary Lippman和副教授David McCandlish想知道，不同的自然突变和工程突变是否会对番茄的大小产生类似的影响，这取决于是否存在另外两种基因突变。他们利用 CRISPR 在 SlCLV3 基因中制造了一系列突变（已知该基因的自然突变会增加果实大小）。然后，他们将这些突变与其他与 SlCLV3 协同作用的基因中的突变结合起来。

他们总共创造了 46 个具有不同突变组合的番茄品系。他们发现，当某些其他突变也存在时，SlCLV3 基因突变产生的效果更容易预测。一个基因的突变会产生可预测的番茄大小变化，但另一个基因的突变则会产生随机结果。值得注意的是，最有益的影响涉及到千年前出现的两个突变，它们在番茄驯化中起着至关重要的作用。

这项新的研究可能会帮助我们更好地理解基因的可预测性。但有一点是肯定的，即在引入新的作物突变时，背景突变很重要。Lippman解释道，“基因组编辑是否能迅速为消费者带来好处---更好的风味和营养？答案可能是肯定的。问题是它的可预测性有多大。”

 图片来自Science, 2023, doi:10.1126/science.adi5222。

这项新的研究表明，背景突变的作用需要重新评估。McCandlish说，“随着我们开始制造更多高度工程化的有机体，这个领域将不得不努力解决这个问题。一旦你开始制造10个、20个突变，出现意外结果的概率可能会增加。”

进化之书是用多种不同的语言写成的，其中的许多语言我们仍在学习。植物遗传学和计算生物学提供了两种破译这本进化之书中的文字的方法。Lippman和McCandlish希望他们的合作解读能够帮助科学迎接挑战。展望未来，这也可能帮助人类改进作物，以满足不断发展的社会需求。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

1. Lyndsey Aguirre et al. Idiosyncratic and dose-dependent epistasis drives variation in tomato fruit size. Science, 2023, doi:10.1126/science.adi5222.

2. Genome editing vs natural mutation for variations in tomato size
https://phys.org/news/2023-10-genome-natural-mutation-variations-tomato.html