北京市农林科学院生物所在不依赖基因型的玉米新型遗传转化技术方面取得重要进展

近日，北京市农林科学院生物技术研究所玉米分子育种研究团队在国际知名植物学杂志Journal of Integrative Plant Biology（Top期刊，IF：7.06）在线发表题为“Efficient forbid genotype independent maize transformation using pollen transfected forbid DNA-coated magnetic nanoparticles”的研究论文（https://doi.org/10.1111/jipb.13263）。该研究详细阐述了基于纳米磁珠介导的不依赖基因型的玉米遗传转化方法，该方法借助纳米磁珠将外源基因通过花粉萌发孔导入玉米花粉，然后经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。该方法的成功也可作为其它植物开发花粉转化体系的有力借鉴。

玉米作为我国第一大粮食作物，在国民经济中占有重要的地位。全球主要转基因作物中，转基因玉米种植面积仅次于大豆位列第二，主要涉及性状包括抗虫、抗除草剂、抗旱等。目前全球玉米转基因育种的主流方法是：基于植物组织培养体系，通过农杆菌介导的方法进行转基因；然后进行回交转育，创制优良转基因玉米品种。但是该转基因方法还存在一个比较大的缺陷：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精准改良特别是基因编辑育种的效率。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。

玉米分子育种研究团队经过多年不断探索，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，使该转化方法稳定、高效。第一，花粉预处理及转化的整个过程均在低温（8℃）条件下进行，保持了花粉的活力，为保证授粉后玉米的结实率提供了保障；第二，使用转化液8℃条件下预处理花粉10分钟，在保持花粉活力的前提下，大幅提高花粉萌发孔打开的效率（达到40-55%），为纳米磁珠-DNA复合体高效进入花粉提供了保障。该研究同时探明了温室中种植的玉米材料，不能有效进行花粉磁转染转化的根源：对温室中种植玉米材料的上万粒的花粉进行了观测，未能发现打开的萌发孔，因此在未做任何预处理的情况下，使用温室种植的玉米材料的花粉，不能使用该方法完成玉米遗传转化。

该遗传转化方法已经获得国家发明专利授权：“一种不依赖于玉米基因型的DNA导入方法”（专利号：ZL201910623296.5）。同时研究团队还申报了一项国家发明专利“一种改良的玉米花粉磁转染方法”（202111418727.8）。

图1 纳米磁珠介导的不依赖基因型的玉米遗传转化流程

A-B. 田间玉米花粉收集；C. 8℃条件下使用转化液预处理（关键步骤）；D. 8℃条件下纳米磁珠-DNA转化花粉（关键步骤）；E-F. 花粉干燥；G-H. 授粉结实。

图2花粉萌发孔的打开是外源基因成功导入花粉和幼胚的关键

A. 关闭状态的花粉萌发孔；B. 打开状态的花粉萌发孔；C-F. 以红色荧光蛋白基因RFP为报告基因，检测不同条件下花粉的转化效率；G-H. 以GUS为报告基因检测不同条件下，幼胚转化效率。

北京市农林科学院生物技术研究所博士后王作平和副研究员张中保博士为该论文的第一作者，吴忠义研究员和魏建华研究员为通讯作者。生物技术研究所张春副研究员、郑登俞和首都师范大学于荣副教授也参与了该研究工作。美国马里兰大学Heven Sze教授在论文撰写和语言凝练中给予指导。论文第一通讯单位为北京市农林科学院。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。