在野外自然条件下，转基因植物的花粉通过花粉介导的基因漂移（pollen-mediated gene flow; PMGF）会有机会渗入野生型植物和近缘野生物种中。这种转基因植物的基因漂移对生态环境和转基因植物的可持续应用存在着不利影响。因此，有效的生物限控措施是防止PMGF发生的重要防控手段。
2023年2月，Horticulture Research在线发表了美国北卡州立大学刘武生研究组题为Engineered Cleistogamy in Camelina sativa for Bioconfinement 的研究论文。该研究通过在亚麻荠中过表达来自于桃子的茉莉酸（JA）抑制基因PpJAZ1，诱导亚麻荠闭花受精，在野外显著抑制PMGF的发生，该基因的有效利用并不影响转基因植物花粉在授粉当日的萌发。这为利用PpJAZ1诱导亚麻荠及其他双子叶植物的闭花受精和限制花粉介导的基因漂移提供了研究基础。
亚麻荠为典型的自花授粉植物，但在自然条件下也发生一定概率的异花授粉。该研究首先在亚麻荠中过表达来自桃树的PpJAZ1基因，获得了17个纯合PpJAZ1过表达株系。PpJAZ1基因是我们的合作者也是该文章的共同作者Dr. Sherif 和 Dr. Subramanian在桃树上克隆得到的并发现PpJAZ1在烟草中的过表达会导致温室条件下的闭花受精。我们发现PpJAZ1过表达亚麻荠株系和野生型亚麻荠仅在开花阶段在花瓣闭合程度上存在表型差异，PpJAZ1过表达株系的花瓣表现为半开放、直花瓣和闭合花瓣3种不同开放程度，即3个不同程度的闭花受精（图2）。进一步进行qPCR分析，结果显示PpJAZ1过表达株系叶片中PpJAZ1的表达量上调了高达20倍 。在温室条件下，对不同闭花受精水平各随机选取了3个PpJAZ1过表达株系（共9个）进行种子产量分析，发现与野生型相比，PpJAZ1过表达株系的主茎上发生一定程度的果实败育（图4A），且与闭花受精水平显著相关。一些PpJAZ1过表达株系的每株角果数和每株种子数减少了20%-50%（图4B；4C）。其中，闭合花瓣的株系#21的每株角果数和每株种子数与非转基因植物相比没有显著差异（图4B；4C）。
图2 PpJAZ1过表达亚麻荠株系中属于3个不同闭花受精水平株系的代表
图4 过表达PpJAZ1对亚麻荠主要分支上角果发育的影响
我们发现亚麻荠花的生长发育过程分为花蕾（第0天）、开花（第1天）、花后（第2天）和果实形成（第3天）4个阶段。为了研究PpJAZ1过表达对亚麻荠花粉活力的影响，将上述9个PpJAZ1过表达株系和野生型植物的花粉置于花粉萌发培养基上培养24小时，显微镜下观察发现开花第2天和第3天分别有5个和7个PpJAZ1过表达株系的花粉的萌发率显著低于野生型 (图5)，这其中包括PpJAZ1过表达株系#21。花粉萌发率表明PpJAZ1过表达显著影响了转基因亚麻株系开花后第2天和第3天花粉的活力， 但不显著影响开花当日的花粉活力（图5）。值得说明的是，PpJAZ1过表达株系#21的每株荚数和每株种子数与非转基因植物也存在出显著差异（图4B；4C），因此选择#21进行田间试验研究。
图5 在亚麻中过表达PpJAZ1基因对开花后1-3天的花粉萌发率的影响
为了研究PpJAZ1过表达对PMGF的影响，将PpJAZ1或GUSPlus过表达株系作为花粉供体种植在田间中心位置，将野生型亚麻荠作为花粉受体种植在供体的东、南、西、北的4个方向上的不同距离（0.5, 1, 2, 5, 10, 15 和25米远）（图6）。转基因植株的花粉授粉到野生型植株的柱头上产生的幼苗具有潮霉素（PpJAZ1）或庆大霉素（GUSPlus）抗性，可在含有潮霉素或庆大霉素的MS固体培养基上筛选。并利用PCR扩增验证抗生素抗性幼苗中的转基因成分。统计田间各种植距离中具有抗生素抗性且为PCR阳性幼苗的数量，除以各种植行的幼苗总数，得到杂交比率，用于转基因植物与非转基因植物之间的PMGF比较。结果PpJAZ1过表达株系的杂交比率显著低于GUSPlus对照株系（图6）。因此，在田间条件下，PpJAZ1的过表达显著限制了PMGF。
图6 田间条件下最佳转基因亚麻荠株系闭花受精对PMGF的影响
该研究首次探究了过表达PpJAZ1基因对除烟草以外的其它双子叶植物物种的影响，并发现过表达PpJAZ1诱导闭花受精是限制PMGF和在田间持续种植转基因亚麻荠进行种子生产的一种非常有效的生物学限控策略。
北卡州立大学园艺系博士后黄德宝为该论文第一作者，北卡罗莱纳州立大学刘武生助理教授为该论文通讯作者。该研究得到了美国农业部生物技术安全风险评估（BRAG）项目、国家食品和农业研究所（NIFA）的孵化项目等的资助。
作者团队介绍
北卡罗莱纳州立大学园艺系刘武生助理教授团队主要研究方向为转化基因组学和植物基因工程，主要包括以下几个方面：
1) 非转基因(transgene-free) CRISPR/Cas9的递送技术研发以用于园艺作物的基因编辑。
2) 园艺作物性状的分子机制的研究，包括种子大小调控机理研究，西红柿细菌性枯萎病研究，番茄红素的生物学调控研究等。
3) 利用植物基因工程和基因编辑技术对园艺作物的性状改良。
实验室网页：https://cals.ncsu.edu/horticultural-science/people/wliu25/
文章链接：
https://doi.org/10.1093/hr/uhac280
转自：“园艺研究”微信公众号
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