毛竹遺傳轉(zhuǎn)化體系建成 可極大推進(jìn)毛竹分子育種進(jìn)程等

毛竹基因組測(cè)序已于2013年完成，通過(guò)多種組學(xué)手段挖掘出大量與重要經(jīng)濟(jì)性狀相關(guān)的候選基因。但由于缺乏穩(wěn)定的遺傳轉(zhuǎn)化體系，目前尚未有基因在毛竹體內(nèi)得以驗(yàn)證。

近日，中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院亞熱帶林業(yè)研究所(以下簡(jiǎn)稱(chēng)亞林所)在毛竹遺傳轉(zhuǎn)化和基因編輯技術(shù)方面取得突破性進(jìn)展，并在線(xiàn)發(fā)表于《植物科學(xué)前沿》(Frontiers in Plant Science)。該研究成果利用毛竹未成熟胚為外植體誘導(dǎo)愈傷組織和不定芽分化，建立了高效離體再生及遺傳轉(zhuǎn)化體系。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)啟動(dòng)子優(yōu)化成功實(shí)現(xiàn)了CRISPR/Cas9技術(shù)在毛竹基因組中的精準(zhǔn)編輯。

論文通訊作者、亞林所副研究員喬桂榮說(shuō)，竹子是重要的森林資源之一，具有非常重要的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和文化價(jià)值。由于竹類(lèi)植物特殊的開(kāi)花生物學(xué)特性，很難通過(guò)有性雜交育種，主要依賴(lài)于自然變異選育新品種。

項(xiàng)目組在前期已建立了叢生竹代表竹種麻竹的花藥培養(yǎng)體系，于2014年首次實(shí)現(xiàn)了麻竹轉(zhuǎn)基因技術(shù)體系的建立和應(yīng)用，并獲得了全球首例竹子轉(zhuǎn)基因中間試驗(yàn)許可。

“毛竹為散生竹代表竹種，在繁殖及生長(zhǎng)習(xí)性方面與叢生竹中有所不同，其離體再生體系較叢生竹難度更大。”喬桂榮說(shuō)，利用毛竹成熟胚可以誘導(dǎo)愈傷組織并分化出不定芽，但仍存在外植體滅菌困難、再生頻率低等問(wèn)題。

因此，建立高效的毛竹遺傳轉(zhuǎn)化和基因編輯體系，鑒定調(diào)控毛竹重要經(jīng)濟(jì)性狀的基因功能，并利用轉(zhuǎn)基因手段獲得目的性狀改良的新品種，在解析調(diào)控毛竹重要經(jīng)濟(jì)性狀的分子機(jī)理、推進(jìn)毛竹分子育種進(jìn)程等方面具有重要意義。

論文共同第一作者、亞林所研究員卓仁英說(shuō)，該研究成果利用毛竹未成熟胚為外植體，通過(guò)不同激素濃度組合處理，最終獲得了愈傷組織誘導(dǎo)率和不定芽分化率分別超過(guò)60%和40%的最佳培養(yǎng)基。通過(guò)對(duì)遺傳轉(zhuǎn)化條件如抗生素篩選濃度、菌液侵染濃度、侵染時(shí)間和方式等進(jìn)行優(yōu)化，轉(zhuǎn)化率可達(dá)5%左右。

研究還克隆了2個(gè)毛竹內(nèi)源U3 SnRNA啟動(dòng)子，通過(guò)與水稻U3啟動(dòng)子比較分析，發(fā)現(xiàn)PeU3.1啟動(dòng)子驅(qū)動(dòng)的sgRNA顯示出更高的編輯效率，進(jìn)而用于毛竹基因組編輯。研究以八氫番茄紅素脫氫酶基因(PDS)為例，在四個(gè)拷貝序列中設(shè)計(jì)了保守sgRNA位點(diǎn)，結(jié)果顯示85.7%的再生植株在該sgRNA位點(diǎn)發(fā)生了突變，主要以缺失突變?yōu)橹鳎?2.9%的再生植株為pds1pds2純合突變體，表現(xiàn)為白化表型。

該研究建立了較高的毛竹離體再生體系，在毛竹遺傳轉(zhuǎn)化技術(shù)方面取得了突破性進(jìn)展，成功將CRISPR/Cas9技術(shù)應(yīng)用于毛竹并實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)編輯，將極大地推動(dòng)毛竹基因功能研究及轉(zhuǎn)基因育種研究進(jìn)程。

該研究獲得“十四五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)的資助。研究結(jié)果獲得授權(quán)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利1件。