撰文 | SHR
責編 | 王一
植物育種需要依靠重組將所需的基因引入到優良種質中，因此改良特定植物性狀、培育新的作物品種是一個耗時、耗力、耗財的過程。與培育新品種相比，對作物中特定基因的瞬時表達/抑制是短時間內改變農藝性狀的有效方法。對於瞬時表達技術，實驗室研究中通常使用農桿菌作為主要的DNA載體而將RNA病毒擴增子作為主要的資訊載體。前期研究已經成功使用基於農桿菌的轉染來設計工業化的生產技術，並在植物中生產出包括生物藥品、疫苗和生物材料在內的重組蛋白。但是該方法的侷限性在於其主要用於單一的植物菸草，並且需要真空輔助細菌滲透到葉內，這種早期的瞬時表達技術忽略了對植物重要農藝性狀的改造。此外，先前也有一些研究嘗試透過病毒感染的方式誘導開花，但是僅限於實驗室內的研究，並不能用於實際生產【1,2】。因此，目前可用於大規模生產且高效的瞬時轉染技術尚不存在，這極大地限制了作物關鍵性狀的改良。
2月15日，德國生物技術公司Nomad Bioscience GmbH與多家科研機構合作在Nature Plants發表了的一項題為Transient reprogramming of crop plants for agronomic performance的研究成果。該研究開發了一種靈活、快速且可大規模應用的瞬時表達技術，並將該技術成功用於改變開花時間、春化、株型以及抗旱性在內的多種關鍵農藝性狀。
在該研究中，研究人員結合了農桿菌高效轉染以及病毒攜帶資訊載體的優勢，透過農桿菌向植物體內“高效”轉運攜帶目的基因的病毒載體以改變特定農藝性狀。該研究透過多種作物以及多種病毒載體的組合試驗，證明了透過農桿菌簡單噴灑的方式即可進行高效轉染。該研究還表明，大多數農藝性狀也可以透過用包裝的RNA病毒載體噴灑植物來進行工程改造，從而完全消除DNA釋放到環境中的現象。
研究人員進一步在多種作物中證明了該技術在調控包括開花時間、春化要求、株型等多種農藝性狀中的可行性，並且該技術的實施是基於特定性狀的分子調控機制的。比如，之前研究表明，植物從營養狀態到開花狀態轉變的調控核心是FT蛋白（flowering locus T）從葉片移動到頂端分生組織並與轉錄因子相互作用，從而觸發分生組織向開花分化的過渡【3】。因此，該研究透過基於農桿菌的PVX（Potato virus X）載體的轉染，促進了擬南芥FT或同源基因的表達，從而促進開花。同樣，利用該方法實現了作物中的FT的瞬時表達或者開花抑制因子FLC的反義沉默，從而有效促進春化依賴性生態型株系的開花。此外，基於該方法，該研究還對多種作物中的赤黴素氧化酶以及相關的DREB（dehydration-responsive element binding）和DELLA蛋白進行了調節，從而有效地調控莖長和株高。利用該方法實現了改善作物耐旱性、抗蟲性以及果實發育等關鍵農藝性狀。
Induction and repression of flowering with viral vectors in several plant species
值得注意的是，該技術所採用的用作載體骨架的主要病毒PVX和TMV（tobacco mosaic virus）是無法傳播到子代的非傳播性病毒，因此對環境沒有潛在威脅。該研究還在菸草和番茄中進行了美國農業部許可範圍內的評估試驗，追蹤了轉染植物和植物根部周圍土壤中農桿菌的濃度，發現可檢測的農桿菌數量顯著低於自然農桿菌種群密度，表明了該瞬時轉染技術的安全性和合規性。
Fate of Agrobacterium and viral vectors in transfected plants and soil (greenhouse and open field)
值得一提的是，該技術與當前育種方法之間的根本區別在於：該過程不涉及植物基因組的遺傳修飾，具有廣泛的應用性、快速性、可調性和通用性，並可在整個作物栽培週期中使用。而與其他新興瞬轉技術相比，該技術的優勢主要體現在其使用的載體可以限制自我複製並在植物中移動，具有廣泛的適用性。
綜上，該研究開發了一種新的瞬時轉染技術，並證明了基於植物調控途徑的瞬時重程式設計技術在作物農藝性狀改良中的可用性。該技術具有重要的應用價值，尤其是對孤生作物的農藝性狀控制具有很大的應用潛力。
參考文獻
【1】Marillonnet, S. et al. In planta engineering of viral RNA replicons: efficient assembly by recombination of DNA modules delivered by Agrobacterium. Proc. Natl Acad. Sci. USA 101, 6852–6857 (2004).
【2】Yuan, C. et al. Foxtail mosaic virus-induced flowering assays in monocot crops. J. Exp. Bot. 71, 3012–3023 (2020).
【3】Corbesier, L. et al. FT protein movement contributes to long-distance signaling in foral induction ofArabidopsis. Science 316, 1030–1033 (2007).
論文連結：
https://www.nature.com/articles/s41477-021-00851-y