2025年4月11日，青島農(nóng)業(yè)大學(xué)張忠華/柴森團隊在Journal of Integrative Plant Biology（影響因子9.3）在線發(fā)表了題為“Enhancing Genetic Transformation Efficiency in Cucurbit Crops Through AtGRF5 Overexpression: Mechanistic Insights and Applications”的研究論文。該研究利用單細胞轉(zhuǎn)錄組測序、時序轉(zhuǎn)錄分析并結(jié)合生化實驗，揭示了AtGRF5通過抑制CsIAA19調(diào)控生長素信號通路，從而促進遺傳轉(zhuǎn)化的分子機制。在此基礎(chǔ)上，團隊開發(fā)了一種ABA誘導(dǎo)型的AtGRF5轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，顯著提升了葫蘆科作物（包括黃瓜、甜瓜和南瓜）的遺傳轉(zhuǎn)化效率，同時有效減少了形態(tài)發(fā)生基因的負作用。
葫蘆科作物是世界范圍內(nèi)廣泛種植的園藝作物，具有重要的經(jīng)濟價值。然而，遺傳轉(zhuǎn)化效率低下以及對基因型的高度依賴性長期以來制約了其分子育種的進程。近年來，形態(tài)發(fā)生基因在提升作物轉(zhuǎn)化效率方面發(fā)揮了重要作用，但其作用機制尚未完全闡明。此外，這些基因的過量表達往往會導(dǎo)致植株畸形和育性下降等負作用，從而限制了其實際應(yīng)用。
黃瓜外植體的單細胞轉(zhuǎn)錄組圖譜
研究團隊通過篩選發(fā)現(xiàn)，形態(tài)發(fā)生基因AtGRF5能顯著提升葫蘆科作物（黃瓜、甜瓜、南瓜）的遺傳轉(zhuǎn)化效率。形態(tài)學(xué)和細胞學(xué)觀察發(fā)現(xiàn)，AtGRF5可增加黃瓜再生過程中愈傷組織的體積和潛在芽原基細胞的比例。進一步的時序轉(zhuǎn)錄組測序，系統(tǒng)分析了葫蘆科作物器官從頭再生（一步法）的時期及其基因表達特性，并發(fā)現(xiàn)AtGRF5在再生過程中調(diào)控生長素信號通路相關(guān)基因的表達。利用單細胞轉(zhuǎn)錄組測序，研究團隊揭示了黃瓜愈傷組織中細胞類型的異質(zhì)性，并發(fā)現(xiàn)AtGRF5的過表達能促進生長素相關(guān)基因的表達，同時增加再生過程中的干細胞數(shù)量。隨后通過DAP-seq和時空差異基因分析，研究人員鑒定出AtGRF5的關(guān)鍵下游靶基因CsIAA19，并證明AtGRF5通過抑制CsIAA19促進再生。此外，為解決AtGRF5過表達導(dǎo)致的生長缺陷，團隊開發(fā)了一種小型ABA誘導(dǎo)型表達系統(tǒng)。該系統(tǒng)在顯著提升葫蘆科作物遺傳轉(zhuǎn)化效率的同時，有效降低了形態(tài)發(fā)生基因?qū)е碌闹仓晟L異常、畸形等負面影響。
AtGRF5在葫蘆科作物遺傳轉(zhuǎn)化和基因編輯中的應(yīng)用
該研究通過AtGRF5的精準調(diào)控，顯著提高了葫蘆科作物的遺傳轉(zhuǎn)化效率，并揭示了AtGRF5調(diào)控干細胞數(shù)量進一步提升遺傳轉(zhuǎn)化效率的分子機制。這一成果不僅為葫蘆科作物的遺傳改良提供了理論支撐，還深化了對作物一步法再生機制的理解，為植物生物技術(shù)的應(yīng)用提供了新的方法。青島農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院在讀博士研究生李陽、王鬧鬧、馮敬，以及青年教師劉悅為該論文的共同第一作者。張忠華教授和柴森副教授為論文共同通訊作者。團隊呂丙盛教授、劉小鳳副教授、青年教師徐奎鵬、張慧敏，以及中國農(nóng)科院蔬菜花卉研究所孫進京研究員等參與了該項工作。感謝在本項工作研究中提供支持的合作者。該研究得到了國家自然科學(xué)基金、山東省人民政府“泰山學(xué)者”基金及山東省自然科學(xué)基金的資助支持。
全文鏈接：
https://www.jipb.net/EN/10.1111/jipb.13912
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