近日，北京市農林科學院生物技術研究所玉米分子育種研究團隊在國際知名植物學雜志Journal of Integrative Plant Biology（Top期刊，IF：7.06）在線發(fā)表題為“Efficient forbid genotype independent maize transformation using pollen transfected forbid DNA-coated magnetic nanoparticles”的研究論文（https://doi.org/10.1111/jipb.13263）。該研究詳細闡述了基于納米磁珠介導的不依賴基因型的玉米遺傳轉化方法，該方法借助納米磁珠將外源基因通過花粉萌發(fā)孔導入玉米花粉，然后經(jīng)人工授粉和自然結實過程，將外源基因轉入多種玉米自交系中，成功解決了玉米遺傳轉化過程中“依賴組培體系，嚴重受基因型限制”的瓶頸問題。該方法的成功也可作為其它植物開發(fā)花粉轉化體系的有力借鑒。

玉米作為我國第一大糧食作物，在國民經(jīng)濟中占有重要的地位。全球主要轉基因作物中，轉基因玉米種植面積僅次于大豆位列第二，主要涉及性狀包括抗蟲、抗除草劑、抗旱等。目前全球玉米轉基因育種的主流方法是：基于植物組織培養(yǎng)體系，通過農桿菌介導的方法進行轉基因；然后進行回交轉育，創(chuàng)制優(yōu)良轉基因玉米品種。但是該轉基因方法還存在一個比較大的缺陷：即依賴植物組培體系、受基因型限制、可用于高效轉化的玉米材料少，并且轉化成本高，嚴重限制了玉米品種精準改良特別是基因編輯育種的效率。因此急需一種不依賴組培體系、不受基因型限制的玉米新型高效DNA導入方法。

玉米分子育種研究團隊經(jīng)過多年不斷探索，建立了納米磁珠介導的不依賴基因型的玉米遺傳轉化方法，并成功解決了該遺傳轉化方法的兩個關鍵問題，使該轉化方法穩(wěn)定、高效。第一，花粉預處理及轉化的整個過程均在低溫（8℃）條件下進行，保持了花粉的活力，為保證授粉后玉米的結實率提供了保障；第二，使用轉化液8℃條件下預處理花粉10分鐘，在保持花粉活力的前提下，大幅提高花粉萌發(fā)孔打開的效率（達到40-55%），為納米磁珠-DNA復合體高效進入花粉提供了保障。該研究同時探明了溫室中種植的玉米材料，不能有效進行花粉磁轉染轉化的根源：對溫室中種植玉米材料的上萬粒的花粉進行了觀測，未能發(fā)現(xiàn)打開的萌發(fā)孔，因此在未做任何預處理的情況下，使用溫室種植的玉米材料的花粉，不能使用該方法完成玉米遺傳轉化。

該遺傳轉化方法已經(jīng)獲得國家發(fā)明專利授權：“一種不依賴于玉米基因型的DNA導入方法”（專利號：ZL201910623296.5）。同時研究團隊還申報了一項國家發(fā)明專利“一種改良的玉米花粉磁轉染方法”（202111418727.8）。

圖1 納米磁珠介導的不依賴基因型的玉米遺傳轉化流程

A-B. 田間玉米花粉收集；C. 8℃條件下使用轉化液預處理（關鍵步驟）；D. 8℃條件下納米磁珠-DNA轉化花粉（關鍵步驟）；E-F. 花粉干燥；G-H. 授粉結實。

圖2花粉萌發(fā)孔的打開是外源基因成功導入花粉和幼胚的關鍵

A. 關閉狀態(tài)的花粉萌發(fā)孔；B. 打開狀態(tài)的花粉萌發(fā)孔；C-F. 以紅色熒光蛋白基因RFP為報告基因，檢測不同條件下花粉的轉化效率；G-H. 以GUS為報告基因檢測不同條件下，幼胚轉化效率。

北京市農林科學院生物技術研究所博士后王作平和副研究員張中保博士為該論文的第一作者，吳忠義研究員和魏建華研究員為通訊作者。生物技術研究所張春副研究員、鄭登俞和首都師范大學于榮副教授也參與了該研究工作。美國馬里蘭大學Heven Sze教授在論文撰寫和語言凝練中給予指導。論文第一通訊單位為北京市農林科學院。該研究得到了北京市科技計劃項目、北京市農林科學院創(chuàng)新能力建設專項和北京市博士后基金的資助。