Plant Cell Reports |不依赖基因型的植物遗传转化方法
植物转化是将外源DNA通过农杆菌介导、基因枪(又称粒子轰击)、花粉管转化、电转化等方式传递到具有再生能力细胞中的一种方法。在植物研究中，促进功能基因组研究、加速作物性状改良所用到的植物基因工程技术和基因编辑技术，都依赖于植物转化。然而，植物遗传转化和再生高度依赖于物种和基因型，这是基因工程和基因组编辑技术发展和应用的主要限制因素。
2023年6月14日，北京科技大学、北京中智生物农业国际研究院万向元教授团队在国际期刊 Plant Cell Reports在线发表题为“Promoting genotype‑independent plant transformation by manipulating developmental regulatory genes and/or using nanoparticles”的论文，对发育调控基因和纳米颗粒在植物遗传转化中的分子基础和应用进行综述，为克服植物转化中的基因型依赖提供新的策略。
作者首先通过对近二十年来发表的2414篇植物转化方法相关文献进行文献计量学分析，对植物转化方法的研究历史和现状进行了概述，并总结了植物遗传转化过程中的里程碑事件（图1A）。对不同遗传转化方法涉及的文献分析表明农杆菌介导法应用最多，其次是基因枪法 (图1B)。
图1. 植物转化的里程碑事件和相关出版物
单个体细胞再生为完整植株必须经历体细胞胚胎发生、根和芽器官发生，这些过程需要适当的体外条件和复杂的体内信号和转录调控网络，这些信号和转录调控网络涉及机械损伤、激素、发育调节基因和表观遗传修饰等因子。作者分别对体细胞胚胎发生、根和芽器官发生过程的调控网络进行了总结。
在许多植物物种中，当外植体在含有生长素的培养基上培养，然后转移到不含生长素的培养基上时，会诱导体细胞胚胎发生，体细胞胚胎发生的分子调控机制如图2所示。
图2. 体细胞胚胎发生的示意图及分子调控网络
拟南芥外植体在愈伤组织诱导培养基和根诱导培养基上培养，能显著促进中柱鞘细胞的根再生。WOX11与其同源基因WOX12一起响应损伤诱导的生长素信号，上调LBD16 和LBD29，导致叶片原形成层或薄壁细胞向根系建立细胞的命运转变（图3）。
图3. 新生根器官发生的示意图及分子调控网络
在愈伤组织诱导培养基和富含细胞分裂素的芽诱导培养基上培养拟南芥外植体可强烈促进中柱鞘细胞的芽再生。WIND1 及WIND2 、WIND3 和WIND4 可以被损伤迅速诱导，这些基因促进拟南芥细胞去分化和随后的愈伤组织形成。WIND1上调ESR1/ DRN ，促进拟南芥芽再生。此外，PLT3 、PLT5 和PLT7 也在损伤后被诱导，然后激活PLT1 和PLT2 的表达。CUC2 也被PLT3 、PLT5 和PLT7 激活。ESR2通过直接调节CUC1 转录来促进芽再生（图4）。
图4. 新生芽器官发生的示意图及分子调控网络
许多发育调控基因已被应用于不依赖基因型遗传转化。然而，发育调控基因如ZmWUS2 和ZmBBM 的组成型表达经常导致植物发育异常，从而产生负效应。因此，利用诱导性启动子和辅助遗传转后对其表达盒进行切除是利用这两个基因进行高效植物遗传转化的可选策略。值得关注的是过表达GRF和/或GIF可以提高多种作物的转化效率，且不会导致转基因植物表型异常，显示出非常大的应用前景。
农杆菌介导法是植物遗传转化最常用的方法。然而，这种方法通常需要从组织培养中再生，并且只感染一些植物物种。此外，很难利用农杆菌进行叶绿体或线粒体转化。纳米颗粒由于无需外力即可穿过植物细胞同时具有广泛的宿主适用性，因此利用纳米颗粒进行外源生物分子递送成为目前最有应用前景的方法。
虽然纳米颗粒在过去的十年中已被广泛用于递送基因和蛋白质到植物细胞中。然而，它们大多是外源基因的瞬时转化。为了充分利用纳米颗粒进行植物基因工程，转基因必须稳定地遗传到下一代。目前，花粉纳米磁珠已经成功地在棉花、玉米等植物中实现了稳定的遗传转化。由于花粉纳米磁珠转化与基因型无关，无需组织培养，易于操作，因此在常规方法难以转化，以及高度基因型依赖的作物遗传转化上具有很大的应用潜力。
北京科技大学生物农业研究院博士生颜廷玮和青年教师侯全璨为论文共同第一作者，万向元教授为该论文通讯作者。本研究受到国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市科技新星等项目资助。