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体外组织培养技术在小麦育种和遗传改良中的应用
摘要：过去，新的遗传变异来源仅限于现有的种质。小麦的基因组中存在各种农学性状，人们对此进行了广泛的研究。小麦染色体较大，多倍体基因组能够容忍染色体的增加或丢失，这促进了早期利用细胞遗传学技术进行小麦遗传学研究的快速发展。与此同时，小麦基因组较大，限制了以二倍体物种为重点的遗传表征研究的进展，目前已经开发出小型基因组和基因工程程序。如今，遗传转化和基因编辑程序为小麦育种提供了有吸引力的传统技术替代方案，因为它们允许将一个或多个基因引入或改变到优良品种中，而不会影响其遗传背景。最近，在再生各种植物组织方面取得了重大进展，为再生转基因植物提供了必要基础。此外，农杆菌介导、基因枪和植物内粒子轰击 (iPB) 基因传递程序已开发用于小麦转化和高级转基因小麦开发。因此，除了目前传统的改善性状价值的努力之外，现在还有几种有用的基因已被转移或将有助于转移到小麦中，例如对非生物和生物因素的抵抗力、谷物质量和植物结构。此外，植物内基因组编辑方法将极大地促进基因组编辑作物的社会实施，以创新育种渠道并利用独特的气候适应性。
由 CRISPR 介导的高效靶向诱变...
CRISPR-Cas 基因组编辑技术的最新进展使得在农作物中进行定点诱变和精确基因替换成为可能。CRISPR-Cas9 和 CRISPR-Cas12a 是两种主要且应用广泛的基因组编辑系统。然而，当 CRISPR-Cas12a 编辑机制从转基因中表达时，一些染色体靶标在玉米和大豆等重要作物中的编辑频率较低。本文，我们报告了一种有效的方法，即通过粒子轰击将 Cas12a-gRNA 核糖核蛋白复合物 (RNP) 递送到优良玉米品种的未成熟玉米胚中，直接生成基因组编辑系。通过将 Cas12a RNP 基因枪递送到未成熟胚中，在再生过程中未经任何选择，获得了约 7% 频率的基因组编辑系。令人惊讶的是，当 Cas12a RNP 与 PMI 选择标记基因盒共同递送并用甘露糖选择诱导愈伤组织培养物时，基因编辑率平均提高到 60%，在某些实验中甚至高达 100%。我们还表明，使用活性更高的 Cas12a 突变体可提高更难处理的靶序列的编辑效率。本文描述的进展为玉米的遗传改良提供了有用的工具。
转基因杨树抵抗森林害虫和病原体侵袭的概述
森林是巨大陆地生态系统和水生生物多样性的潜在栖息地，在生态保护和气候调节中发挥着重要作用。人类对森林的压力导致森林消失、破碎化和退化。在气候变化制度下，可持续的森林保护方法的要求是重中之重。在林木中，杨树 (Populus L.) 在全球林业中引起了关注，因为它是改善城市景观质量和数量的有前途的材料。这些植物提供的木材可用作造纸业的原材料和潜在的生物燃料来源。然而，一些生物胁迫，如害虫和病原体的侵袭，严重影响杨树的生产和生产力。由于杨树的生命周期长，缺乏具有抗性基因的合适供体，通过传统的树木育种方法对杨树的改良受到限制。由于杨树具有高效的遗传转化能力，它已被用作研究基因功能的模型植物。本综述将全面概述杨树受到的害虫和病原体的侵袭，重点介绍其感染机制、传播途径和控制策略。此外，还将研究最广泛使用的遗传转化方法（基因枪介导、农杆菌介导、原生质体转化、micro-RNA 介导和 micro-RNA 成簇的规律间隔短回文重复序列 (CRISPR) 相关 (CRISPR-Cas) 系统方法和 RNA 干扰），以提高杨树对害虫和病原体的耐受性。此外，还将深入探讨分子生物学工具的前景、挑战和最新进展，以及它们在遗传转化以提高杨树抗虫害能力的安全应用。最后，讨论了通过各种基因工程技术开发的抗性转基因杨树的再生。
简讯 通过同源定向修复实现小麦体内精准基因组编辑
通过同源定向修复 (HDR) 进行的基因组编辑 (GE) 可以最大程度地灵活地修改基因组。先前的基因打靶 (GT) 研究表明，将带有供体模板的 Cas9 或 Cas12a 表达盒通过基因枪递送到水稻愈伤组织中，可以使用 HDR 途径在靶位点进行精确替换或插入 (Li et al., 2016 , 2018 , 2019 ; Lu et al., 2020 )。其他研究小组还报告在玉米 (Svitashev et al., 2016 ) 和大麦 (Lawrenson et al., 2021 ) 中成功创建 GT 植物。然而，这些策略仅适用于适合细胞培养和再生的基因型。为了规避与细胞培养和再生相关的限制，我们最近开发了植物内粒子轰击 (iPB) 方法，该方法允许在小麦中进行基因型独立的基因组编辑 (Hamada 等人，2017 年；Liu 等人，2021 年)。iPB 方法利用茎尖分生组织 (SAM)，其中包含注定在花发育过程中发育成生殖细胞的表皮下层 (L2) 细胞。成功将 Cas9 核糖核蛋白 (RNP) 递送到 SAM 可促进基因组编辑的发生，并可遗传给下一代 (Kumagai 等人，2022 年)。由于 SAM 具有细胞分裂活跃的特点，许多细胞处于 HDR 的先决条件 G2/M 阶段，我们假设可以通过 iPB 方法将设计的供体 DNA 与 RNP 一起递送到小麦 SAM 中，实现基于 HDR 的 GT（图 1a）。
聚合物化学-RSC出版
物理和机械方法，例如电孔，22个超声，23磁化，24磁化，25个基因枪，26和微分注射，27将裸露的NAS驱动到细胞质或细胞核中，以实现成功的基因转移。尽管他们的潜力和科学家的注意力引起了人们的注意，但这些技术的局限性使它们在转移目的中的吸引力不如其他技术吸引力。的确，在体内使用时，它们通常会引起毒性，并且不是很有效。将NAS输送到细胞中的一种直截了当的方法依赖于使用基因输送载体（载体），该方法被归类为病毒和非病毒。工程的病毒载体，其中所述的治疗基因盒代替了部分病毒基因组的一部分，目前是基因治疗中最广泛使用的载体，由于它们的天然能力进入宿主细胞以产生高传递性效率。18,28,29虽然显着推进了基因治疗领域，但病毒载体也带有几种缺点，包括致癌，免疫原性，广泛的托波主义，有限的DNA包装能力以及矢量产生的挑战。30 - 33个非病毒基因递送（即，一个称为转染的过程）有望解决许多这些限制，尤其是在安全方面。例如，与病毒载体相比，合成的车辆通常具有较低的免疫原性，并且患者缺乏预先存在的免疫力，就像某些病毒系统一样。非病毒载体也这会导致人体更安全，更耐受性的非病毒载体，从而在需要长期治疗的情况下（例如慢性结合）的患者重复给药，而不会引起免疫学反应或毒性积累。
通过基因转化进行葡萄育种的新技术和策略
葡萄树和其他多年生木本植物一样，一直被认为是一种难以生产转基因植物的作物。由于生产转基因和/或编辑植物需要能够从转化组织再生植物，因此这一步骤通常是该过程中最大的瓶颈。本研究的目的是回顾葡萄树转化和再生改进的最新技术和策略，重点关注三个方面：（i）与葡萄树转化相关的问题；（ii）促进葡萄树再生的基因；（iii）基因传递载体。关于第一个方面，有充分的证据表明，获得转基因植物成功率低的主要因素之一是再生过程。转基因整合到受体细胞后，需要进行组织培养以从转化细胞再生转基因幼苗。这个过程很耗时，通常需要在培养基中添加对环境有害的试剂（抗生素和除草剂）来选择转基因植物。另一方面，可以使用诸如所谓的发育调节剂 (DR) 之类的基因的表达来诱导特定的发育程序，从而避免使用传统的组织培养方法。在体细胞中异位表达特定组合的 DR 有可能在包括葡萄在内的多种作物中诱导从头分生组织。据报道，通过在体组织中对植物分生组织进行从头重编程，可以成功进行基因组编辑。此外，研究表明，某些转录因子的表达可以提高小麦、柑橘和水稻的再生效率。最后，最近的报告显示，使用纳米粒子（例如碳点 (CD)）作为农杆菌和基因枪介导的植物遗传转化的有吸引力的替代品。通过这种方式，可以避免在培养基中使用抗生素，从而克服植物组织活力的丧失并加速再生过程。研究表明，CD 可作为载体将质粒运送到植物细胞中，在多种作物中实现瞬时转化，而不会对光合作用或生长产生负面影响。基于这些进展，有可能将这些新的可用策略和技术结合起来，以克服葡萄树等物种和其他被认为难以生长的作物的再生问题。
___________________________________________________________________________________________________ ++ 助理教授; # 博士研究生院
豆科作物对全球粮食安全和可持续农业至关重要，它们提供必需的植物蛋白质和氨基酸，同时通过共生固氮作用提高土壤肥力。尽管豆科作物具有营养和生态意义，但它们的生产仍面临诸多挑战，包括产量低、易受生物和非生物胁迫以及气候变化对水和土地资源的影响。解决这些问题需要创新的解决方案，将传统育种与尖端生物技术方法相结合。豆科作物改良的最新进展是通过现代育种和基因组编辑技术实现的，例如 CRISPR/Cas9、TALEN 和 ZFN，这些技术可以进行精确修改，以提高农艺性状的适用性和遗传潜力。尤其是 CRISPR/Cas9，它已成为豆科育种的有力工具，可促进靶向突变、基因敲除和基因表达调控。该综述讨论了其在包括大豆、豇豆、鹰嘴豆和花生在内的各种豆科植物中的应用，以改善性状，例如，CRISPR/Cas9 已被用于增加花生中的油酸含量并改善大豆的光周期开花。农杆菌介导方法和基因枪技术等转化方案的进步以及组织培养和表型分析技术的改进正在帮助克服这些挑战。尽管取得了重大进展，但豆科植物转化和再生方面的挑战仍然存在，但组织培养方案和高通量表型分析的最新改进提高了这些基因组编辑技术的效率。它还探讨了将基因组编辑技术与传统育种计划相结合以加速遗传增益和开发生物强化、气候适应性强的豆科植物品种的潜力。通过利用豆科植物中广泛的遗传多样性并采用先进的基因组学工具，研究人员可以创造不仅产量高而且营养丰富且环境可持续的作物。将基因组编辑技术与传统育种相结合，为开发高产、营养丰富、气候适应性强的豆科植物品种铺平了道路。关键词：豆科植物；生物技术；基因组编辑；CRISPR/Cas9；农杆菌介导