近日，生物技術研究所玉米分子(zǐ)育種研究團隊在國際知名植物學(xué)雜志Journal of Integrative Plant Biology（Top期刊，IF：7.06）在線發表題為(wèi)“Efficient and genotype independent maize transformation using pollen transfected by DNA-coated magnetic nanoparticles”的(de)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(de)不依賴基因型的(de)玉米遺傳轉化方法，該方法借助納米磁珠将外源基因通過花粉萌發孔導入玉米花粉，然後經人工授粉和(hé)自(zì)然結實過程，将外源基因轉入多種玉米自(zì)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(de)瓶頸問題。該方法的(de)成功也可(kě)作為(wèi)其它植物開發花粉轉化體系的(de)有力借鑒。

玉米作為(wèi)我國第一(yī)大糧食作物，在國民經濟中占有重要的(de)地(dì)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(cǎo)劑、抗旱等。目前全球玉米轉基因育種的(de)主流方法是：基于植物組織培養體系，通過農杆菌介導的(de)方法進行轉基因；然後進行回交轉育，創制優良轉基因玉米品種。但是該轉基因方法還存在一(yī)個比較大的(de)缺陷：即依賴植物組培體系、受基因型限制、可(kě)用于高(gāo)效轉化的(de)玉米材料少，并且轉化成本高(gāo)，嚴重限制了玉米品種精準改良特别是基因編輯育種的(de)效率。因此急需一(yī)種不依賴組培體系、不受基因型限制的(de)玉米新型高(gāo)效DNA導入方法。

玉米分子(zǐ)育種研究團隊經過多年(nián)不斷探索，建立了納米磁珠介導的(de)不依賴基因型的(de)玉米遺傳轉化方法，并成功解決了該遺傳轉化方法的(de)兩個關鍵問題，使該轉化方法穩定、高(gāo)效。第一(yī)，花粉預處理(lǐ)及轉化的(de)整個過程均在低(dī)溫（8℃）條件下進行，保持了花粉的(de)活力，為(wèi)保證授粉後玉米的(de)結實率提供了保障；第二，使用轉化液8℃條件下預處理(lǐ)花粉10分鍾，在保持花粉活力的(de)前提下，大幅提高(gāo)花粉萌發孔打開的(de)效率（達到40-55%），為(wèi)納米磁珠-DNA複合體高(gāo)效進入花粉提供了保障。該研究同時探明了溫室中種植的(de)玉米材料，不能有效進行花粉磁轉染轉化的(de)根源：對溫室中種植玉米材料的(de)上萬粒的(de)花粉進行了觀測，未能發現打開的(de)萌發孔，因此在未做(zuò)任何預處理(lǐ)的(de)情況下，使用溫室種植的(de)玉米材料的(de)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獲得國家發明專利授權：“一(yī)種不依賴于玉米基因型的(de)DNA導入方法”（專利号：ZL201910623296.5）。同時研究團隊還申報了一(yī)項國家發明專利“一(yī)種改良的(de)玉米花粉磁轉染方法”（202111418727.8）。

圖1 納米磁珠介導的(de)不依賴基因型的(de)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(lǐ)（關鍵步驟）；D. 8℃條件下納米磁珠-DNA轉化花粉（關鍵步驟）；E-F. 花粉幹燥；G-H. 授粉結實。

圖2花粉萌發孔的(de)打開是外源基因成功導入花粉和(hé)幼胚的(de)關鍵

A. 關閉狀态的(de)花粉萌發孔；B. 打開狀态的(de)花粉萌發孔；C-F. 以紅(hóng)色熒光蛋白基因RFP為(wèi)報告基因，檢測不同條件下花粉的(de)轉化效率；G-H. 以GUS為(wèi)報告基因檢測不同條件下，幼胚轉化效率。

生物技術研究所博士後王作平和(hé)副研究員張中保博士為(wèi)該論文的(de)第一(yī)作者，吳忠義研究員和(hé)魏建華研究員為(wèi)通訊作者。生物技術研究所張春副研究員、鄭登俞和(hé)首都師範大學(xué)于榮副教授也參與了該研究工作。美國馬裏蘭大學(xué)Heven Sze教授在論文撰寫和(hé)語言凝練中給予指導。論文第一(yī)通訊單位為(wèi)北京市農林科學(xué)院。該研究得到了北京市科技計劃項目、北京市農林科學(xué)院創新能力建設專項和(hé)北京市博士後基金的(de)資助。