bioRxiv | 张华伟/章旺根在西瓜遗传转化获得突破性进展
2021-11-23
葫芦科包含多种重要的食用植物。但大部分都很难进行基因改造。西瓜是葫芦科重要的作物之一，是园艺示范作物。其低转基因效率是功能基因组研究和基于基因组编辑的育种的主要瓶颈。
2021年11月6日，北京大学现代农业研究院张华伟实验室和章旺根实验室合作在预印本bioRxiv上未经同行评审发表了题为“Efficient transformation and genome editing of watermelon assisted by genes that encode developmental regulators”的研究论文，该研究借助编码发育调节因子 (DR) 的基因，尤其是 AtGRF5 和合适的农杆菌菌株 (GV3101)，将西瓜的转化效率显著提高至约 25%，与传统方法相比之下提高了 40 倍。
AtGRF5 介导的转化增加了可转化西瓜基因型的数量，而不会引起明显的副作用。此外，当将此策略应用于 CRISPR/Cas9 介导的基因组编辑时，在 T0 代产生了 clpds 敲除突变体。该研究结果表明，AtGRF5 是一种强大的工具，可以有效地在西瓜中创建转基因植物或敲除突变。使用 DR 的类似策略也能够克服许多其他葫芦科物种的转化障碍。
葫芦科（Cucurbitaceae）是一种具有非常高的经济价值和营养价值的植物家族，包含西瓜 (Citrullus lanatus) 、甜瓜 (Cucumis melo)、黄瓜 (Cucumis sativus)、葫芦 (Lagenaria siceraria)、冬瓜 ( Benincasa hispida）和南瓜（Cucurbita spp.）等重要瓜果作物。西瓜是葫芦科中最重要的园艺作物之一，作为世界范围内产量第三大水果，总产量高于苹果。我国世界上最大的西瓜生产国和消费国，2019年我国西瓜产量为6068.5万吨，占世界西瓜总产量的70%以上。 葫芦科是研究果实发育和品质的重要材料。目前为止，西瓜、甜瓜、黄瓜、南瓜、西葫芦和冬瓜的全基因组测序已经完成，已经鉴定出大量影响果实大小、性状、营养品质和驯化过程的调控基因。然而，目前葫芦科的基因功能研究还相对落后，一个重要的瓶颈在于其较低的遗传转化效率。以西瓜为例，许多品种的遗传转化的效率不足1%。解决西瓜遗传转化“卡脖子”难题，不仅可以加速西瓜功能基因组学研究，促进使用遗传转化的基因编辑育种在西瓜中的应用，也能为解决其它葫芦科作物的遗传转化难题提供参考。 该研究首先建议了简单快捷的西瓜遗传转化和鉴定体系，使用卡那霉素筛选和DsRed荧光标签鉴定，可以快速鉴定阳性转基因西瓜植株。进一步，该研究选择了其它作物中可以提高组培遗传转化效率的生长调节基因（Developmental regulator，DR），如BBM、WUS、GRF4-GIF1、GRF5、ipt等，将其加入遗传转化载体并进行测试。测试结果显示，多个DR可以提高西瓜遗传转化效率，其中共GRF5可以将西农八号母本WWl50的遗传转化效率提高约40倍，达到24.73%。共表达GRF4-GIF1载体的遗传转化效率为13.78%。此外，共表达BBM和WUS载体的遗传转化效率为22.1%，但形成的不定苗出现多种发育异常表型，而共表达GRF5未出现明显发育异常。因此，共表达GRF5是提高西瓜遗传转化效率的重要方法。 接下来，研究者比较了不同农杆菌株系和西瓜基因型背景对GRF5转化效率的影响。研究结果显示GV3101最适合GRF5介导的西瓜遗传转化。此外，在另一个西瓜品种，京欣的母本83166中，使用农杆菌GV3101和GRF5共表达载体的遗传转化效率达到了20.72%。进一步，研究者测试了GRF5共表达策略在西瓜基因编辑中的应用。加入GRF5的基因编辑载体成功在11棵西瓜转基因植株中获得了3棵PDS突变体，并且纯合pds突变体出现了对应的白化表型，说明GRF5共表达可以应用于西瓜基因编辑。综上所述，该研究开发出一套高效、普适性强而且应用广泛的西瓜遗传转化体系，该研究方法和结果不仅解决了西瓜遗传转化的“卡脖子”问题，也为解决其它作物遗传转化困难的瓶颈提供了参考。 北京大学现代农业研究院张华伟研究员和章旺根研究员为该论文的通讯作者，张华伟实验室潘文波和章旺根实验室陈振涛为该论文共同第一作者。 参考消息： https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2021.11.05.467370v1 本文来源于【iNature】