特拉維夫大學的一項新發現成功地培育和鑒定了具有更高水分利用效率而不影響產量的番茄品種。研究人員利用CRISPR 基因編輯技術，能夠種植出消耗更少水的西紅柿，同時保持產量、質量和口味。

該研究是在 Shaul Yalovsky 教授和 Nir ??Sade 博士的實驗室中進行的，由特拉維夫大學 Wise 生命科學學院植物科學與食品安全學院的研究團隊領導。該團隊包括Yalovsky教授指導的前博士后Mallikarjuna Rao Puli博士，以及Yalovsky教授和Sade博士共同指導的博士生Purity Muchoki。特拉維夫大學植物科學與食品安全學院的其他學生和博士后研究員以及本古里安大學和俄勒岡大學的研究人員也為這項研究做出了貢獻。該研究結果發表在學術期刊《PNAS》上。

研究人員解釋說，鑒于全球變暖和淡水資源減少，人們對消耗更少水而不影響產量的農作物的需求不斷增長。當然，與此同時，由于農作物依賴水來生長和發育，因此識別合適的植物品種尤其具有挑戰性。

在一個稱為蒸騰作用的過程中，植物從葉子中蒸發水分。同時，二氧化碳進入葉子，并通過光合作用吸收成糖，光合作用也在葉子中進行。這兩個過程——蒸騰作用和二氧化碳吸收——通過葉子表面稱為氣孔的特殊開口同時發生。氣孔可以打開和關閉，作為植物調節水分狀況的機制。

研究人員強調，在干旱條件下，植物通過關閉氣孔來做出反應，從而減少蒸騰造成的水分損失。問題在于，由于水的蒸騰作用和二氧化碳的吸收之間存在著不可分割的耦合，氣孔的關閉導致植物吸收二氧化碳的減少。二氧化碳吸收的減少導致光合作用產生的糖減少。由于植物依賴光合作用中產生的糖作為重要的能源，因此該過程的減少會對植物生長產生不利影響。

在農作物中，光合糖產量的下降表現為收獲數量和質量的下降。以西紅柿為例，對作物的損害表現為果實數量、重量以及每個果實中糖含量的減少。含糖量較低的水果味道較差，營養也較差。

在本研究中，研究人員利用 CRISPR 方法進行基因編輯，針對名為ROP9的基因，對番茄進行了改造。ROP 蛋白起到開關的作用，在活性或非活性狀態之間切換。

Yalovsky 教授：“我們發現通過 CRISPR 技術消除 ROP9 會導致氣孔部分關閉。這種效應在中午尤其明顯，此時植物在蒸騰過程中的水分流失率最高。相反，在蒸騰速率較低的上午和下午，對照植物和ROP9修飾植物之間的失水速率沒有顯著差異。由于氣孔在早上和下午保持開放，因此植物能夠吸收足夠的二氧化碳，即使在下午，當 ROP9 修飾植物的氣孔更加關閉時，也可以防止光合作用產生的糖含量下降。”

為了評估 ROP9 受損對作物的影響，研究人員進行了廣泛的田間實驗，涉及數百種植物。結果顯示，雖然ROP9修飾的植物在蒸騰過程中損失的水分較少，但對光合作用、作物數量或質量(果實中的糖分含量)沒有不利影響。此外，該研究還發現了一種新的、意想不到的調節氣孔打開和關閉的機制，該機制與氣孔中氧化物質(稱為活性氧)的水平有關。這一發現對基礎科學知識也具有重要意義。

Sade 博士：“西紅柿中的 ROP9 與辣椒、茄子和小麥等其他農作物中發現的 ROP 蛋白非常相似。因此，我們文章中詳述的發現可以為開發具有更高用水效率的其他作物植物以及更深入地了解氣孔打開和關閉背后的機制奠定基礎。”