科研进展│MIR396-GRF/GIF分子模块提高铁皮石斛再生效率

铁皮石斛（Dendrobium catenatum）是一种珍贵的传统中草药，属于兰科石斛属的多年生草本植物。它因其表皮常呈现铁绿色而得名。它在中国传统医学中有着悠久的应用历史，被誉为“九大仙草”之首，主要分布在安徽、浙江、福建、广西、四川和云南等地。

多年以来，包括铁皮石斛在内的兰科植物在分子育种上面临诸多挑战，如以农杆菌介导的遗传转化效率不高、操作繁琐等问题。兰花不仅种类繁多，而且每种基因型对遗传转化的响应各不相同，使得基因的转化工作既耗时又低效。更棘手的是，兰花有漫长的幼年期，阻碍了基因功能的研究。此外，作为单子叶植物，兰花相比双子叶植物而言，更难以通过农杆菌进行转化，因为后者是农杆菌的天然宿主。因此，寻找有效的兰科植物的转化与再生体系迫在眉睫。

    近日，深圳市兰科植物保护研究中心（兰科中心）科研人员及其合作者在BMC Genomics期刊在线发表了题为“MIR396-GRF/GIF enhances in planta shoot regeneration of Dendrobium catenatum”的研究论文，报道了MIR396-GRF/GIF分子调控模块增强铁皮石斛植株再生和遗传转化的研究。

    生长发育调节因子GRFs是植物特有的一类转录因子，在转录后水平受到miR396靶向调控，能够与其互作蛋白GIFs形成功能复合体。miR396-GRF/GIF分子模块被报道参与水稻、玉米、拟南芥、小麦等植物的分生组织分化、植株再生、遗传转化和植物生长发育等过程，但在兰花中的功能研究报道较少。

    为了提高铁皮石斛遗传转化效率，研究人员借鉴了在小麦、水稻、柑橘、西瓜等作物中利用小麦（Triticum aestivum）生长发育调节因子TaGRF4及其互作蛋白TaGIF1构成的人工嵌合蛋白（TaGRF4-GIF1）有效提高植株再生和基因编辑效率的方法，文章首先在铁皮石斛全基因组范围内鉴定获得与TaGRF4和TaGIF1蛋白序列高度相似的DcGRF4和DcGIF1。经分析发现，DcGRF4的序列上含有miR396的结合位点，暗示DcGRF4可能在转录后水平受到miR396的靶向负调控。

    基于此，科研人员进一步克隆了相关基因并构建了含有TaGRF4-GIF1、DcGRF4-GIF1，突变形式的mTaGRF4-GIF1、mDcGRF4-GIF1，以及miR396的靶标模拟物MIM396的植物双元表达载体（AB）。此外，研究人员还尝试了一种铁皮石斛在体转化技术，将携带有上述载体的农杆菌注射到铁皮石斛茎段伤口处，直接诱导芽体再生。经过观察统计，发现GRF4-GIF1和MIM396等转化植株比空载体对照的芽体再生效率显著提高，且再生芽体中转基因阳性率也大幅提升（CD）。有趣的是，MIM396再生植株的株型及叶片比对照更大（E），与miR396-GRF/GIF分子模块对生长发育的调控作用相符。此外，文章发现培养瓶中丰富的营养及潮湿的环境有利于GRF4-GIF1发挥芽体再生调控作用（FGH）。

    总之，该研究在铁皮石斛中发掘并应用了一类生长调节因子GRFs，充分发挥了其在植株再生、转化和生长中的调控作用，对加快铁皮石斛以及兰科植物的分子育种工作具有促进作用。

    深圳市兰科植物保护研究中心王志才副研究员、王美娜副教授、上海师范大学明凤教授为本论文通讯作者，兰科中心和上海师范大学联合培养博士生杨振宇和兰科中心助理工程师赵美丽为本论文共同第一作者。兰科中心与新疆农业大学联合培养已毕业硕士研究生张晓捷、新疆农业大学谷丽丽副教授，兰科中心李健博士也参与了此项工作。本研究得到了深圳市科技计划面上项目和深圳市可持续发展项目的支持。

    论文链接：https://doi.org/10.1186/s12864-024-10360-9

    文图丨杨振宇

    审核丨陈建兵 王美娜