Hortic Res 综述 | 北京林业大学张金凤教授团队综述化学小分子对针叶树体胚发生胚性组织诱导和维持的作用

科技   三农   2024-09-25 10:03   江苏  

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在世界上广泛分布的针叶树具有显著的经济和生态价值,但其生命周期长、遗传背景庞大且复杂,导致常规育种十分耗时,而分子育种技术的开放也相对滞后。体细胞胚胎发生(SE)作为最高效的无性繁殖技术,适用于大规模自动化生产,结合冷冻保存和分子标记技术可以加速育种过程并保护种质资源,同时可以为分子工具,如基因组编辑等提供受体材料,因此对针叶树种的育种和研究具有重要价值。然而,如胚性组织启动诱导的顽固性、增殖过程中胚胎发生潜力的维持、成熟效率低以及较高的胚胎发育异常率等瓶颈,严重制约了这一技术在针叶树中的应用。值得注意的是,一种使用小化学分子影响细胞发育和重编程的方法已成功用于哺乳动物的干细胞研究,其中包括GSK3β相关抑制剂TDZD-8和表观遗传修饰相关抑制剂TSA,已被证明可以在体细胞胚胎发生过程中促进植物细胞重编程。这些研究表明了小分子应用于针叶树体胚发生中的潜在价值。

2024年7月,Horticulture Research在线发表了北京林业大学张金凤教授团队完成的题为Small molecules, enormous functions: potential approach for overcoming bottlenecks in embryogenic tissue induction and maintenance in conifers 的综述论文,全面梳理并总结了化学小分子对在克服针叶树体胚发生技术瓶颈方面的研究成果,并展望了化学重编程在植物再生中的应用前景。

图1 体胚发生中主要应用的化学小分子类型与功能。


针叶树体胚发生存在诸多技术瓶颈,涉及了转录调控网络、表观遗传修饰和组织与细胞生理代谢在内的复杂的机制。作者首先针对胚性组织诱导和维持的问题从细胞、生理以及遗传的角度进行了详细的分析,强调了以生长素、细胞分裂素为主要代表的植物激素和表观遗传修饰对胚性能力的获得与维持的重要影响。随后,作者给出了小分子的定义并详细介绍了表观遗传小分子抑制剂、氧化还原和其他代谢相关的小分子在针叶树体胚发生中的应用,分析了包括还原型谷胱甘肽(Glu),曲古抑菌素(TSA),植物磺肽素(PSK-α)等不同类型的小分子的作用机制(图1)。其中,DNA甲基化和组蛋白修饰在体胚发生过程中的动态变化提示我们这类小分子对突破针叶树再生的技术瓶颈所具有的潜在价值(图2)


图2 针叶树体细胞胚胎发生过程中的表观遗传修饰水平和胚胎发生潜力变化

最后,作者还介绍了一些尚未在针叶树中使用但在其它物种中报道过的小分子,并强调了应用化学小分子具有动态可逆、操作简单、多目标同时调节的优点,综上所述,这种潜在方法可能是未来优化包括体胚发生在内的植物再生体系的优选之一。


北京林业大学已毕业硕士研究生郭涛为该论文的第一作者,北京林业大学张金凤教授和赵健副教授为该论文的通讯作者。课题组青年教师范英明博士和在读博士研究生包芬也对文章的撰写提供了重要的帮助。该研究得到了得到了国家重点研发计划课题(2023YFD2200104)、国家自然科学基金项目(32271836)和中央高校基本科研业务费专项资金(2019ZY39)的支持。




团队合照

文章链接:
‍https://doi.org/10.1093/hr/uhae180

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About Horticulture Research

《园艺研究(英文)》Horticulture Research)是由南京农业大学主办的学术期刊,主要刊载园艺作物的基础和理论研究,包括遗传学、育种、组学和演化、园艺作物的起源及驯化、生物技术、生物化学、生理学和细胞与分子生物学,环境互作生物学等。科睿唯安JCR2023影响因子:7.6,位于园艺一区(第2/38名),植物科学一区(第13/265名),遗传学一区(第14/191名)。2023年中科院期刊分区:位于园艺小类一区,植物科学小类一区,遗传学小类一区,农林科学大类一区(Top期刊)。入选中国科技期刊卓越行动计划领军类期刊。

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特邀作者:郭涛、张金凤
排版:苏梓钰(实习)
审核:王平、孔敏

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《园艺研究》(Horticulture Research)是南京农业大学主办的英文学术期刊,采用开放获取形式,专注刊载和园艺作物有关,能引起广泛的国际和学科兴趣的基础和理论研究。
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