植物生物技术前沿：从毛状根再生到CRISPR编辑的创新突破

本专题聚焦植物离体生物学前沿，收录了2025年会议中关于植物遗传转化、基因编辑和再生技术的最新进展。研究人员针对克隆繁殖植物转化困难、转基因残留等问题，开发了RESET毛状根-茎转基因切除系统；利用形态发生转录因子（如WUS2/IPT）显著提高了大豆、高粱等作物的转化效率；报道了新型I-F型CRISPR系统（MmeCascade）实现千碱基级大片段缺失；并通过人工智能与多组学技术优化了器官发生和次生代谢产物生产。这些突破为作物精准育种提供了高效技术平台。

在作物改良和功能基因组学研究领域，高效、精准的遗传转化和基因编辑技术一直是科学家们追求的目标。然而，许多具有重要经济价值的植物物种，特别是多年生无性繁殖作物如林木和特色水果，仍然难以进行遗传转化。传统的组织培养再生方法往往耗时漫长、基因型依赖性强，且成功率低。此外，利用基因编辑技术改良作物时，编辑工具（如CRISPR/Cas系统）通常以稳定转基因的形式整合到植物基因组中。对于无性繁殖作物，无法通过有性杂交的后代分离来去除这些外源基因，这可能导致监管问题并限制其商业化应用。因此，开发能够产生无转基因残留的编辑植株，且适用于广泛物种的高效再生与转化系统，成为植物生物技术领域亟待突破的瓶颈。

为了应对这些挑战，研究人员在《In Vitro Cellular & Developmental Biology - Animal》2025年会议论文集中报告了一系列创新性研究。这些研究旨在开发新的技术平台，以简化转化流程、提高编辑效率，并最终获得无转基因的编辑植株。

本研究主要运用了几项关键技术：利用发根农杆菌（Agrobacterium rhizogenes）介导的毛状根诱导与再生技术；基于Cre-lox系统的可诱导转基因切除技术；利用形态发生转录因子（如WUSCHEL、BBM、GRF-GIF等）增强植物再生能力；新型CRISPR系统（如I-F型MmeCascade）的应用；以及农杆菌VirD2突变体策略以实现高瞬时转化效率但低稳定整合的基因编辑。部分研究还涉及人工智能辅助分析和多组学（转录组、蛋白组、代谢组）整合研究。

P-1000: RESET: 一种用于改良无性繁殖植物转化和清洁编辑的毛状根-茎转基因切除系统

Greg S. Goralogia及其同事开发了一套名为RESET的创新系统。该系统利用发根农杆菌诱导产生毛状根，并通过合成基因电路整合了毛状根rol基因、诱导型茎诱导基因（如WUSCHEL和ipt）以及位于T-DNA边界附近的Cre-lox切除系统。研究显示，在杨树中，42%的外植体成功诱导出毛状根。经过两周的热激脉冲处理（每天39°C 4小时），三分之二的外植体至少再生出一个茎，其中三分之一的外植体再生出超过10个茎。值得注意的是，三分之一的再生茎实现了转基因切除，并且几乎所有切除后的茎都在两个CRISPR/Cas9靶向基因的至少一个等位基因上显示出编辑痕迹。该系统为多种无性繁殖作物生成无CRISPR-Cas残留的编辑植株提供了高效方法。

P-1001: DA1-EOD1模块在生菜器官大小和采后品质调控中的双重作用

Tao Jiang的研究团队探索了通过调控DA1-EOD1模块的相互作用来改变生菜器官大小的潜力。他们通过CRISPR基因编辑技术构建了da1/eod1双突变体，并通过过表达构建了DA1ox株系。结果表明，da1/eod1双突变体表现出生长速率增加，叶片大小是对照植株的三倍，并显著延迟了叶片衰老，叶绿素含量更高。相反，DA1ox株系生长速率降低，叶片大小约为对照的三分之二，叶片衰老加速。这些大小变化归因于细胞扩张和增殖的改变。该研究为开发具有更高产量和更好采后品质的生菜品种提供了新思路。

P-1002: 通过遗传和转录组学方法揭示生菜种子萌发和开花时间的分子机制

C. D. Nguyen等人利用CRISPR/Cas9基因编辑、RNA干扰和过表达等技术，操纵了生菜中ABA-Hypersensitive Germination 1 (AHG1)、AHG3、DELAY OF GERMINATION 1 (DOG1)、miR156和miR172等关键调控因子。研究发现，lsahg1和lsahg3突变体表现出萌发显著延迟、ABA敏感性增加以及发育转换受损。DOG1沉默导致早花，而miR156过表达和miR172沉默强烈延迟开花。对lsahg3突变体的RNA测序分析揭示了参与ABA信号通路和种子休眠的差异表达基因，表明ABA感知和信号转导过程被打乱。这些发现为培育在高温度胁迫下具有改善萌发和延迟抽薹能力的气候适应性生菜品种奠定了基础。

P-1003: 定点生茎：通过伤口介导的发育调节因子级联反应推进植物体内转化、再生和基因编辑

Arjun Ojha Kshetry团队开发了一种无缝且用户友好的系统，通过在非分生组织的节间应用包含伤口诱导再生途径、植物发育调节因子和基因编辑试剂的合成级联反应，来诱导转基因和基因编辑的从头分生组织。该工具包已成功应用于本氏烟、番茄和大豆，为克服植物生物技术中的瓶颈提供了一种变革性方法，有望在不依赖传统组织培养中间步骤的情况下加速转基因和基因编辑植物的生成。

P-1006: 新型I-F型CRISPR系统在植物中实现以GC丰富PAM为靶点的千碱基级基因组缺失

Joshua Clem等人发现并测试了一种来自Methylomonas methanica的I-F型CRISPR系统（MmeCascade）。当在转基因水稻中表达时，含有独特Cas3-Cas2融合蛋白的MmeCascade能在两个含有GC丰富PAM（原型间隔序列邻近基序）的基因组靶位点产生数千碱基对的大规模缺失。这些缺失是双向的，并且编辑效率很高。该研究还配套使用了适配于牛津纳米孔DNA长片段测序的基因组编辑分析工具。这一新型系统使得在植物中高效实现大规模基因组扰动成为可能。

P-1013: 发育调节因子实现快速高效的大豆转化和CRISPR介导的基因组编辑

Anshu Alok团队开发了一种利用发育调节因子（DRs）促进从萌发胚直接再生茎的简化转化方法。WUSCHEL2 (WUS2) 和异戊烯基转移酶 (IPT) 的共表达在Williams 82和Bert品种中实现了15.2%至22.3%的转化效率，且无需外源激素或选择剂。转录组分析表明，WUS2/IPT协同调节应激反应并激活细胞再生通路。这种无激素、无选择的转化方法能在9-11周内快速获得转基因植株，并成功递送CRISPR-Cas9组件，产生了可遗传的突变，效率达20%。

P-1015: 利用农杆菌VirD2突变体进行无转基因基因组编辑

S. B. Gelvin团队开发了virD2突变农杆菌菌株，这些菌株能高效地瞬时转化并编辑拟南芥和本氏烟基因组（效率50-100%），但稳定转化水平极低。这些突变VirD2蛋白不与DNA聚合酶θ（一种对T-DNA整合重要的蛋白）相互作用。该技术为无转基因基因组编辑及理解T-DNA整合的分子过程提供了有力工具。

P-1022: 利用形态发生嵌合体GRF-GIF增强高粱转化以改善生物能源作物

A. J. Villacastin研究将小麦的GRF4和GIF1串联基因通过农杆菌介导转化导入高粱。稳定表达小麦GRF4和GIF1串联基因对高粱转化产生积极影响，再生能力最高提升48%。这为克服高粱遗传转化的主要障碍，开发改良高粱品种用于生物能源应用提供了新策略。

P-1025: BioMaas：快速生产无转基因CRISPR编辑作物的工作流程

Valentino Giarola团队开发了名为BioMaas的工作流程，旨在快速生产无转基因CRISPR编辑作物。该流程以原生质体作为标准平台，通过PEG（聚乙二醇）介导递送RNPs（核糖核蛋白）。利用基于MAD7的RNPs，在转染的原生质体中编辑效率达到70-95%。为了克服植物再生难题，该技术整合了多种策略，包括专有水凝胶配方用于原生质体包埋，以及高通量筛选以优化微愈伤组织形成和茎诱导条件。该流程已成功应用于超过17种不同作物。

综上所述，本系列研究在植物遗传转化和基因编辑技术领域取得了显著进展。通过开发新型再生系统（如RESET毛状根系统、形态发生转录因子辅助再生）、创新基因编辑工具（如I-F型CRISPR、RNP直接递送）以及探索减少转基因残留的策略（如Cre-lox切除、VirD2突变体），这些研究为解决植物生物技术中长期存在的瓶颈问题提供了多样化且高效的解决方案。特别是在扩大宿主范围、提高编辑效率、简化操作流程和确保生物安全性方面展现了巨大潜力。这些技术的成功应用和优化，将极大地加速作物精准育种进程，对保障粮食安全、开发新型生物能源作物以及推动农业可持续发展具有深远意义。然而，将这些技术广泛应用于更多难转化物种、进一步提高再生和编辑效率、确保其稳定性和安全性，仍是未来需要持续探索的方向。