【Nat Plants】重大进展！禾本科植物实现叶片直接转化和基因编辑

编辑:中国基因网发布于:基因研究2023-02-123470

2023年2月9日，Nature Plants杂志在线发表了来自科迪华公司William Gordon-Kamm团队题为“Leaf transformation for efficient random integration and targeted genome modification in maize and sorghum”的研究论文，该研究在九种禾本科植物中开发了基于叶片供体材料的高效转化系统，即利用新启动子组合驱动Babyboom（Bbm）和Wuschel 2（Wus2）形态发生基因的增强表达，可有效增加转化和基因组编辑效率。

世界粮食安全依赖于少数主要作物，其中大部分（如水稻、玉米和小麦）属于禾本科禾本科。禾本科内大多数物种（例如籼稻、玉米、小麦、大麦、高粱）的农杆菌介导的转化具有挑战性，因为这些物种对转化的抵抗力、有限的组织培养再生和基因型依赖性。只有有限数量的外植体类型可以转化，大多数转化方法依赖于不常见的未成熟胚胎。作为供体外植体材料的未成熟胚胎的全年供应需要受控的环境或温室基础设施，这对许多学术机构来说非常昂贵。此外，对于一些草种，种子和未成熟的胚胎太小而无法有效分离，而其他作物（如甘蔗和香蕉）是无性繁殖的，因此基本上没有未成熟的胚胎可用。对未成熟胚胎的依赖一直是一个限制因素，促使研究人员探索替代的外植体类型进行转化。

近期研究表明使用形态发生基因可以改善转化或基因编辑。如两种形态调节因子 GRF4-GIF1的融合已被证明可以提高再生和转化效率，并克服小麦的基因型依赖性，以及小麦过表达TaWOX5也能促进了小麦，黑小麦，黑麦，大麦和玉米的再生和转化。此外，形态发生基因Bbm和Wus2 的使用促进了农杆菌介导玉米基于叶片组织的直接转化和具有随机转基因整合。并进一步证明Wus2/Bbm可以促进其他草种的直接叶基转化。然而其转化效率低，不足以支持Cas9介导的基因组编辑，替换和剪辑编辑等。

该研究研究测试了一系列不同的启动子，它们组合驱动Wus2和Bbm以及它们在T-DNA构建体中的空间顺序。当用Nos、 actin 或 ubiquitin 启动子控制Wus2表达时，玉米ubiquitin启动子上游带有用三种病毒增强子（FMV：：PCSV：：MMV）来驱动Bbm基因表达时，可以显着提高玉米和高粱的叶基转化效率。此外通过在Ancymidol上种植幼苗并在收获幼苗叶外植体之前提供热预处理，可进一步提高了转化频率。之外，该研究还在禾本科的另外九个物种中测试了该方法，这表明Bbm和Wus2可以促进其他草种的直接叶基转化。

最后，该研究还证明在玉米SS自交PH1V69中实现的叶基转化水平支持具有各种Cas9介导的基因组修饰（如基于NHEJ的突变，基因敲除和HDR促进的靶向基因插入），其频率接近未成熟胚胎获得的频率。因此，在未成熟胚胎中使用Wus2/Bbm的优势已在玉米中得到证实，以促进基于Cas9的各种编辑。此外，在基因组编辑实验中使用形态发生基因的另一个优点是刺激细胞分裂，提供有利于更有效的复杂形式的基因组编辑的细胞环境，包括基因敲除和HDR介导的插入。