Nature Biotech | 只需融合這兩個蛋白，即可大幅提高植物的再生效率

2020-10-15 小麥研究者

在組織培養過程中，再生效率的高低直接影響目的基因轉化的成功率。已有的研究表明，過表達植物發育調節因子可以促進體細胞胚的產生或芽的再生，從而提高組培植物的再生效率，這些調節因子包括LEAFY COTYLEDON1【1】，LEAFY COTYLEDON2【2】，WUSCHEL (WUS)和BABY BOOM (BBM)【3】。此外，利用不同的發育調節因子組合，在雙子葉植物中可誘導不通過組織培養的新生分生組織。目前，組織培養仍是植物遺傳操作所需的重要手段，探索新的方法以提高再生效率，並提高轉化效率至關重要。

GROWTH-REGULATING FACTOR（GRF）是一個在裸子植物、被子植物和苔蘚中都高度保守的轉錄因子【4】。GRF蛋白具有兩個高度保守的結構域QLQ和WRC，分別介導蛋白質間的相互作用和GRF與DNA的相互作用【5】。在植物體內GRF可與GRF-INTERACTING FACTOR（GIF）輔助因子互作。研究發現，同時表達GRF和GIF輔助因子比單獨表達GRF或是GIF轉基因植株的葉片更大，這說明GRF和GIF可形成複合體發揮作用。

近日，加州大學戴維斯分校的Jorge Dubcovsky課題組在Nature Biotechnology發表題為A GRF–GIF chimeric protein improves the regeneration efficiency of transgenic plants 的研究論文。該研究發現，GRF-GIF融合蛋白可大幅提高小麥、水稻以及柑橘等單子葉和雙子葉植物的再生效率。

該研究在小麥中找到了水稻GRF4 的同源基因，並在三個小麥GIF中選擇了與擬南芥和水稻GIF1親緣關係最近的一個，然後將二者組合形成一個GRF4-GIF1嵌合體，轉化四倍體小麥。結果發現，GRF4-GIF1嵌合體可以提高小麥轉化效率，並加速再生進程，使小麥的轉化從91天縮短到56天。

該研究進一步對四倍體硬粒小麥和黑小麥中進行轉化實驗，同樣發現GRF4-GIF1嵌合體可以提高它們的轉化效率。此外，在不添加外源細胞分裂素的情況下，GRF4-GIF1嵌合體能促進小麥胚胎發生和芽部增殖。最後將GRF4-GIF1嵌合體轉化水稻和柑橘，發現該嵌合體在單子葉植物和雙子葉植物中均可以發揮功能。

該研究發現，GRF4-GIF1還可以提高CRISPR/Cas9在小麥中的基因編輯效率，並在T1中可分離GRF4–GIF1/CRISPR–Cas9–gRNA。

The GRF4-GIF1 chimera induces embryogenesis in the absence of cytokinins

綜上所述，GRF4-GIF1嵌合體的表達顯著提高了小麥轉化的效率和速度，以及產生大量可育植株的能力。嵌合體的表達也降低了對細胞分裂素的要求，從而消除了對抗生素抗性標記的需求。該技術不需要專門的啟動子和基因編輯，就可以培育出可育的轉基因植株，克服了轉化技術的局限性。該技術可以提高各種植物的轉化效率，並且在單子葉和雙子葉植物中都可以使用，對於轉化難度高、轉化效率低的植物有重要意義，有廣泛的應用前景。

參考文獻

1. Lotan, T. et al. Arabidopsis LEAFY COTYLEDON1 is sufficient to induce embryo development in vegetative cells. Cell 93, 1195–1205 (1998).

2. Stone, S. L. et al. LEAFY COTYLEDON2 encodes a B3 domain transcription factor that induces embryo development. Proc. Natl Acad. Sci. USA 98, 11806–11811 (2001).

3. Lowe, K. et al. Morphogenic regulators Baby boom and Wuschel improve monocot transformation. Plant Cell 28, 1998–2015 (2016).

4. Omidbakhshfard, M. A., Proost, S., Fujikura, U. & Mueller-Roeber, B. Growth-regulating factors (GRFs): a small transcription factor family with important functions in plant biology. Mol. Plant 8, 998–1010 (2015).

5. Kim, J. H. & Kende, H. A transcriptional coactivator, AtGIF1, is involved in regulating leaf growth and morphology in Arabidopsis. Proc. Natl Acad. Sci. USA 101, 13374–13379 (2004).

原文連結：

https://www.nature.com/articles/s41587-020-0703-0

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