重大突破！我国破解小麦遗传转化中基因型依赖性难题

近日，中国农业科学院作物科学研究所作物转基因及基因编辑技术与应用创新团队鉴定了一个与小麦植株再生相关的基因TaWOX5，利用TaWOX5基因克服了小麦遗传转化中的基因型依赖性难题。1月13日，该相关研究结果在线发表于《自然-植物》(Nature Plants)上。

利用TaWOX5基因显著提高了不同小麦基因型再生效果比较。中国农业科学院作物科学研究所供图

中国科学院院士种康指出，该项研究通过鉴定和利用小麦中的再生相关基因TaWOX5，显著提高了大多数小麦品种的转化效率，基本克服了基因型障碍。同时发现，TaWOX5基因还提高了大麦和玉米的转化效率，并依托该基因建立了栽培一粒小麦、黑麦和六倍体小黑麦的遗传转化体系。与已报道的再生基因相比，TaWOX5不影响愈伤组织分化和再生植株根系发育，不需要从愈伤组织中排除。

中国科学院院士林鸿宣认为，利用TaWOX5基因还能显著提高大麦、小黑麦、黑麦、栽培一粒小麦和玉米等单子叶植物的遗传转化效率，具有广泛的应用前景。

制约小麦生物技术育种与产业化的主要障碍

据中国农业科学院作物科学研究所研究员叶兴国介绍，遗传转化效率低和基因型依赖性是制约小麦转基因研究与基因编辑研究及应用的主要障碍。近年来，虽然小麦遗传转化效率显著提高，但仅适用于少数模式小麦基因型，还有许多小麦品种不适合进行转基因和基因编辑。而利用再生基因能够促进离体培养和转化的小麦组织再生，提高转化效率并拓展可转化小麦品种的范围，实现更多品种的转化和遗传改良。

“小麦等多倍体作物基因遗传转化成功率限制了转基因生物技术育种与产业化。基因型依赖性是长期困扰植物遗传转化的瓶颈问题，即便是烟草、拟南芥和水稻等模式植物的遗传转化，也存在强烈的基因型依赖性，限制了利用转基因技术对优良品种的遗传改良。随着基因编辑技术的完善和广泛应用，克服基因型依赖性显得更加重要。”种康表示。

林鸿宣认为，遗传转化过程中的基因型限制性问题普遍存在于各种作物，并已成为限制转基因育种的最大瓶颈之一。小麦是六倍体作物，遗传转化一直远远落后于其他主要农作物。虽然日本烟草公司利用模式基因型建立了小麦高效遗传转化体系，但基因型限制问题依然是小麦功能基因组研究、转基因育种和基因编辑育种的障碍。

发现TaWOX5显著提高小麦再生效率和转化效率

叶兴国团队历经13年研究，对多个可能与小麦再生植株相关的基因进行了克隆和功能鉴定，最后发现TaWOX5具有显著提高小麦再生效率和转化效率的作用。

研究发现，过表达TaWOX5基因不但显著提高了Fielder和科农199等模式小麦基因型的转化效率，而且显著提高了济麦22、郑麦7698、苏麦3号和中国春等22个小麦推广品种或重要种质资源的转化效率，尤其成功转化了宁春4号、矮抗58、西农979等顽拗型明星小麦品种，转化效率提高了2-10倍。

进一步验证发现，TaWOX5基因在波兰小麦、栽培一粒小麦、黑麦、小黑麦、大麦和玉米等单子叶植物遗传转化中，均可使转化效率显著提高。另外发现，TaWOX5对小麦愈伤组织分化和再生植株根系生长没有副作用，其宽叶表型有利于转基因植株识别以及无筛选标记转基因植株和基因编辑植株的快速鉴定。

克服基因型限制简化鉴定工作，具有广阔前景

该研究结果表明，TaWOX5基因大幅度提高了小麦等植物的转化效率，克服了基因型的限制，简化了鉴定工作，具有广阔应用前景。

“叶兴国团队发现TaWOX5基因能够极大促进小麦胚性愈伤组织发生和植株再生，利用TaWOX5基因对易转化品种Fielder等的转化效率达75-96%，难转化品种济麦22等的转化效率达17-82%，基本解决了小麦遗传转化中基因型限制问题，为小麦转基因育种和基因编辑育种提供了强有力的技术支撑。利用该基因还能显著提高大麦、小黑麦、黑麦、栽培一粒小麦和玉米等单子叶植物的遗传转化效率，具有广泛的应用前景。”林鸿宣表示。

种康认为，有理由预测，TaWOX5基因在小麦等植物基于转基因和基因编辑技术进行的基因功能鉴定和新材料创制中具有广泛应用前景。

中国农业科学院作物科学研究所副研究员王轲、已毕业博士生石磊和在站博士后梁小娜为论文共同第一作者，研究员叶兴国、副研究员王轲和日本烟草公司博士Yuji Ishida为论文共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、宁夏回族自治区重点研发计划和中国农业科学院农业科技创新工程资助。