白菜類蔬菜原產中國，是一種世界性的蔬菜作物，其富含礦物質、膳食纖維、維生素，對調節人體酸堿平衡、新陳代謝及預防疾病具有重要作用，深受人們喜愛。白菜的遺傳轉化效率低下，已成為嚴重制約其基因挖掘和功能研究的一大障礙。近些年來，生長發育調控因子極大地提高了其他物種的遺傳轉化效率。同時，發根農桿菌高效的侵染效率為改良白菜的遺傳轉化提供了新的思路。

近日，南京農業大學白菜系統生物學實驗室在Plant Physiology雜志發表了題為“Efficient genetic transformation and gene editing of Chinese cabbage mediated by Agrobacterium rhizogenes”的研究論文。該研究利用了發根農桿菌介導共表達ZmWUS2-IPT-AtPLT5三個基因，結合可視化標記RUBY的篩選和CRISPR/Cas9系統，成功地在白菜中建立了一種無基因型限制的、簡單高效的遺傳轉化和基因編輯系統，無需使用根癌農桿菌進行轉化或激素進行芽再生。從種子萌發到愈傷組織誘導、芽再生和生根的整個過程可以在3個月內完成。這種轉化方法可以克服白菜品種遺傳轉化的基因型依賴性，為白菜及蕓薹屬蔬菜作物的功能基因組學研究、基因編輯和種質創新提供了底盤技術。

該研究首先以不結球白菜品種‘四九菜心’為實驗材料，含有ZmWUS2-IPT-AtPLT5和RUBY過表達載體的發根農桿菌（K599）侵染發芽5-6天的帶子葉下胚軸，15-25天后在侵染部位長出根和愈傷，把帶芽的紅色愈傷繼代培養，獲得了紅色陽性轉基因植株，帶有紅色皺葉和多分枝表型，并且可以正常授粉和結籽，轉化效率可達20.48%。研究人員進一步在更多的白菜材料，包括用傳統方法難以轉化的材料中測試該系統。令人欣喜的是，所有供試材料都在ZmWUS2-IPT-AtPLT5的作用下實現了遺傳轉化，轉化效率在3.31%-15.55%。這些供試材料中包括白菜參考基因組材料NHCC001（蘇州青，不結球白菜）和Chiifu（大白菜）以及多個用于育種的優良自交系。

研究者也將ZmWUS2-IPT-AtPLT5和CRIPSR/Cas9基因編輯系統整合到一起，并成功在白菜中實現了高效的基因編輯。通過對Phytoene Desaturase（PDS）基因的敲除，成功獲得了白化植株，利用PCR和Sanger測序來確認白化再生植株的基因編輯，發現大多數突變由替換、短插入或缺失組成，證實了新開發的白菜遺傳轉化方法用于基因編輯的可行性。

南京農業大學園藝學院碩士生王耀龍為該論文的第一作者。南京農業大學白菜系統生物學實驗室張昌偉副教授、侯喜林教授和北卡羅萊納州立大學劉武生教授為該論文的共同通訊作者。南京農業大學園藝學院李英教授、劉同坤教授、吳寒副教授、王燕副教授、肖棟博士和王文龍、陳曉山、高瞻遠、徐歡歡等研究生，上海農業科學院園藝研究所楊學東副研究員和南京蘇曼等離子工程研究院有限公司的科研人員也參與了該項工作。該研究得到了國家重點研發計劃子課題（2022YFD1200502）、江蘇省種業振興“揭榜掛帥”項目（JBGS[2021]064）、江蘇高校優勢學科建設工程項目和the Hatch project 02685 from the U.S. Department of Agriculture National Institute of Food and Agriculture的資助。該技術已申請國家發明專利，申請號：2024105625686。

文章鏈接：https://doi.org/10.1093/plphys/kiae543