近日，北京市農(nóng)林科學(xué)院生物技術(shù)研究所玉米分子育種研究團(tuán)隊在國際知名植物學(xué)雜志Journal of Integrative Plant Biology（Top期刊，IF：7.06）在線發(fā)表題為“Efficient forbid genotype independent maize transformation using pollen transfected forbid DNA-coated magnetic nanoparticles”的研究論文（https://doi.org/10.1111/jipb.13263）。該研究詳細(xì)闡述了基于納米磁珠介導(dǎo)的不依賴基因型的玉米遺傳轉(zhuǎn)化方法，該方法借助納米磁珠將外源基因通過花粉萌發(fā)孔導(dǎo)入玉米花粉，然后經(jīng)人工授粉和自然結(jié)實過程，將外源基因轉(zhuǎn)入多種玉米自交系中，成功解決了玉米遺傳轉(zhuǎn)化過程中“依賴組培體系，嚴(yán)重受基因型限制”的瓶頸問題。該方法的成功也可作為其它植物開發(fā)花粉轉(zhuǎn)化體系的有力借鑒。

玉米作為我國第一大糧食作物，在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要的地位。全球主要轉(zhuǎn)基因作物中，轉(zhuǎn)基因玉米種植面積僅次于大豆位列第二，主要涉及性狀包括抗蟲、抗除草劑、抗旱等。目前全球玉米轉(zhuǎn)基因育種的主流方法是：基于植物組織培養(yǎng)體系，通過農(nóng)桿菌介導(dǎo)的方法進(jìn)行轉(zhuǎn)基因；然后進(jìn)行回交轉(zhuǎn)育，創(chuàng)制優(yōu)良轉(zhuǎn)基因玉米品種。但是該轉(zhuǎn)基因方法還存在一個比較大的缺陷：即依賴植物組培體系、受基因型限制、可用于高效轉(zhuǎn)化的玉米材料少，并且轉(zhuǎn)化成本高，嚴(yán)重限制了玉米品種精準(zhǔn)改良特別是基因編輯育種的效率。因此急需一種不依賴組培體系、不受基因型限制的玉米新型高效DNA導(dǎo)入方法。

玉米分子育種研究團(tuán)隊經(jīng)過多年不斷探索，建立了納米磁珠介導(dǎo)的不依賴基因型的玉米遺傳轉(zhuǎn)化方法，并成功解決了該遺傳轉(zhuǎn)化方法的兩個關(guān)鍵問題，使該轉(zhuǎn)化方法穩(wěn)定、高效。第一，花粉預(yù)處理及轉(zhuǎn)化的整個過程均在低溫（8℃）條件下進(jìn)行，保持了花粉的活力，為保證授粉后玉米的結(jié)實率提供了保障；第二，使用轉(zhuǎn)化液8℃條件下預(yù)處理花粉10分鐘，在保持花粉活力的前提下，大幅提高花粉萌發(fā)孔打開的效率（達(dá)到40-55%），為納米磁珠-DNA復(fù)合體高效進(jìn)入花粉提供了保障。該研究同時探明了溫室中種植的玉米材料，不能有效進(jìn)行花粉磁轉(zhuǎn)染轉(zhuǎn)化的根源：對溫室中種植玉米材料的上萬粒的花粉進(jìn)行了觀測，未能發(fā)現(xiàn)打開的萌發(fā)孔，因此在未做任何預(yù)處理的情況下，使用溫室種植的玉米材料的花粉，不能使用該方法完成玉米遺傳轉(zhuǎn)化。

該遺傳轉(zhuǎn)化方法已經(jīng)獲得國家發(fā)明專利授權(quán)：“一種不依賴于玉米基因型的DNA導(dǎo)入方法”（專利號：ZL201910623296.5）。同時研究團(tuán)隊還申報了一項國家發(fā)明專利“一種改良的玉米花粉磁轉(zhuǎn)染方法”（202111418727.8）。

圖1 納米磁珠介導(dǎo)的不依賴基因型的玉米遺傳轉(zhuǎn)化流程

A-B. 田間玉米花粉收集；C. 8℃條件下使用轉(zhuǎn)化液預(yù)處理（關(guān)鍵步驟）；D. 8℃條件下納米磁珠-DNA轉(zhuǎn)化花粉（關(guān)鍵步驟）；E-F. 花粉干燥；G-H. 授粉結(jié)實。

圖2花粉萌發(fā)孔的打開是外源基因成功導(dǎo)入花粉和幼胚的關(guān)鍵

A. 關(guān)閉狀態(tài)的花粉萌發(fā)孔；B. 打開狀態(tài)的花粉萌發(fā)孔；C-F. 以紅色熒光蛋白基因RFP為報告基因，檢測不同條件下花粉的轉(zhuǎn)化效率；G-H. 以GUS為報告基因檢測不同條件下，幼胚轉(zhuǎn)化效率。

北京市農(nóng)林科學(xué)院生物技術(shù)研究所博士后王作平和副研究員張中保博士為該論文的第一作者，吳忠義研究員和魏建華研究員為通訊作者。生物技術(shù)研究所張春副研究員、鄭登俞和首都師范大學(xué)于榮副教授也參與了該研究工作。美國馬里蘭大學(xué)Heven Sze教授在論文撰寫和語言凝練中給予指導(dǎo)。論文第一通訊單位為北京市農(nóng)林科學(xué)院。該研究得到了北京市科技計劃項目、北京市農(nóng)林科學(xué)院創(chuàng)新能力建設(shè)專項和北京市博士后基金的資助。