近日，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝植物生物學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、園藝林學(xué)學(xué)院別之龍教授課題組在葫蘆科作物發(fā)根體系和砧穗互作方面的研究成果以“An efficient root transformation system for CRISPR/Cas9-based analyses of shoot–root communication in cucurbit crops”為題在Horticulture Research發(fā)表。

 

       葫蘆科作物，包括黃瓜、南瓜、苦瓜、絲瓜、瓠瓜、西瓜、甜瓜等，是重要的瓜果類(lèi)蔬菜。嫁接是一種古老的農(nóng)藝手段，歷史悠久，沿用至今，仍然在園藝作物生產(chǎn)中廣泛使用。南瓜對(duì)枯萎病等土傳病害的抗性強(qiáng)，是其他葫蘆科作物的常用砧木。葫蘆科作物由于易嫁接、容易獲取木質(zhì)部和韌皮部液等特點(diǎn)，也是研究植物地上和地下長(zhǎng)距離信號(hào)的良好模型。以往以葫蘆科作物為對(duì)象，采用組學(xué)手段發(fā)現(xiàn)了大量可長(zhǎng)距離運(yùn)輸?shù)男盘?hào)物質(zhì)，然而由于大多數(shù)葫蘆科植物缺乏高效的轉(zhuǎn)基因體系，限制了相關(guān)基因的功能驗(yàn)證和機(jī)制解析。因此，開(kāi)發(fā)適合葫蘆科植物的相關(guān)基因功能驗(yàn)證體系尤為重要。

 

       該研究采用農(nóng)桿菌侵染帶有生長(zhǎng)點(diǎn)的外植體，首先建立了一種適宜葫蘆科作物的發(fā)根體系，在南瓜中的效率可以達(dá)到84%,該體系同樣適用于黃瓜、甜瓜、絲瓜和葫蘆等葫蘆科作物（圖1）。另外，研究者還將發(fā)根體系的方法與嫁接方法進(jìn)行了組合，可以在發(fā)根的同時(shí)進(jìn)行嫁接，以實(shí)現(xiàn)對(duì)砧木的遺傳改造（圖2）。進(jìn)一步，該研究在黃瓜/南瓜嫁接復(fù)合體中對(duì)CmoHKT1;1進(jìn)行了基因編輯，相關(guān)機(jī)制研究表明CmoHKT1;1通過(guò)限制Na+的長(zhǎng)距離運(yùn)輸參與南瓜砧木提高黃瓜接穗的耐鹽性（圖3）。另外，將南瓜Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白CmoNHX4超表達(dá)在黃瓜根系中能顯著提高黃瓜的耐鹽性（圖4）。該發(fā)根體系同樣適用于在根系細(xì)胞中進(jìn)行亞細(xì)胞定位和對(duì)根系進(jìn)行熒光染料染色觀(guān)察等細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)（圖4）。以上研究建立了適合葫蘆科不同嫁接組合的根系瞬時(shí)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，并將其成功應(yīng)用于瓜類(lèi)耐鹽基因的功能驗(yàn)證，為研究葫蘆科作物根系基因功能及砧穗互作提供了一種有效方法。

 

      華中農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝林學(xué)學(xué)院碩士研究生耿守玉、博士研究生Hamza Sohail和博士研究生曹海順為論文共同第一作者，我校園藝植物生物學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室別之龍教授和楊麗副教授為共同通訊作者。本研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、湖北省自然科學(xué)基金創(chuàng)新群體、中央高校基本科研專(zhuān)項(xiàng)資金和國(guó)家西甜瓜產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系等項(xiàng)目的資助。