近日，华中农业大学园艺林学学院、果蔬园艺种质创新与利用全国重点实验室番茄团队在《Molecular Plant》发表题为“The TANG cluster comprising ten nitrate transporter genes controls fruit sweetness and size in tomato”的研究论文。该研究鉴定了由10个硝酸盐转运蛋白基因组成的串联基因簇TANG（Total soluble solids Accumulation via Nitrate transporter Gene cluster），揭示了TANG调控番茄果实糖度与大小的作用机制，为协同改良果实品质和产量提供了新靶点。
研究背景
糖含量是决定番茄（Solanum lycopersicum）风味和商品价值的关键指标，但现代育种中果实增大往往伴随糖度下降。液泡既储存硝酸盐等氮源，也储存蔗糖等碳源，其跨膜运输直接影响细胞的碳氮平衡。然而，硝酸盐和糖转运系统如何协同调控果实性状，仍缺乏具体认识。
研究内容
研究团队通过对番茄核心种质的蔗糖含量进行全基因组关联分析，在5号染色体定位到与蔗糖和可溶性固形物显著相关的区域，并鉴定出包含TANG1—TANG10的串联基因簇，簇内成员在染色体上紧密排列且序列高度相似。针对TANG成员高度同源且可能存在功能冗余的问题，团队对TANG成员进行多基因编辑，通过对316株T2代阳性植株进行靶区测序，最终筛选出33个编辑株系，分别携带1-8个纯合突变基因。不同TANG成员突变组合产生了多样且非线性的表型效应。其中，3-45-6株系的可溶性固形物、果糖、葡萄糖和果重同步提高，说明改良效果取决于TANG基因簇具体的基因组合，而非敲除基因数量的简单累加（图1）。
图1. 红熟番茄果实中TANG基因簇多靶点编辑的基因型及表型
研究通过番茄原生质体定位以及烟草叶片中与液泡膜Marker共定位，证实TANG蛋白主要定位于液泡膜。随后利用非洲爪蟾卵母细胞双电极电压钳技术，从而判断TANG蛋白主要参与液泡硝酸盐运输，但运输方向不完全相同。这种成员间的功能分化进一步增加了高同源基因簇功能解析的复杂性，也说明不能仅通过序列相似性推断各成员的生理功能。为进一步解析TANG基因簇调控番茄果实蔗糖积累的机制，团队从多个液泡膜糖转运蛋白中挖掘并验证了互作蛋白SUT4（液泡膜蔗糖转运蛋白）。进一步利用糖转运缺陷型酵母和非洲爪蟾卵母细胞体系，证实了TANG蛋白本身不具有蔗糖或己糖转运活性，验证了SUT4能够介导液泡蔗糖外排，而TANG8与SUT4共表达可显著增强SUT4介导的液泡蔗糖外排（图2）。
图2. TANG8与定位在液泡膜上的蔗糖转运蛋白SUT4互作并改变其转运活性
综上所述，TANG成员通过介导硝酸盐运输和调节SUT4活性，共同影响液泡内硝酸盐-蔗糖分配，进而调控番茄果实糖分积累和果实大小（图3）。该研究将功能解析从单个基因拓展至串联基因簇，通过自然变异挖掘、膜转运功能鉴定到多基因编辑种质创制，为兼顾番茄甜度与果重提供了新的理论基础和育种材料，体现了选择性多基因编辑在兼顾番茄风味与果重方面的应用潜力。
图3. 番茄果实中TANG相关液泡硝酸盐-蔗糖分配模型
华中农业大学园艺林学学院、果蔬园艺作物种质创新与利用全国重点实验室博士后李方曼、张星雨为论文共同第一作者，张余洋教授为通讯作者。山东农业大学刘根忠博士参与了基因鉴定。中国农业科学院黄三文院士和华中农业大学叶志彪教授对本研究给予了指导。
文字：李方曼 编辑：程玉华
审核：张余洋
