我國(guó)破解小麥遺傳轉(zhuǎn)化中基因型依賴性難題

近日，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所作物轉(zhuǎn)基因及基因編輯技術(shù)與應(yīng)用創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)鑒定了一個(gè)與小麥植株再生相關(guān)的基因TaWOX5，利用TaWOX5基因克服了小麥遺傳轉(zhuǎn)化中的基因型依賴性難題。

據(jù)葉興國(guó)研究員介紹，遺傳轉(zhuǎn)化效率低和基因型依賴性是制約小麥轉(zhuǎn)基因研究與基因編輯研究及應(yīng)用的主要障礙。近年來(lái)，雖然小麥遺傳轉(zhuǎn)化效率顯著提高，但僅適用于少數(shù)模式小麥基因型，還有許多小麥品種不適合進(jìn)行轉(zhuǎn)基因和基因編輯。而利用再生基因能夠促進(jìn)離體培養(yǎng)和轉(zhuǎn)化的小麥組織再生，提高轉(zhuǎn)化效率并拓展可轉(zhuǎn)化小麥品種的范圍，實(shí)現(xiàn)更多品種的轉(zhuǎn)化和遺傳改良。

該團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)13年研究，對(duì)多個(gè)可能與小麥再生植株相關(guān)的基因進(jìn)行了克隆和功能鑒定，最后發(fā)現(xiàn)TaWOX5具有顯著提高小麥再生效率和轉(zhuǎn)化效率的作用。研究發(fā)現(xiàn)，TaWOX5 基因不但顯著提高了Fielder 和科農(nóng)199 等模式小麥基因型的轉(zhuǎn)化效率，而且顯著提高了濟(jì)麥22、鄭麥7698、蘇麥3號(hào)和中國(guó)春等22 個(gè)小麥推廣品種或重要種質(zhì)資源的轉(zhuǎn)化效率，成功轉(zhuǎn)化了寧春4 號(hào)、矮抗58、西農(nóng)979 等頑拗型明星小麥品種，轉(zhuǎn)化效率提高了2～10 倍。驗(yàn)證進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，TaWOX5基因在波蘭小麥、栽培一粒小麥、黑麥、小黑麥、大麥和玉米等單子葉植物遺傳轉(zhuǎn)化中，均可使轉(zhuǎn)化效率顯著提高。另外發(fā)現(xiàn)，TaWOX5對(duì)小麥愈傷組織分化和再生植株根系生長(zhǎng)沒(méi)有副作用，其寬葉表型有利于轉(zhuǎn)基因植株識(shí)別以及無(wú)篩選標(biāo)記轉(zhuǎn)基因植株和基因編輯植株的快速鑒定。上述結(jié)果表明，TaWOX5 基因大幅度提高了小麥等植物的轉(zhuǎn)化效率，克服了基因型的限制，簡(jiǎn)化了鑒定工作，具有廣闊應(yīng)用前景。

基因型依賴性是長(zhǎng)期困擾植物遺傳轉(zhuǎn)化的瓶頸問(wèn)題，即便是煙草、擬南芥和水稻等模式植物的遺傳轉(zhuǎn)化，也存在強(qiáng)烈的基因型依賴性，限制了利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)對(duì)優(yōu)良品種的遺傳改良。隨著基因編輯技術(shù)的完善和廣泛應(yīng)用，克服基因型依賴性顯得更加重要。該項(xiàng)研究通過(guò)鑒定和利用小麥中的再生相關(guān)基因TaWOX5，顯著提高了大多數(shù)小麥品種的轉(zhuǎn)化效率，基本克服了基因型障礙。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，TaWOX5基因還提高了大麥和玉米的轉(zhuǎn)化效率，并依托該基因建立了栽培一粒小麥、黑麥和六倍體小黑麥的遺傳轉(zhuǎn)化體系。與已報(bào)道的再生基因相比，TaWOX5 不影響愈傷組織分化和再生植株根系發(fā)育，不需要從愈傷組織中排除。有理由預(yù)測(cè)，TaWOX5 基因在小麥等植物基于轉(zhuǎn)基因和基因編輯技術(shù)進(jìn)行的基因功能鑒定和新材料創(chuàng)制中具有廣泛應(yīng)用前景。

中國(guó)科學(xué)院林鴻宣院士點(diǎn)評(píng)到，遺傳轉(zhuǎn)化過(guò)程中的基因型限制性問(wèn)題普遍存在于各種作物，并已成為限制轉(zhuǎn)基因育種的最大瓶頸之一。小麥?zhǔn)橇扼w作物，遺傳轉(zhuǎn)化一直遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于其他主要農(nóng)作物。雖然日本煙草公司利用模式基因型建立了小麥高效遺傳轉(zhuǎn)化體系，但基因型限制問(wèn)題依然是小麥功能基因組研究、轉(zhuǎn)基因育種和基因編輯育種的障礙。葉興國(guó)實(shí)驗(yàn)室20 多年來(lái)致力于小麥遺傳轉(zhuǎn)化技術(shù)體系建立和再生基因挖掘，最近取得了新突破，他們發(fā)現(xiàn)TaWOX5基因能夠極大促進(jìn)小麥胚性愈傷組織發(fā)生和植株再生，利用TaWOX5基因?qū)σ邹D(zhuǎn)化品種Fielder等的轉(zhuǎn)化效率達(dá)75%～96%，難轉(zhuǎn)化品種濟(jì)麥22等的轉(zhuǎn)化效率達(dá)17%～82%，基本解決了小麥遺傳轉(zhuǎn)化中基因型限制問(wèn)題，為小麥轉(zhuǎn)基因育種和基因編輯育種提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。利用該基因還能顯著提高大麥、小黑麥、黑麥、栽培一粒小麥和玉米等單子葉植物的遺傳轉(zhuǎn)化效率，具有廣泛的應(yīng)用前景。