2022-05-27 10:24:44
近日，《植物學(xué)報(bào)》英文版（JIPB）在線發(fā)表了北京市農(nóng)林科學(xué)院生物技術(shù)研究所吳忠義研究員課題組題為《利用納米磁珠介導(dǎo)的花粉轉(zhuǎn)染法建立不依賴(lài)基因型的玉米高效轉(zhuǎn)化體系》的研究論文。
論文詳細(xì)介紹了基于納米磁珠介導(dǎo)的、不依賴(lài)基因型的高效玉米遺傳轉(zhuǎn)化全新方法。該方法借助納米磁珠將外源基因通過(guò)花粉萌發(fā)孔（指花粉外壁上的薄壁區(qū)域所形成的開(kāi)口）導(dǎo)入玉米花粉，然后經(jīng)過(guò)人工授粉和自然結(jié)實(shí)過(guò)程，將外源基因轉(zhuǎn)入多種玉米自交系中，成功解決了玉米遺傳轉(zhuǎn)化過(guò)程中“依賴(lài)組培體系，嚴(yán)重受基因型限制”的瓶頸問(wèn)題。該方法的成功將為其他植物開(kāi)發(fā)花粉轉(zhuǎn)化體系提供有力借鑒。北京市農(nóng)林科學(xué)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(jì)劃項(xiàng)目、北京市農(nóng)林科學(xué)院創(chuàng)新能力建設(shè)專(zhuān)項(xiàng)和北京市博士后基金的資助。
“此轉(zhuǎn)化體系將外源基因轉(zhuǎn)入玉米中，從而實(shí)現(xiàn)玉米的遺傳轉(zhuǎn)化。這是課題組借鑒了中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院發(fā)明的棉花納米磁珠轉(zhuǎn)化方法，并結(jié)合玉米花粉本身的特點(diǎn)而創(chuàng)立的新型高效的玉米遺傳轉(zhuǎn)化方法，是具有中國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的一種新的遺傳轉(zhuǎn)化方法。”吳忠義在接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)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(yǎng)體系，通過(guò)農(nóng)桿菌介導(dǎo)的方法進(jìn)行育種；然后進(jìn)行回交轉(zhuǎn)育，創(chuàng)制優(yōu)良玉米品種。但是該方法還存在一些缺陷，即依賴(lài)植物組培體系、受基因型限制、可用于高效轉(zhuǎn)化的玉米材料少，并且轉(zhuǎn)化成本高，嚴(yán)重限制了玉米品種的精準(zhǔn)改良，特別是育種的效率。”魏建華介紹。
因此急需一種不依賴(lài)組培體系、不受基因型限制的玉米新型高效DNA導(dǎo)入方法。雖然過(guò)去也有關(guān)于利用納米磁珠介導(dǎo)的花粉轉(zhuǎn)化方法的報(bào)道，但眾多實(shí)驗(yàn)室利用的方法，成功率都不高。
“我們的新型玉米轉(zhuǎn)化方法則不同，其借助納米磁珠將外源基因?qū)胗衩谆ǚ?，再通過(guò)人工授粉和自然結(jié)實(shí)過(guò)程，不需要經(jīng)過(guò)‘植物組織培養(yǎng)’就可以將外源優(yōu)異基因通過(guò)花粉轉(zhuǎn)入玉米中，操作簡(jiǎn)便、省時(shí)省力、成本低，由于品種之間花粉沒(méi)有太大的區(qū)別，因此打破了基因型限制。”吳忠義說(shuō)。
解決兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題
該方法借助了作物自然開(kāi)花結(jié)實(shí)的過(guò)程進(jìn)行遺傳轉(zhuǎn)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(gè)萌發(fā)孔，正常條件下萌發(fā)孔有一個(gè)孔蓋結(jié)構(gòu)。“我們通過(guò)低溫條件維持玉米花粉活力，并通過(guò)轉(zhuǎn)化液預(yù)處理方法使玉米花粉萌發(fā)孔蓋打開(kāi)，從而使外源基因通過(guò)納米磁珠的介導(dǎo)在磁場(chǎng)作用下高效地導(dǎo)入玉米花粉中。”吳忠義說(shuō)，“其他植物可在本研究方法的基礎(chǔ)上，借鑒轉(zhuǎn)化方法中兩個(gè)共性條件——維持花粉活力和打開(kāi)萌發(fā)孔，依據(jù)目標(biāo)植物生長(zhǎng)條件和花粉特性，探索維持花粉活力和花粉萌發(fā)孔打開(kāi)的最佳條件，突破遺傳轉(zhuǎn)化的瓶頸，特別是針對(duì)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(jīng)過(guò)多年不斷探索，課題組建立了納米磁珠介導(dǎo)的不依賴(lài)基因型的玉米遺傳轉(zhuǎn)化方法，并成功解決了該遺傳轉(zhuǎn)化方法的兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。
“玉米花粉離體后，在室溫條件下特別容易萌發(fā)而失去活性，并在普通溶液中極易破裂，且玉米花粉萌發(fā)孔的孔蓋中細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)會(huì)阻擋外源基因的進(jìn)入。我們通過(guò)低溫和配方適宜的溶液，減緩玉米花粉的萌發(fā)過(guò)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(jié)實(shí)率提供了保障；同時(shí)通過(guò)轉(zhuǎn)化液預(yù)處理的誘導(dǎo)使玉米花粉萌發(fā)孔打開(kāi)，為外源基因高效進(jìn)入花粉提供了保障。通過(guò)以上這兩方面優(yōu)化，使該轉(zhuǎn)化方法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)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(fā)現(xiàn)，溫室中種植的玉米材料，花粉的萌發(fā)孔很難被打開(kāi)，使用該方法難以完成玉米的遺傳轉(zhuǎn)化。這又意味著什么？
吳忠義解釋?zhuān)芯咳藛T在田間種植材料中收集玉米花粉，發(fā)現(xiàn)有約1%的花粉萌發(fā)孔是自然打開(kāi)的；而他們對(duì)冬季溫室中種植玉米材料的上萬(wàn)粒花粉進(jìn)行觀測(cè)，卻未能發(fā)現(xiàn)這種萌發(fā)孔自然打開(kāi)的花粉，這樣的花粉即使用轉(zhuǎn)化液進(jìn)行預(yù)處理，萌發(fā)孔也很難被誘導(dǎo)打開(kāi)，因此外源基因難以有效導(dǎo)入。
“這意味著，田間材料和溫室材料花粉萌發(fā)孔打開(kāi)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(dǎo)的方法完成玉米的遺傳轉(zhuǎn)化。不過(guò)我們正在進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，目標(biāo)是找到合適的方法誘導(dǎo)這些花粉的萌發(fā)孔打開(kāi)，如解決此問(wèn)題，同樣可以高效地完成溫室種植玉米材料的遺傳轉(zhuǎn)化。”魏建華說(shuō)。
魏建華表示，在不遠(yuǎn)的將來(lái)，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(jiǎn)化遺傳轉(zhuǎn)化方法。同時(shí)，該方法將極大提高品種精準(zhǔn)定向改良的效率。
來(lái)源: 科技日?qǐng)?bào)
編輯：牛姣
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