科技日?qǐng)?bào)記者 馬愛平

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。1月13日，該相關(guān)研究結(jié)果在線發(fā)表于《自然-植物》（Nature Plants）上。

利用TaWOX5基因顯著提高了不同小麥基因型再生效果比較。中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所供圖

中國(guó)科學(xué)院院士種康指出，該項(xiàng)研究通過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。

中國(guó)科學(xué)院院士林鴻宣認(rèn)為，利用TaWOX5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。

制約小麥生物技術(shù)育種與產(chǎn)業(yè)化的主要障礙

據(jù)中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所研究員葉興國(guó)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。

“小麥等多倍體作物基因遺傳轉(zhuǎn)化成功率限制了轉(zhuǎn)基因生物技術(shù)育種與產(chǎn)業(yè)化。基因型依賴性是長(zhǎng)期困擾植物遺傳轉(zhuǎn)化的瓶頸問題，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。”種康表示。

林鴻宣認(rèn)為，遺傳轉(zhuǎn)化過程中的基因型限制性問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。

發(fā)現(xiàn)TaWOX5顯著提高小麥再生效率和轉(zhuǎn)化效率

葉興國(guó)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)，過表達(dá)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，尤其成功轉(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。

進(jìn)一步驗(yàn)證發(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。

克服基因型限制簡(jiǎn)化鑒定工作，具有廣闊前景

該研究結(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。

“葉興國(guó)團(tuán)隊(duì)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?！绷著櫺硎?。

種康認(rèn)為，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)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所副研究員王軻、已畢業(yè)博士生石磊和在站博士后梁小娜為論文共同第一作者，研究員葉興國(guó)、副研究員王軻和日本煙草公司博士Yuji Ishida為論文共同通訊作者。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、寧夏回族自治區(qū)重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新工程資助。

關(guān)鍵詞： 依賴性 重大突破 小麥