植物的基因功能研究和遺傳改良都離不開遺傳轉(zhuǎn)化，在模式植物擬南芥中可以使用“滴花轉(zhuǎn)化”的方式輕松實現(xiàn)遺傳轉(zhuǎn)化，而大部分的作物中，例如小麥、水稻、玉米等都需要長時間的組織培養(yǎng)才能獲得遺傳轉(zhuǎn)化植株，效率較低。在小麥中通常以未成熟的幼胚為外植體，首先將帶有目的載體的農(nóng)桿菌與幼胚共培養(yǎng)，隨后誘導形成愈傷組織，然后分化長出新的植株。這其中的任何一環(huán)都會影響最終的遺傳轉(zhuǎn)化效率，例如外植體的取材窗口、農(nóng)桿菌侵染后引起細胞免疫反應、愈傷組織的異質(zhì)性、生根長芽的品種依賴性等等。

 

　　組織培養(yǎng)的過程是一個植株再生的過程，擬南芥中的研究表明，植物激素，特別是生長素和細胞分裂素能夠直接影響植物再生。此外在擬南芥中還鑒定到很多關鍵的轉(zhuǎn)錄因子和表觀調(diào)控因子參與再生過程。

 

　　為了更好地理解小麥的再生過程，探究其中的轉(zhuǎn)錄和染色質(zhì)動態(tài)變化，以及鑒定提高小麥轉(zhuǎn)化效率的新基因，中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所研究員肖軍團隊聯(lián)合山東農(nóng)業(yè)大學教授張憲省團隊利用RNA-seq、ATAC-seq、CUT&Tag等技術手段，通過多組學聯(lián)合分析的方式繪制了小麥再生過程的轉(zhuǎn)錄及染色質(zhì)動態(tài)圖譜，并搭建了一個順序的轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡，最終通過與擬南芥再生過程的比較分析鑒定出2個能提高小麥遺傳轉(zhuǎn)化效率的新因子。

 

　　研究人員以遺傳轉(zhuǎn)化效率最高的小麥品種Fielder作為材料，對其誘導0天、3天、6天、9天和12天的材料進行RNA-seq、ATAC-seq以及CUT&Tag（H3K27me3, H3K27ac, H3K4me3）建庫。通過聚類分析，研究發(fā)現(xiàn)小麥再生過程中存在著順序的基因表達，并且這種順序的基因表達與染色質(zhì)可及性高度相關。此外，H3K27me3的減少和H3K4me3的增加對于某些再生的關鍵基因在愈傷組織誘導后期的激活息息相關?；谛←溤偕^程中轉(zhuǎn)錄與染色質(zhì)可及性的高度相關，研究人員利用RNA-seq和ATAC-seq數(shù)據(jù)搭建了一個轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡，該網(wǎng)絡中不同聚類的基因之間存在順序的調(diào)控關系。研究從中鑒定到446個核心轉(zhuǎn)錄因子，并推測它們可能參與介導小麥遺傳轉(zhuǎn)化效率的品種差異。通過與擬南芥再生過程的比較分析，研究人員發(fā)現(xiàn)在愈傷組織早期被激活的轉(zhuǎn)錄因子家族存在差異。在小麥中最早被激活的為DOF和G2-like家族成員，而在擬南芥中最早被激活的為NAC和LBD家族成員。擬南芥中過表達NAC家族和LBD家族成員都能夠促進再生，因此研究人員在小麥中測試了2個DOF家族的轉(zhuǎn)錄因子。結果顯示，它們都能顯著提高小麥多個品種的愈傷組織誘導率和遺傳轉(zhuǎn)化效率，可以在小麥遺傳轉(zhuǎn)化過程中應用。

 

　　相關研究成果以Uncovering the transcriptional regulatory network involved in boosting wheat regeneration and transformation為題于近日在線發(fā)表于《自然-植物》（Nature Plants）。研究工作得到中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項、國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃和山東省自然科學基金重大基礎研究項目的資助。