遺傳發(fā)育所在小麥再生研究方面取得進展

　　植物的基因功能研究和遺傳改良都離不開遺傳轉(zhuǎn)化，在模式植物擬南芥中可以使用“滴花轉(zhuǎn)化”的方式輕松實現(xiàn)遺傳轉(zhuǎn)化，而大部分的作物中，例如小麥、水稻、玉米等都需要長時間的組織培養(yǎng)才能獲得遺傳轉(zhuǎn)化植株，效率較低。在小麥中通常以未成熟的幼胚為外植體，首先將帶有目的載體的農(nóng)桿菌與幼胚共培養(yǎng)，隨后誘導(dǎo)形成愈傷組織，然后分化長出新的植株。這其中的任何一環(huán)都會影響最終的遺傳轉(zhuǎn)化效率，例如外植體的取材窗口、農(nóng)桿菌侵染后引起細胞免疫反應(yīng)、愈傷組織的異質(zhì)性、生根長芽的品種依賴性等等。

 

　　組織培養(yǎng)的過程是一個植株再生的過程，擬南芥中的研究表明，植物激素，特別是生長素和細胞分裂素能夠直接影響植物再生。此外在擬南芥中還鑒定到很多關(guān)鍵的轉(zhuǎn)錄因子和表觀調(diào)控因子參與再生過程。

 

　　為了更好地理解小麥的再生過程，探究其中的轉(zhuǎn)錄和染色質(zhì)動態(tài)變化，以及鑒定提高小麥轉(zhuǎn)化效率的新基因，中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所研究員肖軍團隊聯(lián)合山東農(nóng)業(yè)大學(xué)教授張憲省團隊利用RNA-seq、ATAC-seq、CUT&Tag等技術(shù)手段，通過多組學(xué)聯(lián)合分析的方式繪制了小麥再生過程的轉(zhuǎn)錄及染色質(zhì)動態(tài)圖譜，并搭建了一個順序的轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，最終通過與擬南芥再生過程的比較分析鑒定出2個能提高小麥遺傳轉(zhuǎn)化效率的新因子。

 

　　研究人員以遺傳轉(zhuǎn)化效率最高的小麥品種Fielder作為材料，對其誘導(dǎo)0天、3天、6天、9天和12天的材料進行RNA-seq、ATAC-seq以及CUT&Tag（H3K27me3, H3K27ac, H3K4me3）建庫。通過聚類分析，研究發(fā)現(xiàn)小麥再生過程中存在著順序的基因表達，并且這種順序的基因表達與染色質(zhì)可及性高度相關(guān)。此外，H3K27me3的減少和H3K4me3的增加對于某些再生的關(guān)鍵基因在愈傷組織誘導(dǎo)后期的激活息息相關(guān)?；谛←溤偕^程中轉(zhuǎn)錄與染色質(zhì)可及性的高度相關(guān)，研究人員利用RNA-seq和ATAC-seq數(shù)據(jù)搭建了一個轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)中不同聚類的基因之間存在順序的調(diào)控關(guān)系。研究從中鑒定到446個核心轉(zhuǎn)錄因子，并推測它們可能參與介導(dǎo)小麥遺傳轉(zhuǎn)化效率的品種差異。通過與擬南芥再生過程的比較分析，研究人員發(fā)現(xiàn)在愈傷組織早期被激活的轉(zhuǎn)錄因子家族存在差異。在小麥中最早被激活的為DOF和G2-like家族成員，而在擬南芥中最早被激活的為NAC和LBD家族成員。擬南芥中過表達NAC家族和LBD家族成員都能夠促進再生，因此研究人員在小麥中測試了2個DOF家族的轉(zhuǎn)錄因子。結(jié)果顯示，它們都能顯著提高小麥多個品種的愈傷組織誘導(dǎo)率和遺傳轉(zhuǎn)化效率，可以在小麥遺傳轉(zhuǎn)化過程中應(yīng)用。

 

　　相關(guān)研究成果以Uncovering the transcriptional regulatory network involved in boosting wheat regeneration and transformation為題于近日在線發(fā)表于《自然-植物》（Nature Plants）。研究工作得到中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項、國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃和山東省自然科學(xué)基金重大基礎(chǔ)研究項目的資助。