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The Innovation｜无需组织培养的植物遗传改良工具递送技术

花匠小妙招
2024-12-03 20:08

导

读

现代生物技术育种的关键技术是植物遗传修饰工具的递送系统。但在数十万种高等植物中，仅有远远不到0.1%的物种能够用现有的基因递送技术进行遗传转化和遗传修饰，因此基因递送技术是绝大多数对人类至关重要的可食用植物、林木植物或药用植物难以被深入研究和进行遗传改良的瓶颈技术。南方科技大学朱健康团队开发了一种植物遗传修饰方法：CDB递送系统，克服了传统技术由于植物组织培养过程带来的困难。在草本植物（橡胶草、小冠花）、块根植物（甘薯）、以及木本植物（椿树、楤木、臭茉莉）中实现了转基因或基因编辑工具的递送，显示了CDB递送系统在很多植物物种中的应用潜力，为植物的遗传改良提供了关键技术。

图1 CDB递送系统

利用生物技术改良植物的重要农艺性状，如增加产量或提升品质等，都需要有效的遗传修饰工具递送系统。植物学家已发现很多控制农艺性状的关键基因，并且开发了遗传修饰的重要工具，如基因编辑工具。然而，需要将这些关键基因或基因编辑工具通过有效的基因递送系统送入植物特定的细胞中发挥功能，才能产生可以遗传的定向改良。遗传修饰工具的递送系统是生物育种中的关键技术，也是一项瓶颈技术。传统的方法如利用农杆菌或基因枪将目的基因和/或遗传修饰工具递送进入植物细胞后，需要经过复杂的组织培养过程产生遗传改良植株，但这个过程周期长，操作繁琐，且大多数植物难以通过这一方法实现遗传改良。近几年，虽然通过利用BBM、WUS、WOX5或GIF-GRF等植物再生基因或者利用病毒载体递送系统在一定程度上能够辅助遗传修饰工具的递送，但这些方法仍然有很大不足，难以广泛应用在大多数植物上。

南方科技大学朱健康团队发明的植物遗传修饰工具递送技术，开创性地提出了Cut-dip-budding（CDB）递送策略，无需组织培养过程就能够在多个物种中实现转基因或基因编辑工具的递送。

图2 橡胶草和甘薯的遗传转化和PDS纯合白化编辑植株

首先在有重要经济价值的产胶植物橡胶草和粮食作物甘薯中证明了CDB递送方法的可行性。CDB递送方法操作极其简单，完全不需要组织培养过程，不需要无菌条件，通过简单的植物切断（Cut）-沾菌（Dip）-长根后生芽（Budding）操作，用携带遗传修饰工具的发根农杆菌侵染切断的橡胶草和甘薯苗，利用其产生的遗传修饰根容易长出遗传修饰芽的特性，获得了稳定的遗传修饰植株（图2）。通过CDB递送系统，成功地对11个甘薯品种（包括紫薯）实现了遗传修饰（图3），说明CDB递送方法与现有的递送方法不同，没有基因型依赖性。同时，该技术能够将基因编辑工具递送到植物里并长出基因编辑修饰的植株。利用该系统成功获得了淀粉合成酶GBSSI，SBEI，以及SBEII的基因编辑改良甘薯。

图3 多个甘薯品种被遗传转化，表达绿色荧光蛋白

木本植物和草本植物，包括许多具有重要药用价值的植物，基因递送的技术瓶颈限制了对它们的研究和应用。该团队利用CDB递送系统，成功地对三种木本植物椿树、楤木、臭茉莉和一种豆科牧草植物小冠花实现了稳定的遗传修饰（图4）。

图4 CDB递送系统在木本植物（椿树、楤木、臭茉莉）、豆科牧草植物（小冠花）中的应用

图5 部分列举具有根蘖性的植物物种

总结与展望

该研究利用CDB方法在多个物种中实现了稳定的遗传修饰。CDB递送系统是基于植物根蘖性的特点，实现遗传修饰工具的递送与修饰植株的产生。在自然界中，许多植物具有根蘖性（能够从根上自然地生芽，长出茎叶）（图5）。因此，利用该系统能够极大地扩展可进行遗传修饰的植物种类，例如可以进行根蘖萌芽的果树类植物：苹果、梨、黑莓等，宿根类花卉：牡丹等。此外，随着对植物根蘖性机制研究的深入，未来有望通过CDB递送系统对大量的植物物种进行简便的遗传转化操作，实现遗传改良。

责任编辑

周琦浙江大学

杨莹中国科学院北京基因组研究所