植物遗传转化技术发展与应用研究综述
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文章题目：Technological Development and Application of Plant Genetic Transformation
发表期刊：International Journal of Molecular Sciences
发表时间：2023年6月
植物遗传转化技术的发展
遗传转化是提高植物生物量或抗性以应对逆境和群体生长的一种重要策略。近年来，各种遗传转化技术不断被发现和发展，主要涉及外源基因的导入和转化植株的再生。植物遗传转化技术可分为两大类：一类是直接基因转移技术，包括基因枪法、原生质体法、脂质体法、花粉管通道法、电激转化法、PEG介导转化方法等。另一类是生物介导的转化方法，主要有农杆菌介导和病毒介导两种转化方法。然而，在使用这些方法时，研究人员经常遇到基因转移方法的限制、外植体基因型的限制、外源基因的随机整合、再生困难以及低转化效率等问题。
在外植体再生转化植株的困难方面，研究人员开发了许多策略，以克服在组织培养过程中由于再生能力有限而导致的基因型依赖性和转化效率低的问题，最广泛使用的策略是通过 Morphogenetic transcription factors（MTF）的表达来促进植株再生，如Baby boom（Bbm）、Wuschel2（Wus2）和Growth-regulating factor（GRF），是解决植物转化后再生能力低问题的有效途径。本文主要是对目前已开发的遗传转化技术进行了阐述和比较。
植物遗传转化技术的方法有哪些？
1. 农杆菌介导的遗传转化技术
植物的间接遗传转化方法主要是农杆菌介导的转化方法,包括根癌农杆菌和发根农杆菌在内的多种农杆菌都含有能够诱导肿瘤( Ti )或毛状根的质粒（Ri）。植物受损部位释放的酚类物质或酸性糖被VirA感知，通过磷酸化激活VirG。VirG进一步诱导VirD1和VirD2的表达。在切割过程中，VirD2以共价的方式连接到T-DNA的5’端。VirD2/T-DNA通过T4SS（IV型分泌系统）离开细菌。此外，单链 DNA 结合蛋白 VirE2 以非共价的方式在植物细胞中包裹T链（切割后的单链DNA），形成 VirD2 / VirE2 /T-DNA复合体，T链在VirD2的牵引下作为线性非置换片段进入宿主细胞核，整合到宿主基因组中，因此能在宿主中稳定存在和遗传。
图1. T-DNA转移和整合到植物基因组中的示意图
3. 电穿孔介导的转化技术
电穿孔是一种电转换方法，通过对细胞施加短暂强烈的电压，增加宿主细胞膜的通透性，这样，就能在电压作用下将平常无法进入细胞内的大分子，如DNA、SiRNA、蛋白质等转移至细胞内。
4. 脂质体介导的转化技术
脂质体是由一个或多个磷脂双分子层膜组成的球形囊泡，由胆固醇和天然无毒磷脂组成。脂质体和 DNA 混合培养形成 DNA -脂质复合物，然后与原生质体悬浮液（添加 PEG ）混合，通过脂质体-原生质体融合或内吞作用将所需的 DNA 导入靶原生质体。带正电的脂质体被带负电的 DNA 和细胞膜吸引，使脂质体粘附在原生质体表面，接着脂质体和原生质体在其结合位点结合，最后将质粒释放到靶细胞。
5. 碳化硅介导的转化技术
碳化硅晶须（SCWs）是由直径约0.5μm，长度约为10—80μm的针状微晶须组成。将悬浮细胞或胚性愈伤组织和 DNA 置于含有 SCW 的离心管中，由于 SCW 表面带负电不能与 DNA 结合。通过涡流，SCW可以在细胞膜上形成类似针的孔道，外源DNA可以通过这些孔道进入目标细胞。
6. 微量注射介导的转化技术
微注射介导的植物遗传转化是一种利用玻璃微型注射管将 DNA 注入植物细胞核或细胞质的技术。将靶细胞固定在显微镜下；有两个微操作器，一个是固定细胞的持管注射器，另一种是含有少量DNA溶液的微型注射管，以穿透细胞膜或核膜。
7. 花粉管通道介导的转化技术
花粉管介导的植物遗传转化需要在授粉后立即去除受体植物的柱头，并滴加外源 DNA 溶液至受体植物切断的花柱。通过花粉管生长，外源 DNA 被运送到受体植物的子房，在那里与未分裂但受精的受体卵整合，导致外源 DNA 在胚性阶段整合到受体的基因组中，并存在于转化的种子中。
图2. 不同直接转化法介导的遗传转化示意图
克服传统基因递送方法局限性的策略
传统的基因导入方法是通过根癌菌或外力将基因导入植物细胞。然而，这些方法经常会导致植物细胞损伤，转化效率低，DNA 在基因组中的随机整合等影响。为了解决这些问题，研究人员开发了转移外源基因的新策略，如纳米颗粒介导的基因传递方法，包括磁性纳米颗粒，肽纳米颗粒，层状双氢氧化物纳米颗粒（ LDH ），DNA 纳米结构和碳纳米管。该方法可以将DNA传递到完整的植物细胞中而不需要外力。
图3. 纳米颗粒介导的基因转移
