科技日報2022-05-27 14:33:35
近日，《植物學報》英文版（JIPB）在線發表了北京市農林科學院生物技術研究所吳忠義研究員課題組題為《利用納米磁珠介導的花粉轉染法建立不依賴基因型的玉米高效轉化體系》的研究論文。
論文詳細介紹了基于納米磁珠介導的、不依賴基因型的高效玉米遺傳轉化全新方法。該方法借助納米磁珠將外源基因通過花粉萌發孔（指花粉外壁上的薄壁區域所形成的開口）導入玉米花粉，然后經過人工授粉和自然結實過程，將外源基因轉入多種玉米自交系中，成功解決了玉米遺傳轉化過程中“依賴組培體系，嚴重受基因型限制”的瓶頸問題。該方法的成功將為其他植物開發花粉轉化體系提供有力借鑒。北京市農林科學院博士后王作平和副研究員張中保為該論文的第一作者，研究員吳忠義和魏建華為通訊作者。該研究得到了北京市科技計劃項目、北京市農林科學院創新能力建設專項和北京市博士后基金的資助。
“此轉化體系將外源基因轉入玉米中，從而實現玉米的遺傳轉化。這是課題組借鑒了中國農業科學院發明的棉花納米磁珠轉化方法，并結合玉米花粉本身的特點而創立的新型高效的玉米遺傳轉化方法，是具有中國自主知識產權的一種新的遺傳轉化方法。”吳忠義在接受科技日報記者采訪時表示。
打破基因型限制
“目前全球玉米遺傳工程育種的主流方法是基于植物組織培養體系，通過農桿菌介導的方法進行育種；然后進行回交轉育，創制優良玉米品種。但是該方法還存在一些缺陷，即依賴植物組培體系、受基因型限制、可用于高效轉化的玉米材料少，并且轉化成本高，嚴重限制了玉米品種的精準改良，特別是育種的效率。”魏建華介紹。
因此急需一種不依賴組培體系、不受基因型限制的玉米新型高效DNA導入方法。雖然過去也有關于利用納米磁珠介導的花粉轉化方法的報道，但眾多實驗室利用的方法，成功率都不高。
“我們的新型玉米轉化方法則不同，其借助納米磁珠將外源基因導入玉米花粉，再通過人工授粉和自然結實過程，不需要經過‘植物組織培養’就可以將外源優異基因通過花粉轉入玉米中，操作簡便、省時省力、成本低，由于品種之間花粉沒有太大的區別，因此打破了基因型限制。”吳忠義說。
解決兩個關鍵問題
該方法借助了作物自然開花結實的過程進行遺傳轉化。大部分禾本科作物如玉米、水稻、小麥、高粱、谷子等，其花粉都有一個萌發孔，正常條件下萌發孔有一個孔蓋結構。“我們通過低溫條件維持玉米花粉活力，并通過轉化液預處理方法使玉米花粉萌發孔蓋打開，從而使外源基因通過納米磁珠的介導在磁場作用下高效地導入玉米花粉中。”吳忠義說，“其他植物可在本研究方法的基礎上，借鑒轉化方法中兩個共性條件——維持花粉活力和打開萌發孔，依據目標植物生長條件和花粉特性，探索維持花粉活力和花粉萌發孔打開的最佳條件，突破遺傳轉化的瓶頸，特別是針對不好建立組培體系的一些園藝植物，建立高效的生物育種體系。”經過多年不斷探索，課題組建立了納米磁珠介導的不依賴基因型的玉米遺傳轉化方法，并成功解決了該遺傳轉化方法的兩個關鍵問題。
“玉米花粉離體后，在室溫條件下特別容易萌發而失去活性，并在普通溶液中極易破裂，且玉米花粉萌發孔的孔蓋中細胞壁結構會阻擋外源基因的進入。我們通過低溫和配方適宜的溶液，減緩玉米花粉的萌發過程并阻止花粉破裂，最大限度地維持玉米花粉的活力，為授粉后玉米的結實率提供了保障；同時通過轉化液預處理的誘導使玉米花粉萌發孔打開，為外源基因高效進入花粉提供了保障。通過以上這兩方面優化，使該轉化方法實現穩定和高效。”吳忠義表示。
有望在不同植物中得到推廣
該研究還發現，溫室中種植的玉米材料，花粉的萌發孔很難被打開，使用該方法難以完成玉米的遺傳轉化。這又意味著什么？
吳忠義解釋，研究人員在田間種植材料中收集玉米花粉，發現有約1%的花粉萌發孔是自然打開的；而他們對冬季溫室中種植玉米材料的上萬粒花粉進行觀測，卻未能發現這種萌發孔自然打開的花粉，這樣的花粉即使用轉化液進行預處理，萌發孔也很難被誘導打開，因此外源基因難以有效導入。
“這意味著，田間材料和溫室材料花粉萌發孔打開的條件是不同的，目前使用溫室種植的玉米材料的花粉，很難利用納米磁珠介導的方法完成玉米的遺傳轉化。不過我們正在進行技術攻關，目標是找到合適的方法誘導這些花粉的萌發孔打開，如解決此問題，同樣可以高效地完成溫室種植玉米材料的遺傳轉化。”魏建華說。
魏建華表示，在不遠的將來，該方法有望在不同的植物中得到推廣，并形成一種各科研院所和育種單位均能普遍采用的低成本的輕簡化遺傳轉化方法。同時，該方法將極大提高品種精準定向改良的效率。
來源: 科技日報
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