Nature plants综述 | 如何利用特定的形态发生因子提高植物细胞的再生能力？

以下文章来源于Science Art ，作者学者艺术

研究背景

农业正在经历其历史上的技术转折点，同时人类也面临着人口增长和全球气候变化带来的前所未有的挑战。精确基因组编辑的重要进展和快速产生生物工程作物的新方法有望彻底改变育种计划的速度和广度，并提高我们喂养和维持人类人口增长的能力。尽管基因组编辑能够对DNA序列进行有针对性的和特定的修改，但现有的一些障碍阻碍了编辑技术在已建立和新兴作物物种的基础和应用研究中的广泛采用。顽固物种转化和再生的低效方法和转化过程的基因型依赖仍然是主要障碍。这些限制在单子叶作物中很常见，单子叶作物本身就提供了人类大量食物。体细胞胚胎发生和分生组织（负责植物发育可塑性的多能干细胞群）的从头诱导是快速生成转化植株的基本策略。在这里，我们回顾最近的发现，正在迅速推进核转化技术和承诺，以克服障碍，迄今为止阻碍了基因组编辑在作物物种的广泛使用。

转基因植物的高效生产依赖于两个关键步骤：转化（将转基因基因转移和表达到宿主细胞中）和再生（从转化细胞形成可育植株的能力）。对于许多物种来说，转化和再生是获得转基因植株的瓶颈。传统上，从组织外植体诱导愈伤组织是产生转化植株的主要途径，无论是通过提供未分化的细胞进行直接转化，还是通过少数转化细胞再生完整植株（图1）。然而，愈伤组织的形成是一个漫长的过程，通常会引起基因组和表观基因组的变化，其结果是不一致的1。最近在转化和再生方面的进展有望迅速提高我们操纵作物基因组的能力。这包括使用不同的形态发生因子，与体细胞胚胎发生或分生组织发育有关的基因，触发体细胞亚群的重编程和多能性，最终产生转化植株。

损伤也是植物谷氨酸受体样蛋白（GLRs）的重要信号，GLRs在防御反应中起着重要作用。谷氨酸受体在再生中的作用是通过SA信号介导的，SA受体NPR1中的突变体具有高度再生能力，并且部分抵抗GLR干扰，这表明通过减弱SA反应可以获得更高的农杆菌介导的转化效率。实际上，GLR活性的遗传和药理学抑制提高了拟南芥多器官修复系统的再生效率和顽拗玉米自交系B73的愈伤组织诱导率。这些结果表明，可以利用防御和再生之间的平衡调节来改进农业用途的再生（图2）。

体细胞胚胎发生与合子胚胎发生具有几个共同的发育阶段，可以通过调控胚胎发生启动的关键触发基因来诱导体细胞胚胎发生，实现植株的再生。AP2/ERF转录因子BABY BOOM（BBM，在拟南芥中也称为PLT4）促进体细胞胚胎发生并直接调控多种生长素生物合成基因，包括单子叶植物和双子叶植物中的YUC基因。

利用特定的形态发生因子对体细胞进行重组以启动胚胎发生，是植物转化的一项重大突破，尤其是单子叶植物和不易转化的植物。这激发了人们对开发用于作物转化的特定发育调节因子的新兴趣（表1）。

这些因子包括BBM、WUS和WUSCHEL相关同源盒（WOX），它们是胚胎发生起始和分生组织干细胞命运的关键调控因子。这些调节因子在体细胞中的单独或联合表达通常足以触发离体培养下的整株再生或土壤生长植物上的新梢形成。

在最近一项克服这一问题的策略中，利用ZmWUS2的非细胞自主功能产生无ZmWUS2表达盒的转基因植株，这种现象被称为利他转化。在该系统中，两个独立的农杆菌菌株（一个包含选择标记，另一个包含表达ZmWUS2的盒）以不同比例成功用于玉米胚侵染，最近开发的一种基于CRISPR的同时诱导内源形态发生基因表达和促进编辑的方法提高了杨树和水稻中无发育缺陷的转化和编辑植株的恢复，为加速基因组工程提供了新的工具。

最近的研究表明，WOX5或生长调节因子4（GRF4）和GRF-相互作用因子1（GIF1）嵌合蛋白的组成性表达可提高小麦以及其他几个单粒小麦品种的转化效率。虽然这两个系统仍需要愈伤组织诱导阶段，但它们被证明扩大了可再生基因型的范围，限制了转基因技术在作物上的广泛快速应用。WOX5属于WUS的同一同源盒家族，在根干细胞维持中起关键作用，其过表达诱导拟南芥愈伤组织不定芽再生，可能通过促进TAA1生长素生物合成和干扰细胞分裂素信号来实现。小麦WOX5基因的过表达显著提高了小麦、大麦和玉米在顽拗遗传背景下的转化效率，似乎对整体发育没有不利影响，使其成为单子叶转化的一个有吸引力的系统；因此，WOX5本身是否对报告的效率负责尚待确定。

GRF是高度保守的植物特异性转录因子，在过表达时可促进生长并增加器官大小。GRF与GIF辅因子形成蛋白质复合物，而GIF辅因子又与SWI/SNF染色质重塑因子相互作用。通过迫使GRF–GIF嵌合蛋白中的两种蛋白质在物理上接近，该系统不仅在硬粒小麦和面包小麦中，而且在水稻、小黑麦和双子叶作物柑橘、西瓜和中，通过增加再生率，证明了转化的有效性。此外，GRF–GIF嵌合体允许小麦在缺乏细胞分裂素的培养基中再生，允许转基因植物的无标记选择，并表明GRF–GIF复合物在调节内源性细胞分裂素中的潜在作用。据报道，使用单个GRF因子可提高甜菜、油菜、向日葵和玉米的转化效率，而不影响转基因植物的发育或育性。虽然GRF–GIF复合物促进再生的分子机制目前尚不完全清楚，但水稻OsGRF6的直接下游靶点包括生长素生物合成和信号转导基因，这表明GRF–GIF复合物通过提高转化细胞中生长素生物合成和生长素信号转导来促进再生，据报道，GRF和PLT基因之间的调控环建立了拟南芥根分生组织中干细胞生态位和转运扩增区之间的界限，表明GRF–GIF复合物可能影响PLT活性。

图文来源：现代农业 Modern Agriculture公众号

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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