春種一粒粟，秋收萬顆子。能不能收得更多？在美國冷泉港實驗室，一批植物學家致力於通過改變作物自身的基因來增產。我和扎克裡·利普曼（Zach Lippman）小組裡的「番茄編輯」們試圖通過摸索控制番茄花期的關鍵基因來調整番茄產量，取得了突破性進展，並將論文發表在了《自然》子刊《自然-遺傳學》（Nature Genetics）上。
人類的農業史是無數動植物的馴化史。通過將大自然原有的動植物人工馴養為牲畜或栽培為作物，我們開始定居生活，建立農業社會，最終發展出燦爛的文明。每一種作物都具有的獨特馴化和育種歷史，仔細考察這些悠遠而曲折的歷史點滴，我們會發現作物背後的精彩故事，並可能探索出更令人稱奇的結果。我們研究的番茄就是其中一個例子。
三片葉子一組花
野生番茄（Solanum lycopersicum）原產於南美的秘魯地區，最早由南美原住民馴化種植。由於野生番茄的果實體型很小，只有小葡萄那麼大，馴化的目標一直以來都是使果實更大，果肉更多。經過長期堅持不懈的人工選擇，我們最終獲得了果實巨大，果肉多汁的番茄，並由此衍生出無數番茄作為原料的美味佳餚。
如果你仔細觀察番茄的枝椏結構，會發現它是一種十分有規律的組合，就好像番茄能自己計算和數數。在最常見的菜園番茄植株上，一般來說枝椏結構是這樣的：從幼苗開始，主枝產生7-9片葉子，然後開出一組花。此後，便不斷從旁邊伸出一條側枝，生長出3片葉子，再開出一組花。循環往復，向上生長。一般情況下，每條側枝都會取代主枝位置，使植株看起來就像是一條主枝在一直向上生長，而一組又一組的花開在側面。
野生型番茄植株的枝椏結構和開花事件示意圖（左）和代表性照片（右）。圖片來源：Nature Genetics
目前在溫室中進行的番茄種植正是依賴於這種枝椏生長方式：捆綁在柱子或者網上的植株全年可一直生長，直至從下到上從左到右繞整個溫室一圈。我們可以全年不斷獲得漸進成熟的果實。在這種番茄植株上，每組果實（開花事件）之間必定間隔3片葉子。
短小精悍的sp番茄
20世紀初，美國佛羅裡達的農民發現了一個奇特的番茄品種。這個品種的番茄並不產生間隔3片葉子的花序。在第一朵花開放後，這種番茄迅速產生2片和1片葉子的側枝並開3組花，然後主枝就停止生長。在種滿番茄的菜地裡，這個品種的番茄顯得特別矮，枝椏總量也少，就像被修剪過一樣，所以人們給它起了個名字，稱作sp（self pruning，自修剪）。
sp番茄雖然看起來又小又矮，卻有著巨大的優點：它迅速生長開花，然後停止生長，所以幾乎所有果實可以同時成熟。此外，由於這個品種體型低矮，使機械化種植和收穫番茄第一次成為了可能。順理成章地，sp品種開啟了番茄的大規模工業化生產，也使大量應用番茄的各種食品工業迅猛發展。當你在麥當勞把薯條伸到番茄醬中時，你所品嘗到的幾乎一定是sp番茄。
可是sp番茄究竟是怎麼來的呢？這個謎底直到1998年才被揭開。以色列耶路撒冷大學的丹尼·扎米爾（Dani Zamir）研究組最終用現代分子生物學技術成功分離克隆了SP基因[1]。sp番茄所有的性狀都來源於SP基因上一個小小的突變。而SP基因所編碼的，正是開花植物生長過程中非常重要的一種植物激素——反開花素。就像漫畫和電影中的「X戰警」一樣，具有這種SP基因突變的番茄不但沒有成為「惡魔」，反而成為了立下奇功的「超級」番茄。
而這，只是神奇變種番茄的一個開端。
開花素與反開花素的對峙
我們已經提到，SP基因編碼的是番茄的「反開花素」，顧名思義，那是一種與「開花素」對應的物質。開花素（florigen）在植物下部的葉中產生，並通過某種方式運輸到頂端分生組織，促使頂端分生組織停止更多葉的分化，而轉為製造開花組織。它就像一個信號的集成者，收集所有促進植物開花的信號，然後自己充當信使，從葉中跑到頂端分生組織中，啟動植物的開花過程。
而反開花素，正是在頂端分生組織表達，阻止開花過程發生的激素。在開花植物中，開花素和反開花素的作用像一對在門兩邊同時推門的人，一個想要開門，一個想要關門，達成微妙的平衡——正是這種平衡使番茄在每2個開花事件之間的葉子維持在3片，不多也不少。
在sp番茄中，基因突變使反開花素失去了作用，相當於使在門背後擋著不讓開門的力量消失了。這樣，當開花素從植物下面衝上來的時候，一下子就能把門撞開，番茄迅速開花。這就是為什麼在sp番茄中開花事件之間的葉子越來越少，最後索性開完花後停止生長。
如果我們把這推門的力量——開花素——也撤走，這「門」會怎樣呢？2008年，扎米爾研究組發現了開花素和反開花素基因都突變了的番茄植株sft:sp，這種番茄很難開花，整棵植株一般只開寥寥幾朵花。「sft」（Single Flower Truss，單獨花）的名字便由此而來。
然而，這看似先天不足的突變株居然也可以書寫神奇：當研究者把sft:sp番茄和sp番茄雜交後，子一代（F1）的番茄產量比它的「X戰茄」親本sp還增加了40％！子一代從sp親本繼承了一個健康的開花素基因，同時也從sft:sp親本繼承了一個突變的開花素基因，卻能比擁有2個健康開花素基因的sp產生更多果實。這是一種罕見的單基因雜種優勢案例[2]。
儘管乍看之下，這「以一勝二」看似不符合直覺，但只要回到開花素與反開花素的平衡模型，我們會發現問題其實非常簡單。
失去反開花素（sp番茄），開花加快；再失去開花素（sft:sp番茄），開花停止；加回一個開花素基因（F1），開花恢復，但因為開花素還少一份，所以開花速率較sp番茄降低。而開花速率降低，便意味著增加了開花事件之間間隔的葉子數量，最後增加了總開花數量，形成更多的果實。
花是一扇門，增產靠平衡
在仔細研究番茄枝椏結構隨開花素和反開花素增減而發生的變化後，美國冷泉港扎克裡·利普曼（Zach Lippman）研究組發現取消反開花素後，番茄枝椏結構會對開花素的數量非常敏感，開花素數量的微妙變化往往能引起整個植株枝椏結構的連鎖變化，最終影響果實產量[3]。
搞清楚了這個模型後，我們得到非常自然但又非常激動人心的推論：在缺乏反開花素的番茄中，任何控制開花素數量的因素都可以改變開花素和反開花素的平衡，進而改變枝椏結構。摸索到那扇「門」的最佳位置，我們便能夠實現果實增產。
怎樣才能找到這些影響因素呢？開花事件之間的葉子數量便是最有力的武器：如果開花事件之間葉子變少了（少於3片），說明開花速率太快，開花素太多了；而如果開花事件之間葉子變多了（等於或多於3片），說明開花速率變慢了，開花素又太少了。
如此這般，開花素的多少就成為了我們調節番茄果實產量的一個「秘密」開關。在這種思想的指導下，利普曼的研究小組篩選了大量突變體，最終發現了一系列開花素數量被改變的突變體[4]。通過互相雜交把這些不同的突變重新排列組合，研究者得以探索產量最高的組合方式。
不同番茄突變株的產量示意圖。圖片來源：Nature Genetics
這種自由的隨機組合不僅能幫助我們找到開花素調節開關的每一個檔位，還有助於發現所能調節的最高和最低值。最終，利用番茄中這許許多多的「X戰警」——突變株們，我們進一步理解了開花素和反開花素在番茄發育中的作用，把番茄的馴化向前推進了一大步：以前，馴化的目標側重於果實大小和質量；現在，有賴這些突變體，我們又有了足夠的育種工具來優化枝椏結構，以最大化果實數量。
現在，研究者正試圖把這一思想應用到其他作物上，因為開花素和反開花素的微妙平衡存在於一切開花植物中。當前正是利用突變體進行類似育種試驗的黃金時代，在生物學的最前沿，一種能方便快捷的精確改造物種基因組，產生人工突變體的新技術CRISPR，正蒸蒸日上地發展著[5]。在這些利好條件下，相信很快，我們就能夠在任何作物的任何基因上製造任何我們想要的突變，使我們擁有近乎無限的突變體材料來進行排列組合，製造產量更高，質量更好的作物。（編輯：Calo）
參考文獻：Pnueli L, Carmel-Goren L, Hareven D, Gutfinger T, Alvarez J, Ganal M, Zamir D, Lifschitz E. The SELF-PRUNING gene of tomato regulates vegetative to reproductive switching of sympodial meristems and is the ortholog of CEN and TFL1. Development. 1998 Jun;125(11):1979-89. Krieger U, Lippman ZB, Zamir D. The flowering gene SINGLE FLOWER TRUSS drives heterosis for yield in tomato. Nat Genet. 2010 May;42(5):459-63. Jiang K, Liberatore KL, Park SJ, Alvarez JP, Lippman ZB. Tomato yield heterosis is triggered by a dosage sensitivity of the florigen pathway that fine-tunes shoot architecture. PLoS Genet. 2013;9(12):e1004043. Park SJ, Jiang K, Tal L, Yichie Y, Gar O, Zamir D, Eshed Y, Lippman ZB. Optimization of crop productivity in tomato using induced mutations in the florigen pathway. Nat Genet. 2014 Dec;46(12):1337-42. Doudna JA, Charpentier E. Genome editing. The new frontier of genome engineering with CRISPR-Cas9. Science. 2014 Nov 28;346(6213):1258096.文章題圖：Nature Genetics