葫芦科作物是一类重要的园艺作物，具有重要的经济价值。然而，遗传转化效率低下以及对基因型的高度依赖性长期以来制约了其分子育种的进程。近年来，形态发生基因在提升作物转化效率方面发挥了重要作用，但其作用机制尚未完全阐明。此外，这些基因的过量表达往往会导致植株畸形和育性下降等副作用，从而限制了其实际应用。
近日，青岛农业大学张忠华/柴森团队在JIPB在线发表了题为“Enhancing Genetic Transformation Efficiency in Cucurbit Crops Through AtGRF5 Overexpression: Mechanistic Insights and Applications”的研究论文 (https://doi.org/10.1111/jipb.13912)。该研究利用单细胞转录组测序、时序转录分析并结合生化实验，揭示了AtGRF5通过抑制CsIAA19调控生长素信号通路，从而促进遗传转化的分子机制。在此基础上，团队开发了一种ABA诱导型AtGRF5转化系统，显著提升了葫芦科作物 (包括黄瓜、甜瓜和南瓜) 的遗传转化效率，同时有效减少了形态发生基因的负作用。
研究团队首先通过筛选发现，形态发生基因AtGRF5在提升葫芦科作物 (黄瓜、甜瓜和南瓜) 的遗传转化效率方面具有显著优势。通过形态学和细胞学观察发现，AtGRF5显著增加了黄瓜再生过程中愈伤组织的体积和致密细胞 (潜在的芽原基细胞) 的比例。随后，结合时序转录组分析，研究团队根据特征基因的表达模式，系统分析了葫芦科作物器官从头再生 (一步法) 的时期及其基因表达特性，并发现AtGRF5在再生过程中显著影响了生长素信号途径相关基因的表达 (图1)。
图1. 黄瓜器官从头再生的时序转录组分析
研究团队进一步利用单细胞转录组测序技术构建了黄瓜再生建立过程中的基因表达图谱，并揭示了愈伤组织中细胞类型的异质性。通过重聚类和轨迹分析，研究人员发现AtGRF5的过表达能够在黄瓜器官从头再生过程中促进生长素相关基因的表达，并增加再生中干细胞的数量 (图2)。
图2. 黄瓜外植体的单细胞转录组图谱
随后通过DAP-seq结合时空差异基因表达分析，研究人员在AtGRF5的关键下游靶基因中鉴定到生长素信号通路的负调控因子CsIAA19。实验表明，在过表达AtGRF5的外植体中回补CsIAA19可以抑制愈伤组织的扩增和再生能力的增强，从而证明AtGRF5通过抑制CsIAA19促进黄瓜再生。此外，针对AtGRF5过表达引起的生长缺陷，研究团队开发了一种小型的ABA诱导型AtGRF5表达系统。该系统在显著提升不同葫芦科作物遗传转化效率的同时，有效降低了形态发生基因的负面影响 (图3)。
图3. AtGRF5在葫芦科作物遗传转化和基因编辑中的应用
该研究通过AtGRF5的精准调控，显著提高了瓜类作物的遗传转化效率，并揭示了AtGRF5调控干细胞及提升遗传转化效率的分子机制。这一成果不仅为葫芦科作物的遗传改良提供了理论支撑，还深化了对一步法再生机制的理解，为植物生物技术的应用提供了新的方法。
青岛农业大学园艺学院在读博士研究生李阳、王闹闹、冯敬，以及青年教师刘悦为该论文的共同第一作者。张忠华教授和柴森副教授为论文共同通讯作者。团队吕丙盛教授、刘小凤副教授、青年教师徐奎鹏、张慧敏，以及中国农科院蔬菜花卉研究所孙进京研究员等参与了该项工作。感谢在本项工作研究中提供支持的合作者。该研究得到了国家自然科学基金、山东省人民政府“泰山学者”基金及山东省自然科学基金的资助支持。
文章引用：Li, Y., Wang, N., Feng, J., Liu, Y., Wang, H., Deng, S., Dong, W., Liu, X., Lv, B., Sun, J., et al. (2025). Enhancing genetic transformation efficiency in cucurbit crops through AtGRF5 overexpression: Mechanistic insights and applications. J. Integr. Plant Biol. https://doi.org/10.1111/jipb.13912
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