高效遗传转化体系是利用转基因和基因编辑等生物育种技术培育具有独特性状小麦新种质和新品种的基础。小麦因基因组庞大而复杂，基因工程研究进程始终落后于水稻和玉米等主要农作物。其中，遗传转化效率低和基因型依赖性是2个关键的限制因素。2013年以来，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，基因型依赖性问题仍然非常突出，难以利用基因工程技术对商业化推广小麦品种进行遗传改良。研究表明，利用ZmBBM、ZmWUS2、GRF-GIF等再生相关基因可以提高植物遗传转化效率，拓宽基因型的范围，然而这些基因影响愈伤组织分化和根系生长或导致畸形，利用起来比较繁琐，需要挖掘和应用小麦再生相关基因，克服小麦遗传转化中基因型依赖性问题。
2022年1月13日，中国农业科学院作物科学研究所叶兴国研究组和日本烟草公司合作在Nature Plants发表了题为The gene TaWOX5 overcomes genotype dependency in wheat genetic transformation的研究论文，阐述了通过鉴定和利用小麦TaWOX5基因显著提高小麦遗传转化效率，解决基因型依赖性瓶颈问题的研究成果。
研究团队通过序列比对和扩增，从小麦及其祖先起源种中获得了TaWUS和TaWOX5再生相关家族基因，其中，TaWUS基因在小麦A、B、D基因组上各存在1个拷贝，TaWOX5基因在小麦基因组中至少存在9个拷贝。转基因功能鉴定发现，过表达TaWUS-A、TaWUS-B和TaWUS-D基因均出现了与过表达ZmWUS2和ZmBBM基因相似的问题，严重抑制再生芽分化和生根，最终转化效率降低。相比之下，过表达TaWOX5基因不但显著提高了CB037、Fielder和科农199等模式小麦基因型的转化效率（75~96%），而且显著提高了济麦22、郑麦7698、郑麦9023、周麦18、扬麦16、中麦895、苏麦3号、中国春等22个商业化推广小麦品种或重要小麦种质资源的转化效率（17~82%），尤其成功转化了宁春4号、矮抗58、西农979等顽拗型明显小麦品种（转化效率达9~29%），不同小麦品种平均转化效率提高了2-10倍（图1）。同时发现，利用TaWOX5还能降低基因转化对小麦受体材料生理状态的要求，促进质量较差愈伤组织的分化。
图1. 利用TaWOX5基因显著提高了不同小麦基因型再生效率
该研究进一步验证了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的作用，发现TaWOX5均显著提高了这些植物的遗传转化效率。另外发现，表达TaWOX5基因不影响愈伤组织分化和再生植株根系发育（图2），无需从愈伤组织中剔除；表达TaWOX5基因转基因植株表现为宽叶表型，有助于识别转基因植株，以及在筛选标记基因与TaWOX5基因连锁的情况下获得无筛选标记转基因植株；共表达TaWOX5基因和可视化花青素基因，瞬间转化效率与稳定转化效率一致，表明在利用TaWOX5基因情况下转化效率主要与农杆菌侵染效率有关，并不取决于受体品种的再生效率；将TaWOX5基因与基因组编辑元件整合，可以克服基因编辑研究中对基因型的依赖性，有利于编辑植株的获得和鉴定；利用TaWOX5基因既可以提高农杆菌介导的转化效率，也可以提高基因枪介导的转化效率。上述结果表明，TaWOX5基因具有广阔应用前景。
图2. 利用TaWOX5 基因获得的转基因植株其生长和表型正常
中国农业科学院作物科学研究所王轲副研究员、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，中国农业科学院作物科学研究所叶兴国研究员、王轲副研究员和日本烟草公司Yuji Ishida博士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。与该论文相关专利技术的使用权已转让日本烟草公司和泉脉农业科技有限公司。
专家点评
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。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。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。
林鸿宣 院士（中国科学院分子植物科学卓越创新中心）
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。叶兴国实验室20多年来致力于小麦遗传转化技术体系建立和再生基因挖掘，最近取得了新突破，他们发现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。
https://www.nature.com/articles/s41477-021-01085-8
