我國破解小麥遺傳轉化中基因型依賴性難題

近日，中國農業科學院作物科學研究所作物轉基因及基因編輯技術與應用創新團隊鑒定了一個與小麥植株再生相關的基因TaWOX5，利用TaWOX5基因克服了小麥遺傳轉化中的基因型依賴性難題。

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

該團隊歷經13年研究，對多個可能與小麥再生植株相關的基因進行了克隆和功能鑒定，最后發現TaWOX5具有顯著提高小麥再生效率和轉化效率的作用。研究發現，TaWOX5 基因不但顯著提高了Fielder 和科農199 等模式小麥基因型的轉化效率，而且顯著提高了濟麥22、鄭麥7698、蘇麥3號和中國春等22 個小麥推廣品種或重要種質資源的轉化效率，成功轉化了寧春4 號、矮抗58、西農979 等頑拗型明星小麥品種，轉化效率提高了2～10 倍。驗證進一步發現，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化中，均可使轉化效率顯著提高。另外發現，TaWOX5對小麥愈傷組織分化和再生植株根系生長沒有副作用，其寬葉表型有利于轉基因植株識別以及無篩選標記轉基因植株和基因編輯植株的快速鑒定。上述結果表明，TaWOX5 基因大幅度提高了小麥等植物的轉化效率，克服了基因型的限制，簡化了鑒定工作，具有廣闊應用前景。

基因型依賴性是長期困擾植物遺傳轉化的瓶頸問題，即便是煙草、擬南芥和水稻等模式植物的遺傳轉化，也存在強烈的基因型依賴性，限制了利用轉基因技術對優良品種的遺傳改良。隨著基因編輯技術的完善和廣泛應用，克服基因型依賴性顯得更加重要。該項研究通過鑒定和利用小麥中的再生相關基因TaWOX5，顯著提高了大多數小麥品種的轉化效率，基本克服了基因型障礙。同時發現，TaWOX5基因還提高了大麥和玉米的轉化效率，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化體系。與已報道的再生基因相比，TaWOX5 不影響愈傷組織分化和再生植株根系發育，不需要從愈傷組織中排除。有理由預測，TaWOX5 基因在小麥等植物基于轉基因和基因編輯技術進行的基因功能鑒定和新材料創制中具有廣泛應用前景。

中國科學院林鴻宣院士點評到，遺傳轉化過程中的基因型限制性問題普遍存在于各種作物，并已成為限制轉基因育種的最大瓶頸之一。小麥是六倍體作物，遺傳轉化一直遠遠落后于其他主要農作物。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化體系，但基因型限制問題依然是小麥功能基因組研究、轉基因育種和基因編輯育種的障礙。葉興國實驗室20 多年來致力于小麥遺傳轉化技術體系建立和再生基因挖掘，最近取得了新突破，他們發現TaWOX5基因能夠極大促進小麥胚性愈傷組織發生和植株再生，利用TaWOX5基因對易轉化品種Fielder等的轉化效率達75%～96%，難轉化品種濟麥22等的轉化效率達17%～82%，基本解決了小麥遺傳轉化中基因型限制問題，為小麥轉基因育種和基因編輯育種提供了強有力的技術支撐。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化效率，具有廣泛的應用前景。