随着全球农业面临人口增长、气候变化以及资源和环境限制等挑战，传统育种方法已难以满足粮食安全需求和促进可持续发展。遗传转化作为功能基因组学研究和生物育种的核心底盘技术，其重要性日益凸显。然而，目前在玉米等农作物中存在遗传转化效率低、，基因型依赖性强、组织培养周期长等瓶颈问题。。发育调节因子（Developmental Regulators，DRs）是植物分生组织和体细胞胚形成过程中的重要调控基因，应用于遗传转化后,可有效改善植物分生组织诱导和再生能力,显著提高遗传转化效率。

2024年8月31日，北京科技大学生物农业研究院万向元团队在Current Plant Biology上在线发表了题为“Developmental regulators in promoting genetic transformation efficiency in maize and other plants”的研究论文。该研究通过对多物种中发育调节因子的多组学数据进行系统分析，挖掘到了多个能提高玉米及其他植物遗传转化效率的潜在发育调节因子，其中ZmWIND1应用于玉米遗传转化后，可显著提高玉米自交系的再生效率和转化效率，将为促进作物生物育种和基因编辑育种提供强有力的技术支撑。

首先对1,669篇与植物遗传转化相关的文献进行计量分析，系统地概述了关于DRs在主要作物中提高遗传转化效率的研究现状。结果表明，关于DRs在玉米等作物中的应用研究逐年增多，特别是在多组学数据分析和新型转化技术方面取得了显著进展。进一步通过对玉米、拟南芥和小麦等植物中的相关基因进行比较分析，识别出23个玉米中潜在的同源发育调节因子基因，其中12个基因在玉米不同发育阶段（如幼胚、胚性愈伤组织和体细胞胚）中呈现出高表达，暗示它们可能在提高遗传转化效率中起重要作用（图1）。

研究还整合了小麦、拟南芥和玉米的多组学数据，进一步鉴定出41个潜在的玉米DRs，包括已知的ZmBBM和其它新的转录因子。这些基因在玉米幼胚诱导后表现出特异性高表达（图2），表明它们可能是提高遗传转化效率的重要候选基因。

图1. 玉米体细胞胚胎发生过程中同源DRs的表达模式

图2. 基于多组学数据预测玉米中新的发育调节因子及其在不同组培阶段的基因表达热图

针对41个潜在玉米DRs，首先验证了ZmWIND1（属于ERF/AP2转录因子家族）在提高遗传转化效率中的作用。在两个玉米自交系（祥249和郑58）中过表达ZmWIND1， 可将祥249和郑58的愈伤组织诱导率分别提高到60.22%和47.85%，转化效率分别提高到37.5%和16.56%，均显著高于对照组，表明ZmWIND1的过表达能有效促进玉米遗传转化（图3）。

图3. ZmWIND1 (Zm00001d032295) 对两种玉米基因型遗传转化效率的影响

文章讨论部分还分析了已知的发育调节因子的功能分类及其在植物遗传转化中的应用策略。基于拟南芥的研究，DRs可分为四类：体细胞基因、瞬时多能性基因、芽特异性基因和芽发育基因。文章提出，通过组合或依次表达不同类别的DR基因，可以提高转化效率，有望进一步克服当前遗传转化技术的瓶颈，特别是在玉米等难以转化的作物中。未来的研究将着重探索新型DRs的功能和应用潜力，并利用新技术进一步揭示植物遗传转化的分子机制，推动作物生物育种的快速发展。

北京科技大学生物农业研究院博士生江易林、魏珣教授和博士生朱美睿为该论文的共同第一作者，万向元教授和安学丽教授为共同通讯作者。该研究得到了“十四五国家重点研发计划”、国家自然科学基金及中央高校基本科研业务费等项目资助。

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214662824000653?via%3Dihub