近日，青岛农业大学张忠华/柴森团队在Journal of Integrative Plant Biology（影响因子9.3）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。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诱导型的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。
葫芦科作物是世界范围内广泛种植的园艺作物，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负作用，从而限制了其实际应用。
黄瓜外植体的单细胞转录组图谱
研究团队通过筛选发现，形态发生基因AtGRF5能显著提升葫芦科作物（黄瓜、甜瓜、南瓜）的遗传转化效率。形态学和细胞学观察发现，AtGRF5可增加黄瓜再生过程中愈伤组织的体积和潜在芽原基细胞的比例。进一步的时序转录组测序，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在再生过程中调控生长素信号通路相关基因的表达。利用单细胞转录组测序，研究团队揭示了黄瓜愈伤组织中细胞类型的异质性，并发现AtGRF5的过表达能促进生长素相关基因的表达，同时增加再生过程中的干细胞数量。随后通过DAP-seq和时空差异基因分析，研究人员鉴定出AtGRF5的关键下游靶基因CsIAA19，并证明AtGRF5通过抑制 CsIAA19促进再生。此外，为解决 AtGRF5 过表达导致的生长缺陷，团队开发了一种小型ABA诱导型表达系统。该系统在显著提升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导致的植株生长异常、畸形等负面影响。
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，显著提高了葫芦科作物的遗传转化效率，并揭示了AtGRF5调控干细胞数量进一步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，还深化了对作物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。
全文链接：
https://doi.org/10.1111/jipb.13912
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