植物生物技术重大突破：合成转录级联系统实现多物种原位茎芽再生与基因编辑

作者及机构
本研究由美国德克萨斯理工大学植物与土壤科学系的Arjun Ojha Kshetry、Kaushik Ghose等领衔，联合明尼苏达大学、墨西哥国立理工学院等团队合作完成，成果于2025年11月发表在*Molecular Plant*期刊（DOI: 10.1016/j.molp.2025.09.017）。

学术背景
传统植物转基因和基因编辑技术依赖繁琐的离体（in vitro）再生流程，且受限于物种、基因型及外植体的再生能力差异。为解决这一瓶颈，研究团队基于植物伤口响应通路与发育调控因子（developmental regulators, DRs）的协同作用，设计了一种合成转录级联系统（synthetic transcription cascade），旨在实现原位（in planta）茎芽再生，规避传统组织培养的局限性。该研究以伤口诱导去分化因子WIND1（wound induced dedifferentiation 1）为核心，通过其调控的ESR1（enhancer of shoot regeneration 1）启动子驱动细胞分裂素合成基因IPT（isopentenyl transferase）的表达，从而在非分生组织（如烟草茎节）中诱导茎芽再生与基因编辑。

研究方法与流程
1. WIND1-ESR1级联验证
- 实验对象：烟草（*Nicotiana benthamiana*）茎节与叶柄外植体。
- 载体构建：设计3种对照载体（Ruby-empty、ESR-Ruby、WE-Ruby），通过农杆菌（*Agrobacterium*）转化验证WIND1对ESR1启动子的激活作用。
- 关键发现：WIND1过表达使愈伤组织面积增加3-4倍（激素游离MS培养基），证实其通过ESR1启动子驱动下游基因的能力。

1. 原位再生与基因编辑

   • 策略优化：在1月龄烟草植株的茎节（非分生组织）注射含WIND1-ESR1:IPT（WEIPT）的农杆菌，测试3种注射位点（多节段注射、近顶端注射、修剪茎端注射）。
     
   • 样本量：3次独立实验，共205株烟草（68株/实验）。
     
   • 结果：修剪茎端注射效率最高（71%再生率），12-18天内形成茎芽；35%为转基因植株（PCR验证），10%成功编辑*PDS*基因（白化表型）。
     
   • 创新方法：采用年轻植株（1月龄）替代传统成熟植株（2月龄），结合Ruby报告基因（betalain红色色素）实现无创筛选。

2. 多物种验证

   • 番茄：WEIPT注射3周龄植株，52%再生率中21%为转基因植株，但高浓度betalain导致育性下降。
     
   • 大豆：胚胎轴（embryogenic axis）半离体转化，80%再生率中28%为转基因植株，12%实现*PDS*双等位基因编辑（白化茎芽）。

主要结果与逻辑关联
1. WIND1-ESR1级联的普适性：在烟草中，WIND1通过激活ESR1启动子驱动IPT表达，促进愈伤组织形成并间接器官发生（indirect organogenesis），而其他DRs（如WUS、BBM）效果不佳。
2. 高效基因编辑：WEIPT与CRISPR-Cas9共递送，在烟草和大豆中分别实现10%和12%的*PDS*基因编辑效率，白化表型验证编辑效果。
3. 低多效性：仅4%转基因植株出现分支增多等表型，显著低于组成型表达DRs的研究（如Maher等2020年报道的20%异常率）。

结论与价值
1. 科学意义：首次将伤口响应通路（wounding pathway）与发育调控因子协同应用于原位再生，揭示WIND1启动分化、IPT促进器官发生的分子协作机制（图6模型）。
2. 应用价值：
- 技术革新：缩短再生周期至2-3周（传统方法需4-9个月），规避组织培养的基因型依赖性。
- 农业潜力：为大豆等难转化作物提供高效编辑方案，推动基因编辑作物商业化。

研究亮点
1. 方法创新：合成级联设计（WIND1-ESR1:IPT）实现原位再生与编辑一体化。
2. 跨物种适用性：在双子叶植物（烟草、番茄、大豆）中均验证有效性。
3. 低多效性：ESR1启动子的时空特异性表达减少DRs的副作用。

其他发现
- 报告基因局限：Ruby的betalain积累可能影响番茄育性，建议改用弱启动子或荧光蛋白。
- 嵌合体挑战：大豆再生中出现红绿嵌合茎芽，需后续筛选纯合株系。

本研究为植物生物技术提供了“无组织培养”新范式，相关载体已开放学术共享，专利正在申请中。