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社论：植物转化
植物转化为许多基础研究提供了重要工具，例如基因功能和相互作用、蛋白质-蛋白质相互作用、发育过程的研究，以及作物改良和开发用于生产疫苗的植物生物反应器的应用。高效且可重复的转化技术不仅对转基因植物的开发至关重要，而且对瞬时基因表达研究和基因编辑等其他应用也至关重要。农杆菌于 1907 年首次被确认为冠瘿病的病原体。负责肿瘤诱导的细菌因子在 70 年代被描述：一种称为 Ti 质粒的 DNA 质粒，由 Zaenen 等人 (1974) 描述。利用转座子诱变技术分离质粒 Ti 的功能区，确定了两个主要区域：（1）Ti 质粒的一段，称为 T-DNA，它被转移到植物细胞中并整合到植物基因组中，（2）一个毒力区，它提供 T-DNA 转移所需的所有功能（详情见 Gelvin，2000 年）。通过去除负责肿瘤诱导的基因并用显性选择标记取而代之，对 Ti 质粒进行了工程改造，以产生转基因植物（Herrera-Estrella 等人，1983 年；Zambryski 等人，1983 年；De Block 等人，1984 年）。据报道，左右边界的两个重复 25 bp 序列对于 T-DNA 的转移至关重要（Wang 等人，1984 年）。在 T-DNA 整合到植物基因组的复杂过程中，有时边界 T-DNA 序列不被认为是限制性的，载体也会被整合，特别是在左边界的情况下。为了降低不需要的骨架载体 DNA 片段的整合频率，Sahab 和 Taylor 加入了多个左边界重复序列。分子分析证实，当在三种不同的转化系统中测试三重左边界时，载体序列整合减少了 2 倍，包括木薯转化。尽管第一批转基因植物是在 80 年代初产生的，但并不是所有的植物物种都像模型物种一样容易转化，尤其是一些具有经济价值的作物物种。一些植物仍然被认为难以转化或难以转化。几乎每种植物都有一种特定的转化方案，这些方案多年来一直在缓慢发展，除了已发表论文的方法论部分外，在过去的二十年里没有更新过。修改了协议以促进基因编辑等新育种技术的发展，一些最新的方法改进包括突破性进展，如使用发育调节基因和组织培养独立的基因编辑协议。本研究主题提供了一系列关于不同作物植物转化和基因编辑的最新进展的评论和原创研究文章。下面我们简要介绍原始论文和整合此研究主题的评论。玉米可能是迄今为止转基因商业性状最多的作物品种，也是许多新品种的来源。
植物基因编辑不再需要组织培养
植物基因编辑可对植物进行有针对性的改造，在作物的基因功能分析和精准育种方面显示出巨大的潜力[1]。要生产基因编辑植物，需要将基因编辑试剂[2]（例如 CRISPR/Cas9 成分）递送到植物细胞中。这涉及一个漫长、昂贵且劳动密集型的组织培养步骤，而且目前仅在有限数量的植物物种中可行，这成为植物基因编辑的主要瓶颈。在最近一期的《自然生物技术》上，由 Daniel F. Voytas 领导的明尼苏达大学研究小组描述了一种生产基因编辑植物的新方法，同时避免了组织培养的需要（图 1）[3]。该方法利用了分生组织的从头诱导。分化的植物细胞通常不能分裂或产生不同类型的细胞。然而，之前的研究表明，通过异位表达特定的发育调节因子，可以诱导已经分化的细胞形成分生组织。分生组织是包含未分化干细胞（分生细胞）的植物组织，这些干细胞能够进行细胞分裂，并能产生各种组织和器官。例如，在拟南芥中，WUSCHEL ( WUS ) 基因在胚胎发生中起着关键作用，过表达 WUS 可以促进营养生长向胚胎生长的转变 [ 4 ] 。SHOOT MERISTEMLESS ( STM ) 和 WUS 的联合异位表达可激活拟南芥中的一组分生组织功能，包括细胞分裂和器官发生 [ 5 ] 。 ipt 基因位于土壤细菌农杆菌的 Ti 质粒上，该基因编码异戊烯基转移酶，这种酶在植物中诱导细胞分裂素的生物合成，从而刺激器官发生[6]。在单子叶植物中，婴儿潮基因（Bbm）和 WUS 基因的过度表达可促进体细胞形成胚胎，从而提高转化效率[7]。Voytas 研究小组假设分生组织可以在发育调节因子的帮助下诱导。为了验证这一想法，使用多种启动子以不同的组合在本氏烟植物中表达了玉米 WUS2、拟南芥 STM、农杆菌 ipt 和其他发育调节因子。农杆菌用于传递转基因，并以荧光素酶作为报告基因。形成了分生组织状结构，这些结构长成具有荧光素酶表达的转基因植物，并且发现该特性是可遗传的。然后，使用相同的方法，将针对两个测试基因的单个向导 RNA (sgRNA) 与成功组合的发育调节剂一起引入组成性表达 Cas9 的转基因本氏烟叶中。在产生的芽中，可以验证目标基因的编辑，并且发现突变会传递给下一代。随后出现了一个问题，即在土壤中生长的植物上是否也能诱导分生组织。这种方法确实在许多双子叶植物中被证明是成功的，除了本氏烟草，在马铃薯和葡萄中也是如此。此外，还产生了基因编辑的本氏烟草植物，并且发现一些编辑过的植物不含有用于编辑的转基因。从头分生组织诱导方法被称为 Fast-TrACC（快速处理的农杆菌共培养），与传统的组织培养程序相比具有明显的优势（图 1）。首先，它大大缩短了生产基因编辑植物所需的时间，从几个月缩短到几周。其次，Fast-TrACC 不需要无菌条件，并且适用于在土壤中生长的植物。组织培养方法要求使用无菌工作台和无菌培养基，因此无组织培养方法需要的资源更少，并且适用于较小的群体。第三，当 Cas9 与 sgRNA 一起递送时，在某些情况下会产生基因编辑植物
从无DNA的植物再生葡萄藤原生质体Simone scintilla 1*，Umberto salvagnin 1，Lisa Giacomelli 2，Tieme Zeilmaker 2，
从无DNA编辑的葡萄藤原生质体中的植物再生Simone scintilla 1*，Umberto salvagnin 1，Lisa Giacomelli 2，Tieme Zeilmaker 2，Mickael A. Mickael A. Malnoy A. Malnoy 1，Jeroen Rouppe Van der Voort 2，Claudio Moser 1。1果实作物，研究与创新中心的基因组学和生物学系，E. Mach 1，I-38010，San Michele A/Adige（TN）意大利； 2 Enza Zaden，Haling 1-E，1602 dB，Enkhuizen，荷兰。*通讯作者：Simone Scintilla博士（Simone.scintilla@unitn.it）。抽象的CRISPR-CAS技术已广泛扩展了植物育种中基因组编辑的应用领域，从而使遗传库中可能的特定和最小突变。关于标准基因组编辑技术，可以以核糖核蛋白（RNP）的形式引入CRISPR-CAS机械，从而避免将外源性DNA引入细胞中。对将无DNA递送到植物细胞中应用中的兴趣不断增加，尤其是在有价值的木本植物精英品种的情况下，CRISPR-CAS9技术将保留其基因型，同时仍导致靶向遗传修饰。通过确保CRISPR-CAS DNA-RNP作为RNP的无效递送，并且由于单个编辑的单元将不存在嵌合体，因此，使用CRISPR-CAS DNA-无需递送，非常适合新育种技术的需求。然而，通常通过低编辑效率和不成功的再生过程来阻碍木质植物中原生质体的细胞培养。深红色的L.胚胎愈伤组织。此策略符合无DNA策略要求。我们在这里描述了一种成功的无DNA方法，以获得完全编辑的葡萄植物，该方法是从V. vinifera cv获得的原生质体中再生的。在浓霉敏感性基因VVDMR6-2上编辑了转染的原生质体。再生的编辑植物表现出1bp或2bp的纯合缺失，以及1BP的纯合插入。引言基因组编辑技术允许以高度精确度修改细胞DNA。尤其是随着CRISPR-CAS9的出现（群集定期间隔短的短质重复 - CAS9）技术，基因组编辑的应用领域已被广泛扩展。该系统基于通过互补的RNA序列和CAS核酸酶介导的DNA双链破裂对DNA编辑位点的识别，这使得插入，缺失，甚至仅仅使一个核苷酸的修饰成为可能。因此，尤其是在木质植物遗传改善的情况下（例如葡萄藤或苹果）精英品种，CRISPR-CAS9技术可确保其基因型保存，同时导致靶向遗传修饰。CRISPR-CAS成分可以以核酸的形式引入细胞内（即DNA/mRNA编码整个系统），或以核糖核蛋白（RNP）复合物的形式进行编码。虽然DNA可以整合到基因组中，而mRNA受其内在不稳定性的影响，但RNP的直接细胞递送打开了有吸引力的场景，因为它有可能体现出强大的方法论，导致特定而最小的突变，而没有外源性DNA的痕迹（Woo等，2015）。从这种角度来看，与经典的转基因生物相比，对植物的应用兴趣可能会更好地接受消费者（Saleh等，2021）。到目前为止，已经提出了三种主要策略将CRISPR-CAS系统输送到植物细胞中。1）使用工程化的农杆菌，可以轻松克服植物细胞壁。然而，该策略采用外源质粒DNA，这些DNA含有农杆菌的DNA部分，在转化后，该策略在细胞DNA中积分为细胞DNA。对于木本植物，外源性DNA只能通过杂交去除，从而导致遗传背景的变化。成功地应用于包括木本植物在内的许多农作物的替代方法，包括T-DNA的分子切除（Dalla Costa等，2020），几乎完全去除外源性DNA。但是，剩余的最小残留外国DNA可能与许多国家的当前严格转基因生物法规不相容。2）粒子轰击使用装有生物材料的纳米颗粒子弹来射击植物组织，从而超过了细胞壁垒，并释放了纳米颗粒装载的生物货物以诱导基因组编辑。尽管如此，各种物理参数严重影响了这种方法的效率。，并非所有细胞都会被子弹击中，因此下游再生过程可能会引起嵌合植物。3）替代解决方案是暂时清除细胞壁，有效地将生物材料递送到单个细胞中。根据此策略，细胞壁是酶法消化的，因此提供了一个“裸”植物细胞（即原生质体）由质膜界定。在有利的条件下，可以通过PEG浸润，电穿孔或LiPofection轻松实现RNP的细胞递送。2-3天后，恢复了细胞壁，进一步的细胞划分