在农作物改良育种领域，我们都知道GWAS是一种广泛使用的定位农艺性状相关基因的方法，这种方法将表型数据与全基因组基因型数据进行关联分析，定位与农业性状相关的候选基因。然而，并不是所有表型都可以量化，像风味、色泽等性状，好像无法量化，那么，如何定位性状相关基因呢？ 番茄是人类饮食中重要的营养来源之一，在全世界范围内广泛食用。由于人们喜好生吃番茄，因此番茄的风味备受关注。但我们发现，现在的番茄越来越不好吃了，没有以前的鲜味甜味了。这是什么原因导致的呢？怎样才能恢复以前的味道呢？因此，本文的研究目的就是影响番茄风味的遗传机制，并为番茄风味的遗传育种改良提供新思。 挑选101种不同番茄品种的160个样本，进行消费者调查，对整体喜好（overall liking）和风味强度（flavor intensity）进行评分，并利用GC-MS靶向检测挥发性物质和糖类、有机酸等物质，进行代谢物与整体喜好、风味强度的关联分析，发现33个代谢物与消费者整体喜好相关、37个代谢物与风味强度相关，其中28个代谢物与整体喜好和风味强度都相关。
将现代番茄与传统番茄中与风味相关的挥发性物质浓度进行比较，发现总共有13种挥发性物质浓度显著下降，这可能是现代番茄风味变差的一个重要原因。
为了鉴定参与合成调控番茄风味物质的基因，对398份包括现代番茄、传统番茄和野生番茄的材料进行基因型分析、代谢物检测和代谢物-基因型关联分析（mGWAS）。首先测定了27种挥发性物质、可溶物、葡萄糖、果糖、柠檬酸、苹果酸共32种代谢物的含量；然后对398份番茄材料开展全基因组测序，共得到2,014,488个SNP位点（MAF＞5%）；接着将代谢物表型与基因型进行关联分析，得到251个与20种代谢物表型（包括15种挥发性物质和4种其他物质）显著相关的关联信号。 mGWAS结果中，两个位点（Lin5，SSC11.1）与葡萄糖、果糖含量显著相关，分别位于9号染色体和11号染色体上（figure1 A）。并且这两个位点位于前人报道过的与番茄驯化、改良相关的受选择区域中（figure1 C,D），表明这两个位点参与了番茄早期的驯化和进一步的品种改良。对这两个位点进行等位基因分析，发现绝大多数的现代番茄品种在这两个位点上都是纯合的参考基因型（RR），拥有这种基因型的果实比其他基因型的果实糖分含量大大降低（figure1 E）。结合番茄的现代改良育种，猜测果实大小与含糖量负相关，从而导致与含糖量相关的基因位点在进化中不被选择。 为了验证mGWAS的结果与上述猜测，利用197株F2代分离群体进行mQTL分析验证。这197株F2群体是由个头小、风味佳的Maglia Rosa Cherry line和个头大、现代培育品种FLA 8059杂交得到的。对F2群体进行GBS测序和风味相关物质浓度检测、并进行基因型和代谢型的关联分析（mQTL），得到与23个挥发性物质和4个其他物质显著相关的基因位点（LOD＞3）。四个与含糖量相关的显著关联位点分别位于2号、3号、5号和9号染色体上，其中9号染色体上的关联位点Lin5与mGWAS结果一致（figure1 B）。尽管11号染色体上的位点SSC11.1在F2群体关联分析结果中不显著，但F2群体在该位点上还是出现分离了。 对F2群体进行果实大小与含糖量的关联分析，发现呈现显著负相关关系（figure1 F）。Lin5 SNP导致了366位的天冬酰胺突变为天冬氨酸。为了验证Lin5是导致含糖量减少的causative gene，进行该基因不同等位基因型组合的转基因实验，发现过表达含有突变型等位基因编码的酶蛋白的果实糖类含量显著提高（figure1 G）。这些结果说明，现代番茄含糖量降低，是因为现代育种过于注重产量、外观，导致高糖分等位基因在番茄驯化与改良的过程中发生了丢失。
Figure1 A: GWAS结果；B：mQTL结果；C,D：选择压力分析结果；E：基因型与葡萄糖、果糖含量的关系；F：糖分含量与果实重量的相关性；G：过表达转基因系中的糖分含量 番茄果实中糖类的含量较高，在m mol级别。从上述结论中我们得知，如果为了增加番茄的风味而提高糖类的含量，必定会对果实大小产生不利的影响，影响番茄的产量。而与风味相关的挥发性物质含量则较低，大多在p mol、n mol级别，因此，提高这些挥发性物质的含量可以最大限度地减少对产量的影响，从而增加番茄的风味。 例如，脱辅基类胡萝卜素（apocarotenoid）这类挥发性物质可提高对甜度的。香叶基丙酮（geranylacetone）和MHO是两种脱辅基类胡萝卜素。在本研究中，鉴定出了1个MHO相关位点和4个香叶基丙酮相关位点。对不同等位基因型组合与脱辅基类胡萝卜素含量进行相关性分析，发现现代番茄在驯化过程中发生等位基因型组合丢失（figure2）。因此，对脱辅基类胡萝卜素高含量相关等位基因进行选择，提高番茄果实中脱辅基类胡萝卜素的含量，可以在不影响果实大小和产量的同时提高果实的甜度，从而增加番茄的风味。
本文利用mGWAS、mQTL的方法了决定番茄风味的遗传机制，并提出了培育产量高、风味佳番茄品种的遗传改良方法。文章思非常值得我们学习： 对于“风味”这种无法量化的表型，文章巧妙利用代谢物作为桥梁，通过对番茄风味调查结果与代谢物浓度的相关性分析，得到可“风味”的具体化学物质，然后将这些化学物质作为表型，与基因型数据进行关联分析，定位风味相关基因位点。我们经常说代谢物是联系基因型与表型的桥梁，这篇文章就生动地给了我们一个真实的例子。 对GWAS结果，用F2代分离群体QTL方法和另外一份群体GWAS分析（这里没有列出）进行了验证，论证严谨。 对于GWAS结果，利用转基因过表达的实验来验证候选基因的功能；并且提出了切实可行的番茄品种改良方法，即提高挥发性物质的含量，从而达到增加番茄风味而不损害产量的目的。这就形成了一个完整的实验研究，充分地说明并解决了科学问题。这也是这篇文章能够发science的原因。 推荐：
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