華中農業大學：一種提高植物再生、轉化效率的新策略

　　華中農業大學張獻龍教授領銜的棉花團隊發表了題為“Multi-omics analyses reveal epigenomics basis for cotton somatic embryogenesis through successive regeneration acclimation (SRA) process”的文章，開發了一種能提高棉花再生、轉化效率的新策略，并對這一策略的表觀遺傳學機制進行了探討，該研究結果豐富了對植物再生過程中的DNA甲基化分子機制的認識，為提高植株再生效率提供可行的策略，對于改善低再生、轉化效率的植物物種的遺傳轉化具有借鑒意義。

　　這一研究成果公布在7月12日的Plant Biotechnology Journal雜志上，這項研究開發了一種通過連續組織培養、再生馴化策略提高棉花再生、轉化效率的新策略，并利用多重組學研究手段解析了這一現象的的表觀遺傳學基礎，李健英為論文第一作者，金雙俠教授為論文通訊作者。

　　許多轉基因作物是通過農桿菌介導的遺傳轉化、植株再生（器官發生，體細胞胚胎發生等）方式產生，這個過程非常耗時且高度依賴于基因型。以棉花（Gossypium spp.）遺傳轉化為例，目前只有少數幾個材料能夠通過組織培養獲得再生植株，而且整個轉化、植株再生過程需要1年甚至1年半的時間。再生效率低、轉化周期長，已經成為制約棉花功能基因組研究的主要障礙之一。

　　目前國際上只有 Corker201/310/312，泗棉3號, 中12等少數棉花材料能夠通過體細胞胚胎發生途徑獲得再生植株，但這些材料的農藝性狀都普遍較差，且再生轉化效率偏低，轉化周期長。

　　這一研究團隊自從上個世紀90年開始，一直致力于棉花遺傳轉化體系的優化和改良。先后對數百個陸地棉材料進行了再生能力的比較，篩選到一個優良的受體材料YZ-1 (金雙俠 , 張獻龍等 2006，Identification of a novel elite genotype for in vitro culture and genetic transformation of cotton )。YZ-1作為受體材料的轉化效率、再生周期較以往的棉花受體材料都有較大提升，其轉化效率提高到25%以上，是國際上棉花遺傳轉化模式材料-柯字棉系列（Corker201/310/312）轉化效率（3-5%）的5倍左右，再生周期由18個月縮短到8-10個月左右，YZ-1目前已經成為國際上最重要的棉花轉化受體之一。

　　但YZ-1存在生育期短，綜合農藝性狀差，不耐高溫等不足，因此亟待培育新的、優良的棉花轉化受體材料來代替YZ-1。

　　在這項研究通過對一個2000年以后選育的、農藝性狀較好的棉花主栽品種為研究對象，經過連續再生馴化（SRA）提高棉花的轉化效率策略（通過獲取經過體細胞胚胎發生過程獲得的再生植株的種子，作為下一次組織培養的受體材料，連續重復這一過程多次）, 獲得了高遺傳轉化效率的材料，研究人員把它命名為Jin668 （轉化效率約20%-25%）遠高于母體材料Y668（WT）（8-10%）（金雙俠，張獻龍等， ZL申請號：201510836230.6）。

　　在植物組織培養階段，很多與植物再生相關的內源基因會經歷DNA甲基化和組蛋白修飾等表觀遺傳因子的改變，為了研究SRA潛在表觀遺傳機制，我們構建了再生植株和野生型以及Jin668體細胞胚胎發生三個特定時期（NEC，EC， SE）全基因組上單堿基分辨率的DNA甲基化圖譜。結果研究顯示Jin668與R0相比，顯示出低的CHH DNA甲基化，再生后代中整體甲基化呈下降趨勢。

　　在體細胞胚胎發生階段，NEC到EC過程中DNA甲基化呈現上升的趨勢與RdDM途徑和H3K9me2途徑協同調控，EC到SE階段DNA甲基化呈現下降，與RdDM顯著相關， 不與H3K9me2相關， 進一步分析發現在EC到 SE過程中DNA去甲基化酶ROS1和DME顯著上調，該過程可能高度依賴于DNA甲基化途徑。

　　研究人員通過對差異表達基因和啟動子區域的DMR分析發現，57個基因在啟動子區域低甲基化可以激活生長素激素相關和WUSCHEL等標記基因表達。在NEC時期外施DNA甲基化抑制劑增加了胚胎數量，激活了WOX11、CKX7、KNOX2等基因表達，促進了體細胞胚胎的發生。因此，他們推測在SRA過程中低（去）甲基化有助于體細胞胚胎發生相關基因的激活，進而提高植物再生能力，可能是SRA策略起作用的重要原因之一。

　　Jin 668優良受體材料的鑒定將會為棉花功能基因研究提供新的重要的支撐材料。對SRA機制的研究豐富了我們對植物再生過程中DNA甲基化分子機制的認知，為提高植株再生效率提供可行的策略，對于改善低再生效率其他植物物種具有重要意義。