2022年12月19日，入驻海南大学三亚南繁研究院的徐冉教授与中国农业大学甘薯研究室合作在Plant Biotechnology Journal上发表了题为Fast track to obtain heritable transgenic sweet potato inspired by its evolutionary history as a naturally transgenic plant的论文。受天然转基因作物甘薯启发，该研究揭示了天然转基因植物的广泛存在暗示植物遗传转化的“快车道”。
之前，来自比利时根特大学、国际马铃薯中心和中国农业大学的一项合作研究显示，甘薯是一种天然的转基因植物（PNAS, 2015, 112: 5844-5849）。农杆菌是一种天然的植物病原菌，可以通过植物的创伤部位侵染植物，然后将自身的“T-DNA”转入并整合到植物的基因组中。甘薯含有两种农杆菌转移DNA，称为IbT-DNA1和IbT-DNA2。这两段T-DNA与发根农杆菌有很高的同源性。众所周知，发根农杆菌含有两个可转移的T-DNA区域：TR-DNA和TL-DNA。TR-DNA对应于甘薯IbT-DNA1 (包含生长素生物合成基因iaaH和iaaM)，TL-DNA (包含各种Rol基因)对应于甘薯IbT-DNA2。基因表达量检测显示至少有4个IbT-DNA1上的基因和2个IbT-DNA2上的基因表达，暗示IbT-DNA1和IbT-DNA2在甘薯进化中发挥作用。甘薯中的IbT-DNA的存在暗示在其祖先驯化历史上被农杆菌侵染后产生的毛状根作为一种不定根，有发展为具有繁殖能力的块根以实现稳定遗传的潜力。这一假设得到了本研究的支持——通过发根农杆菌侵染受伤的茎段后种植田间可以实现快速、高效的遗传转化。
近期研究人员使用农杆菌T-DNA编码的蛋白质对测序的植物基因组和转录组进行比对，结果显示天然转基因植物物种大量存在，包括被人们用于食用的栽培植物，如茶、番石榴、花生、啤酒花和蔓越莓等（Plant Molecular Biology, 2019, 101:415–437）。初步估计大约7%的双子叶植物的基因组中可能含有农杆菌转化的痕迹。这暗示农杆菌侵染某些植物后可以在自然条件下完成再生实现稳定遗传。这一假设得到了本研究和近期朱健康院士团队的一项研究的验证（The Innovation, 2023, 4(1): 100345）。
此外，本研究提出了一种甘薯演化的进程假说：即在过去的某个时间点上，发根农杆菌（或其他祖先种）感染甘薯祖先种导致了一个具有有趣特征的无性系（储藏根）——也许是一个紧凑的植物株型或/和更好的适应性，由人类选择并进行无性繁殖。在漫长的栽培、驯化、扩散和多样化过程中，许多甘薯及野生近缘种可能通过杂交参与了农杆菌T-DNA扩散。这也解释了为什么基因组整合的IbT-DNA不仅局限于栽培甘薯，也存在于相关近缘物种中。
中国农业大学农学院硕士研究生张雯、朱奕璇和博士研究生左志丹为该研究共同第一作者，中国农业大学农学院高少培副教授、翟红教授和海南大学三亚南繁研究院/热带作物学院徐冉教授为共同通讯作者。中国农业大学刘庆昌教授、何绍贞教授、张欢副教授、高级实验师赵宁对该工作进行了指导和帮助。中国农业大学农学院本科生冯渊旭、王勇和博士研究生赵浩强参与了该项工作。这项工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、国家甘薯产业技术体系、上海市绿化和市容管理局、海南省自然科学基金和三亚崖州湾科技城管理局项目的资助。
论文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/pbi.13986
论文成果相关参考信息
Plant Biotechnology Journal：中科院1区；JCR Q2；IF：13.263
Fast track to obtain heritable transgenic sweet potato inspired by its evolutionary history as a naturally transgenic plant
第一作者及单位：张雯（中国农业大学农学院）&朱奕璇（中国农业大学农学院）&左志丹（中国农业大学农学院）
通讯作者及单位：徐冉（海南大学三亚南繁研究院/热带作物学院）&高少培（中国农业大学农学院）&翟红（中国农业大学农学院）
