茄属植物中2,800种植物中的每一种都产生的花数量存在惊人的多样性，其中包括经济上重要的作物，如西红柿，辣椒和马铃薯。一些茄子，如胡椒，会产生一朵花，而其他的，如西红柿，会产生带有多朵花的枝条。为什么这些密切相关的物种之间的巨大差异?虽然个别花卉的开发已被很好地理解，但尚不清楚什么机制可以控制植物将产生多少枝条以及每个枝条将生长多少花朵。

副教授Zachary Lippman和冷泉港实验室(CSHL)的科学家团队使用RNA测序来鉴定数百个基因的网络，这些基因共同作用，以确定植物中干细胞生长的关键窗口的持续时间。上升到鲜花。这个窗口保持打开的时间越长，干细胞的发育越多，可以生长的花和枝越多。

该团队还证明，从番茄植物中消除这个网络中三种特定基因的活性 - 这些基因的活化通常会导致几种花的产生 - 导致植物只产生一到两朵花。

“进化利用了植物生长计划的灵活性，以便在花卉生产中创造出显着的多样性，”Lippman说。

花卉生产在所有作物中都非常重要，是水果和种子生产的基础。然而，即使是密切相关的物种之间也存在显着差异，无论是产花分枝结构(称为花序)的数量，还是从每个花序发芽的花的数量。

花来自位于枝条尖端的干细胞，称为分生组织的圆顶状结构。到目前为止，决定植物开花模式的分生组织的分子变化仍然是一个谜，主要是因为显示出戏剧性花序变异的物种，如夜晚，彼此不相互交叉相容。这意味着传统的杂交育种实验不能用于确定负责任的基因。

为了克服这个障碍，Lippman和他的同事，包括CSHL兼职副教授Michael Schatz，在比较基因组学方法中使用RNA测序来研究在五个夜间物种的分生组织成熟的关键窗口中数千个基因的活动如何变化。

该团队在这五个物种中筛选了近20,000个基因。其中，大约300个基因的网络在成熟过程中打开并关闭。然后，研究人员在关键窗口内的不同时间段内跟踪这些基因的活动。

正如他们今天在“ 基因组研究 ”杂志上报道的那样，在每个花序上产生单花的简单花序的植物中，300个基因的一部分在关键窗口的早期阶段开启。在具有更复杂花序的植物中，同一组基因稍后开启，延伸窗口并允许更多时间形成额外的干细胞群。这些种群反过来会产生更多的枝条和更多的花朵。在像番茄这样产生多花序花序的食物植物中，这导致更高的产量。

“有一个连续的花序复杂性，起源于密切相关的夜间成熟时期的细微变化，”Lippman说。

虽然他的团队研究了茄属植物，但Lippman认为这一发现将成为解释不同植物家族多样性的核心原则，包括玉米，水稻和小麦等草。由于这些禾本科植物占世界上许多主要的主食，这一发现可能具有特别强大的意义。

研究人员想知道这个过程涉及哪些特定基因。团队基因表达分析的性质使得无法确定一个基因或一组基因。然而，他们注意到网络中的数百个基因中有三个基因家族，称为BLADE-ON-PETIOLE(BOP)，该团队发现该基因与先前研究的成熟基因TMF一起工作，确保番茄植株在每个花序上产生多朵花。人们早就知道这些BOP基因在植物发育中起作用，但很少有人知道这些基因在花卉生产中的重要性。

正如他们在9月份的Genes and Development中所报告的那样，Lippman的团队使用了一种强大而精确的基因编辑技术CRISPR，在番茄植株的每个BOP基因中产生突变。值得注意的是，当所有三个基因都发生突变时，番茄植株的花序只产生一两朵花。

BOP基因编码称为转录辅因子的蛋白质，其控制其他基因的表达。利普曼说，这些因素可能会在正常生长过程中转向特定基因，从而延迟分生组织的成熟，从根本上延伸植物可以产生花朵的关键窗口。

Lippman认为有可能修改300个基因的网络，包括BOP基因，以操纵分生组织成熟过程，从而控制许多类型植物的开花模式。

“你可以调整成熟过程，可以说，就像用于音量控制的收音机上的拨号盘一样，”Lippman说。

但他警告说，但是，尽可能地将表盘旋转以产生尽可能多的花朵可能会适得其反。一种突然将其资源转移到创造鲜花的植物将几乎没有能量来制造叶子，果实和种子，这是发育和繁殖所必需的。

“我们已经证明的一个很好的例子是，我们可以在番茄植物中突变一个基因，并获得具有数百朵花的非常分枝的花序，”Lippman说。“然而，它们的产量很低，因为那些花不会结果。”

“如果进化已经证明可以在野生植物中找到金锭点，”Lippman补充说，“那么这意味着我们也应该能够在作物中获得同样的甜蜜点，我们相信基因编辑是实现前进的方法。这个重要的目标。“