植物组织培养（组培）自150年前被发明以来，一直是植物扩繁的重要技术手段。近几十年来，组培还被应用于植物转基因或基因编辑【1】。大部分植物的遗传转化是通过组培诱导含有转基因的细胞形成分生组织，继而再诱导成再生苗。但是这种方法往往效率低，需要大量时间，只在部分物种或者基因型中有效，并且会导致未知的基因组改变【2】。因此组培已经成为限制大部分植物遗传转化的重要瓶颈。
植物的分生组织身份是由几个主要的发育调控因子（developmental regulators, DRs）所决定的。在拟南芥中，这些DRs主要包括WUSCHEL（WUS）、SHOOT MERISTEMLESS（STM）及 MONOPTEROS（MP）【3】。利用植物细胞具有全能性，可经过脱分化及再分化后转变为其他类型的细胞的特点，在叶片细胞中异源表达特异的DRs可以改变细胞发育命运，重新诱导分生组织产生【4】。这种方式获得的分生组织具有应用于植物遗传转化的潜力，从而避开传统的组织培养方法。
近日，美国明尼苏达大学Daniel F. Voytas教授团队在植物中同时表达DRs 和基因编辑元件，通过重新诱导的分生组织，不经过组培便获得了可以稳定遗传的转基因和基因编辑植物。相关结果以Plant gene editing through de novo induction of meristems发表于杂志NATURE BIOTECHNOLOGY 上。
该研究主要以烟草为实验材料，通过Fast-TrACC方法利用农杆菌来侵染烟草幼苗。研究者发现表达Wus2与STM的组合或者Wus2 与ipt的组合诱导分生组织的效率最高。烟草子叶中DRs高表达的区域会形成愈伤组织状的增殖体，这些增殖体大部分不分化，少部分会分化形成分生组织产生茎及小叶，进一步通过生根培养可以使这些芽状增殖体形成完整植株。这些植株后代大部分可以检测到报告基因luciferase的表达。说明通过这种方法获得的转基因事件可以稳定传代。研究者同时也验证了这种方法在番茄中的有效性。
随后，研究者将含有DRs和一个sgRNA表达单元的T-DNA共转烟草。此处的烟草本身含有Cas9转基因，可以组成型表达Cas9蛋白。该sgRNA同时靶定烟草的两个八氢番茄红素去饱和酶基因（phytoene desaturase, PDS），完全敲除PDS会产生白化表型。在获得的再生芽中，15%表现白化，白化芽的两个PDS基因都被纯合编辑，这些白化芽不能正常结种。还有18%的再生芽中PDS被部分编辑了，仍保持绿色，说明PDS是以杂合或者嵌合的编辑形式存在。在这些植株的后代中出现了三种表型：白化，绿色以及白绿嵌合形式。说明这种方式产生的基因编辑顺利地传给了子代。
图1：异位表达DRs诱导分生组织
上部分结果主要以无菌培养的烟草幼苗为材料，研究者进一步验证了这种方法在含菌的土生烟草植株中的有效性。研究者将土生烟草的地上分生组织全部去除后，用含有DRs和PDS sgRNA的农杆菌侵染切口部位。最终获得了6-10%的可以稳定遗传的基因编辑后代，并且在部分基因编辑后代中已经检测不到外源转基因的插入。
图2：在土生植物中诱导基因编辑的芽
综上所述，本研究通过同时表达DRs 以及基因编辑元件有效地产生了稳定的转基因及基因编辑植物，打破了组织培养造成的植物遗传转化的瓶颈，具有重要的理论研究和实际应用价值。
参考文献：
[1] Altpeter, F. et al. Advancing crop transformation in the era of genome editing. Plant Cell 28, 1510–1520 (2016).
[2] Phillips, R. L., Kaeppler, S. M. & Olhof, P. Genetic instability of plant tissue cultures: breakdown of normal controls. Proc. Natl Acad. Sci. USA 91, 5222–5226 (1994).
[3] Barton, M. K. Twenty years on: the inner workings of the shoot apical meristem, a developmental dynamo. Dev. Biol. 341, 95–113 (2010).
[4] Gallois, J.-L., Woodward, C., Reddy, G. V. & Sablowski, R. Combined SHOOT MERISTEMLESS and WUSCHEL trigger ectopic organogenesis in Arabidopsis. Development 129, 3207–3217 (2002).
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41587-019-0337-2
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