近日，华中农业大学园艺植物生物学教育部重点实验室、园艺林学学院别之龙教授课题组在葫芦科作物发根体系和砧穗互作方面的研究成果以“An efficient root transformation system for CRISPR/Cas9-based analyses of shoot–root communication in cucurbit crops”为题在Horticulture Research发表。
葫芦科作物，包括黄瓜、南瓜、苦瓜、丝瓜、瓠瓜、西瓜、甜瓜等，是重要的瓜果类蔬菜。嫁接是一种古老的农艺手段，历史悠久，沿用至今，仍然在园艺作物生产中广泛使用。南瓜对枯萎病等土传病害的抗性强，是其他葫芦科作物的常用砧木。葫芦科作物由于易嫁接、容易获取木质部和韧皮部液等特点，也是研究植物地上和地下长距离信号的良好模型。以往以葫芦科作物为对象，采用组学手段发现了大量可长距离运输的信号物质，然而由于大多数葫芦科植物缺乏高效的转基因体系，限制了相关基因的功能验证和机制解析。因此，开发适合葫芦科植物的相关基因功能验证体系尤为重要。
该研究采用农杆菌侵染带有生长点的外植体，首先建立了一种适宜葫芦科作物的发根体系，在南瓜中的效率可以达到84%,该体系同样适用于黄瓜、甜瓜、丝瓜和葫芦等葫芦科作物（图1）。另外，研究者还将发根体系的方法与嫁接方法进行了组合，可以在发根的同时进行嫁接，以实现对砧木的遗传改造（图2）。进一步，该研究在黄瓜/南瓜嫁接复合体中对CmoHKT1;1进行了基因编辑，相关机制研究表明CmoHKT1;1通过限制Na+的长距离运输参与南瓜砧木提高黄瓜接穗的耐盐性（图3）。另外，将南瓜Na+/H+逆向转运蛋白CmoNHX4超表达在黄瓜根系中能显著提高黄瓜的耐盐性（图4）。该发根体系同样适用于在根系细胞中进行亚细胞定位和对根系进行荧光染料染色观察等细胞生物学实验（图4）。以上研究建立了适合葫芦科不同嫁接组合的根系瞬时转化系统，并将其成功应用于瓜类耐盐基因的功能验证，为研究葫芦科作物根系基因功能及砧穗互作提供了一种有效方法。
华中农业大学园艺林学学院硕士研究生耿守玉、博士研究生Hamza Sohail和博士研究生曹海顺为论文共同第一作者，我校园艺植物生物学教育部重点实验室别之龙教授和杨丽副教授为共同通讯作者。本研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、湖北省自然科学基金创新群体、中央高校基本科研专项资金和国家西甜瓜产业技术体系等项目的资助。
