優秀！再生基因讓小麥基因工程改良沖破品種限制

“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，我們的這項工作為解決這一難題提供了方案。”中國農業科學院作物科學研究所（以下簡稱作科所）研究員葉興國對《中國科學報》說。

1月14日，《自然—植物》（Nature Plants）在線發表了作科所作物轉基因及基因編輯技術與應用創新團隊聯合日本煙草公司等單位完成的最新成果。他們找到一個與小麥植株再生相關的基因TaWOX5，利用該基因克服了小麥遺傳轉化中的基因型依賴性難題，提高了小麥的遺傳轉化效率，將實現更多品種的轉化和遺傳改良。

限制小麥遺傳改良的兩大難題

遺傳轉化效率指用一定數量的植物組織獲得轉基因植株數量的百分率。而基因型依賴性指植物組織培養、遺傳轉化的成功局限于少數品種（基因型）。

葉興國說，多數品種（基因型）不能用來做轉基因和基因編輯，而沒有基因型依賴性就意味著所有小麥品種都可以用來進行轉基因和基因編輯。

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。

葉興國解釋說，這是因為能夠用于轉化或基因編輯的少數小麥品種（基因型）的農藝性狀、品質、抗病性等一般都比較差，轉基因整合和基因編輯的產品不能直接在生產中應用或用于育種。而多數農藝性狀好的品種由于轉化效率非常低或不能轉化，難以得到轉基因植株和基因編輯植株及其產品。

“小麥等多倍體作物的基因遺傳轉化成功率限制了轉基因生物技術育種與產業化，而基因型依賴性是長期困擾植物遺傳轉化的瓶頸問題。”中國科學院院士種康說，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。

中國科學院院士林鴻宣指出，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，遺傳轉化效率一直落后于其他主要農作物。”

論文共同第一作者、共同通訊作者、作科所副研究員王軻告訴《中國科學報》，實際上，小麥、玉米、大麥和秈稻等谷類作物的轉化均不容易。因為這幾種作物的組織培養再生植株的效率不高，能夠用于轉化的組織器官主要是幼胚或成熟胚；容易再生和容易轉化的品種（基因型）比較少，即基因型依賴性比較強；這幾種單子葉植物不是農桿菌的天然宿主，目標基因難以從農桿菌的載體上進入植物細胞。

科學家一直在努力解決上述難題。

2015年，日本煙草公司（JT）報道了農桿菌介導轉化小麥的高效轉基因技術體系。論文共同通訊作者、與葉興國團隊合作的日本煙草公司Yuji Ishida博士介紹，這項被稱為PureWheat的技術適用于Fielder等再生能力非常強的小麥品種（基因型），轉化效率高達40~70%。其特點是通過專用培養基和物理處理小麥幼胚等技術改進，提高了農桿菌對小麥細胞的侵染，減弱了農桿菌侵染對小麥細胞的傷害。“但沒有提高小麥細胞或組織的再生能力，因此不適用于再生性能比較差的小麥品種。”

“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。”林鴻宣說，因此，還需要找到克服小麥遺傳轉化中基因型依賴性的方法。

尋找高效的再生基因

2009年以來，在2項國家自然科學基金項目的資助下，該團隊根據擬南芥和煙草等模式植物中報道的可能影響植株再生的基因，利用同源序列克隆法獲得了小麥可能的再生相關基因。

王軻介紹，他們將這些備選基因分別在小麥中進行過表達，驗證其是否具有促進植株再生和轉化效率的功能。最終發現，TaWOX5基因具有顯著提高再生效率和轉化效率的作用。

研究發現，過表達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，尤其是成功轉化了寧春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。

利用TaWOX5基因顯著提高了不同小麥基因型再生效果比較。農科院作科所供圖

“由于TaWOX5基因過表達能夠促進離體轉化的小麥組織容易再生成轉基因植株，以前容易轉化的小麥品種（模式基因型）轉化效率更高，以前轉化率較低的品種轉化率顯著提高，以前不能轉化的品種現在可以轉化，擴大了可以轉化的基因型（品種）的范圍，減少了基因型的依賴性。”王軻說。

鑒于TaWOX5基因在小麥轉化中的顯著作用，他們又對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的作用進行了驗證，結果發現，轉化效率均顯著提高。

利用TaWOX5基因獲得的轉基因植株其生長和表型正常。農科院作科所供圖

根據此前報道，其他再生基因，如WUS2和BBM等會嚴重影響愈傷組織分化和再生植株根系發育，導致轉基因植株畸形和不育等。“而TaWOX5基因沒有這些負面影響。”王軻說。

此外，過表達TaWOX5基因的轉基因植株表現為寬旗葉表型，可以根據該表型肉眼識別轉基因植株，以及在轉基因植株自交后代中初步鑒定無篩選標記的轉基因植株和基因編輯植株。

應用前景廣闊

“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。”葉興國說，利用該技術可以對幾乎所有小麥品種進行轉基因改良和基因編輯改良，沖破了品種（基因型）的約束，具有很好的實際應用價值。TaWOX5基因不但顯著提高了小麥的轉化效率，克服了基因型的限制，可以對任何感興趣的小麥品種進行轉基因改良和基因編輯改良。

TaWOX5基因顯著提高了大麥、玉米、小黑麥、黑麥等植物的轉化效率，葉興國認為，預計其也能提高秈稻、谷子、高粱等單子葉植物的轉化效率，克服基因型的依賴性。

中國科學院院士種康高度評價了此項工作。他說，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，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。

林鴻宣說，葉興國團隊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，他們利用TaWOX5基因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。

“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。”種康說。