毛竹未成熟胚离体再生过程。 亚林所供图

毛竹基因组测序已于2013年完成，通过多种组学手段挖掘出大量与重要经济性状相关的候选基因。但由于缺乏稳定的遗传转化体系，目前尚未有基因在毛竹体内得以验证。

近日，中国林业科学研究院亚热带林业研究所（以下简称亚林所）在毛竹遗传转化和基因编辑技术方面取得突破性进展，并在线发表于《植物科学前沿》（Frontiers in Plant Science）。该研究成果利用毛竹未成熟胚为外植体诱导愈伤组织和不定芽分化，建立了高效离体再生及遗传转化体系。在此基础上，通过启动子优化成功实现了CRISPR/Cas9技术在毛竹基因组中的精准编辑。

论文通讯作者、亚林所副研究员乔桂荣说，竹子是重要的森林资源之一，具有非常重要的生态、经济和文化价值。由于竹类植物特殊的开花生物学特性，很难通过有性杂交育种，主要依赖于自然变异选育新品种。

项目组在前期已建立了丛生竹代表竹种麻竹的花药培养体系，于2014年首次实现了麻竹转基因技术体系的建立和应用，并获得了全球首例竹子转基因中间试验许可。

“毛竹为散生竹代表竹种，在繁殖及生长习性方面与丛生竹中有所不同，其离体再生体系较丛生竹难度更大。”乔桂荣说，利用毛竹成熟胚可以诱导愈伤组织并分化出不定芽，但仍存在外植体灭菌困难、再生频率低等问题。

因此，建立高效的毛竹遗传转化和基因编辑体系，鉴定调控毛竹重要经济性状的基因功能，并利用转基因手段获得目的性状改良的新品种，在解析调控毛竹重要经济性状的分子机理、推进毛竹分子育种进程等方面具有重要意义。

论文共同第一作者、亚林所研究员卓仁英说，该研究成果利用毛竹未成熟胚为外植体，通过不同激素浓度组合处理，最终获得了愈伤组织诱导率和不定芽分化率分别超过60%和40%的最佳培养基。通过对遗传转化条件如抗生素筛选浓度、菌液侵染浓度、侵染时间和方式等进行优化，转化率可达5%左右。

研究还克隆了2个毛竹内源U3 SnRNA启动子，通过与水稻U3启动子比较分析，发现PeU3.1启动子驱动的sgRNA显示出更高的编辑效率，进而用于毛竹基因组编辑。研究以八氢番茄红素脱氢酶基因（PDS）为例，在四个拷贝序列中设计了保守sgRNA位点，结果显示85.7%的再生植株在该sgRNA位点发生了突变，主要以缺失突变为主，42.9%的再生植株为pds1pds2纯合突变体，表现为白化表型。

该研究建立了较高的毛竹离体再生体系，在毛竹遗传转化技术方面取得了突破性进展，成功将CRISPR/Cas9技术应用于毛竹并实现了精准编辑，将极大地推动毛竹基因功能研究及转基因育种研究进程。

该研究获得“十四五”国家重点研发计划和中国林业科学研究院基本科研业务费的资助。研究结果获得授权国家发明专利1件。（来源：中国科学报 李晨）

相关论文信息：https://doi.org/10.3389/fpls.2022.822022