玉米是我國重要的糧食作物、飼料作物和經(jīng)濟作物。隨著轉(zhuǎn)基因產(chǎn)業(yè)化全球推廣，基因組編輯等現(xiàn)代分子技術(shù)快速發(fā)展，玉米進入了生物育種的新時代。遺傳轉(zhuǎn)化是玉米生物育種研發(fā)中關(guān)鍵環(huán)節(jié)，嚴重依賴于受體基因型，目前絕大部分商業(yè)化玉米骨干自交系的遺傳轉(zhuǎn)化仍然十分困難，是玉米生物育種的卡脖子技術(shù)。

      近年來國外先后報道了植物干細胞發(fā)育關(guān)鍵基因 Baby boom (Bbm)和Wuschel2 (Wus2) 在提高植物轉(zhuǎn)化效率方面的應(yīng)用，證實調(diào)節(jié) Bbm 和 Wus2的時空表達可以有效提高玉米等重要農(nóng)作物的遺傳轉(zhuǎn)化效率。

 

      近日，作物學報雜志在線發(fā)表了華中農(nóng)業(yè)大學、未米生物科技有限公司和吉林省農(nóng)業(yè)科學院合作開發(fā)的一種新型輔助轉(zhuǎn)化技術(shù)，該技術(shù)通過在輔助載體中加入綠色組織特異性表達致死元件，并調(diào)節(jié) Bbm 和 Wus2 基因的時空表達模式，最終成功提高了多個商業(yè)化玉米品種親本自交系的遺傳轉(zhuǎn)化效率，可以實現(xiàn)不依賴玉米基因型的高效遺傳轉(zhuǎn)化。通過鄭 58、京 724 等材料的轉(zhuǎn)化測試表明玉米優(yōu)良自交系的轉(zhuǎn)化效率可以達到 11.5%~16.4%。

 

 

 

 

      圖A 玉米材料鄭58的分化情況；圖B 玉米材料IL3 T0植株異常表型；

 

      圖C 混合轉(zhuǎn)化后優(yōu)質(zhì)轉(zhuǎn)化苗分離情況；圖D 優(yōu)質(zhì)轉(zhuǎn)化苗基因編輯情況

 

      研究人員首先測試引入 Bbm-Wus2 表達盒輔助轉(zhuǎn)化對玉米骨干自交系轉(zhuǎn)化效率的影響。研究發(fā)現(xiàn)：

 

      1）常規(guī)載體無法轉(zhuǎn)化的 5 個玉米骨干自交系利用輔助載體均獲得陽性轉(zhuǎn)化植株，轉(zhuǎn)化效率存在差異，平均可達 14.0%；

 

      2）部分玉米自交系轉(zhuǎn)化 Bbm-Wus2 表達盒中產(chǎn)生不利農(nóng)藝性狀，80% 的 T0 苗雄穗部位產(chǎn)生花絲而沒有花粉；

 

      3）把目標基因載體和 Bbm-Wus2 表達盒載體混合混轉(zhuǎn)，發(fā)現(xiàn)可以在 T0 代獲得不含有 Bbm-Wus2 表達盒，而目標基因陽性的植株，但優(yōu)質(zhì)轉(zhuǎn)化苗分離率（陽性苗中不含有 Bbm-Wus2 表達盒的比例）比較低（均值為22.2%），難以滿足產(chǎn)業(yè)化高通量的需求。

 

      為進一步解決這一問題，本研究在 Bbm 和 Wus2 的超表達輔助載體中加入綠色組織特異性表達啟動子驅(qū)動解淀粉芽孢桿菌 Barnase 基因表達的致死表達盒，并采用與基因編輯載體混合轉(zhuǎn)化技術(shù)策略進行測試。研究發(fā)現(xiàn)含有 Bbm-Wus2 表達盒的愈傷組織大部分不能分化成苗，科研人員在 T0 代即可快速分離獲得大量不含 Bbm-Wus2 元件，可以正常生長發(fā)育的的優(yōu)質(zhì)轉(zhuǎn)化苗，分離率達到 77.7-100%，平均 89.2%，優(yōu)質(zhì)轉(zhuǎn)化苗的轉(zhuǎn)化效率平均達 19.5%。

 

      本研究成功建立和完善了一套不依賴基因型的高效玉米遺傳轉(zhuǎn)化體系，為提高生物育種效率和精準改良提供了有力支持。該玉米遺傳轉(zhuǎn)化體系可以解決玉米受體基因型依賴的問題。本文第一作者，華中農(nóng)大在職博士生，未米生物科技（江蘇）有限公司的技術(shù)負責人許潔婷表示該公司已經(jīng)建立了高通量的玉米轉(zhuǎn)化平臺，可以實現(xiàn)每年 5 萬個玉米事件的轉(zhuǎn)化，并通過不依賴于基因型的玉米遺傳轉(zhuǎn)化技術(shù)，對大部分玉米骨干自交系實現(xiàn)遺傳轉(zhuǎn)化或基因編輯，可以滿足未來玉米生物育種的需要。