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跳过组织培养过程 纳米磁珠助玉米花粉“移花接木”

2022年05月25日 11:03:04 来源:科技日报 作者:马爱平

  本报记者 马爱平

  近日,《植物学报》英文版(JIPB)在线发表了北京市农林科学院生物技术研究所吴忠义研究员课题组题为《利用纳米磁珠介导的花粉转染法建立不依赖基因型的玉米高效转化体系》的研究论文。

  论文详细介绍了基于纳米磁珠介导的、不依赖基因型的高效玉米遗传转化全新方法。该方法借助纳米磁珠将外源基因通过花粉萌发孔(指花粉外壁上的薄壁区域所形成的开口)导入玉米花粉,然后经过人工授粉和自然结实过程,将外源基因转入多种玉米自交系中,成功解决了玉米遗传转化过程中“依赖组培体系,严重受基因型限制”的瓶颈问题。该方法的成功将为其他植物开发花粉转化体系提供有力借鉴。北京市农林科学院博士后王作平和副研究员张中保为该论文的第一作者,研究员吴忠义和魏建华为通讯作者。该研究得到了北京市科技计划项目、北京市农林科学院创新能力建设专项和北京市博士后基金的资助。

  “此转化体系将外源基因转入玉米中,从而实现玉米的遗传转化。这是课题组借鉴了中国农业科学院发明的棉花纳米磁珠转化方法,并结合玉米花粉本身的特点而创立的新型高效的玉米遗传转化方法,是具有中国自主知识产权的一种新的遗传转化方法。”吴忠义在接受科技日报记者采访时表示。

   打破基因型限制

  “目前全球玉米遗传工程育种的主流方法是基于植物组织培养体系,通过农杆菌介导的方法进行育种;然后进行回交转育,创制优良玉米品种。但是该方法还存在一些缺陷,即依赖植物组培体系、受基因型限制、可用于高效转化的玉米材料少,并且转化成本高,严重限制了玉米品种的精准改良,特别是育种的效率。”魏建华介绍。

  因此急需一种不依赖组培体系、不受基因型限制的玉米新型高效DNA导入方法。虽然过去也有关于利用纳米磁珠介导的花粉转化方法的报道,但众多实验室利用的方法,成功率都不高。

  “我们的新型玉米转化方法则不同,其借助纳米磁珠将外源基因导入玉米花粉,再通过人工授粉和自然结实过程,不需要经过‘植物组织培养’就可以将外源优异基因通过花粉转入玉米中,操作简便、省时省力、成本低,由于品种之间花粉没有太大的区别,因此打破了基因型限制。”吴忠义说。

  解决两个关键问题

  该方法借助了作物自然开花结实的过程进行遗传转化。大部分禾本科作物如玉米、水稻、小麦、高粱、谷子等,其花粉都有一个萌发孔,正常条件下萌发孔有一个孔盖结构。“我们通过低温条件维持玉米花粉活力,并通过转化液预处理方法使玉米花粉萌发孔盖打开,从而使外源基因通过纳米磁珠的介导在磁场作用下高效地导入玉米花粉中。”吴忠义说,“其他植物可在本研究方法的基础上,借鉴转化方法中两个共性条件——维持花粉活力和打开萌发孔,依据目标植物生长条件和花粉特性,探索维持花粉活力和花粉萌发孔打开的最佳条件,突破遗传转化的瓶颈,特别是针对不好建立组培体系的一些园艺植物,建立高效的生物育种体系。”经过多年不断探索,课题组建立了纳米磁珠介导的不依赖基因型的玉米遗传转化方法,并成功解决了该遗传转化方法的两个关键问题。

  “玉米花粉离体后,在室温条件下特别容易萌发而失去活性,并在普通溶液中极易破裂,且玉米花粉萌发孔的孔盖中细胞壁结构会阻挡外源基因的进入。我们通过低温和配方适宜的溶液,减缓玉米花粉的萌发过程并阻止花粉破裂,最大限度地维持玉米花粉的活力,为授粉后玉米的结实率提供了保障;同时通过转化液预处理的诱导使玉米花粉萌发孔打开,为外源基因高效进入花粉提供了保障。通过以上这两方面优化,使该转化方法实现稳定和高效。”吴忠义表示。

  有望在不同植物中得到推广

  该研究还发现,温室中种植的玉米材料,花粉的萌发孔很难被打开,使用该方法难以完成玉米的遗传转化。这又意味着什么?

  吴忠义解释,研究人员在田间种植材料中收集玉米花粉,发现有约1%的花粉萌发孔是自然打开的;而他们对冬季温室中种植玉米材料的上万粒花粉进行观测,却未能发现这种萌发孔自然打开的花粉,这样的花粉即使用转化液进行预处理,萌发孔也很难被诱导打开,因此外源基因难以有效导入。

  “这意味着,田间材料和温室材料花粉萌发孔打开的条件是不同的,目前使用温室种植的玉米材料的花粉,很难利用纳米磁珠介导的方法完成玉米的遗传转化。不过我们正在进行技术攻关,目标是找到合适的方法诱导这些花粉的萌发孔打开,如解决此问题,同样可以高效地完成温室种植玉米材料的遗传转化。”魏建华说。

  魏建华表示,在不远的将来,该方法有望在不同的植物中得到推广,并形成一种各科研院所和育种单位均能普遍采用的低成本的轻简化遗传转化方法。同时,该方法将极大提高品种精准定向改良的效率。

[编辑: 王姝]
(本文来源:科技日报)
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