ZmHSCF1通过促进胚性愈伤组织增殖显著提升玉米商业化自交系农杆菌介导的转化效率

针对玉米基因型依赖性强、遗传转化效率低的瓶颈问题，本研究聚焦ZmHSCF1基因功能解析，发现其过表达可显著促进胚性愈伤组织增殖并提升转化效率，在PH4CV和郑单958等重要商业亲本自交系中实现转化效率从0–0.9%提升至7.2–9.6%，为分子育种提供关键技术突破。

　　

玉米作为全球重要的粮食作物，在农业生产和粮食安全中占据举足轻重的地位。然而，玉米遗传改良长期以来受限于基因型依赖性，即不同品种对遗传转化的响应能力存在显著差异，这使得许多优良商业自交系难以进行高效基因工程操作。农杆菌（Agrobacterium tumefaciens）介导的转化是目前植物基因转化的主流技术，其效率取决于两个关键因素：组织对农杆菌侵染的敏感性，以及外植体产生胚性愈伤组织的能力。尽管先前研究通过LaCl₃预处理、抑制类黄酮合成相关免疫基因或敲除负调控因子ZmHRGP等手段，显著提高了农杆菌的侵染效率，但对于那些虽易受感染却难以形成胚性愈伤组织的商业自交系而言，转化效率低下的问题依然突出。因此，发掘能够促进胚性愈伤组织形成和增殖的关键基因，并据此建立高效、广适的遗传转化体系，已成为玉米生物技术育种领域的迫切需求。

为了攻克这一难题，研究人员开展了一项系统性的基因功能筛选与验证工作。该研究首先通过对拟南芥再生相关基因的同源分析，在玉米基因组中鉴定出39个可能与细胞多能性相关的候选基因，并进一步从中筛选出13个在分生组织和胚胎中高表达的基因进行功能验证。利用玉米优良自交系LH244（具备较稳定的遗传转化体系）为受体，研究人员分别构建了这些候选基因的过表达载体，通过农杆菌介导法转化未成熟胚，并观察愈伤组织诱导和增殖情况。结果发现，一个名为ZmHSCF1（Heat shock-complementing factor 1）的AP2（APETALA2）家族转录因子能够显著提高愈伤组织的 initiation frequency（诱导率）和增殖速率。随后的功能实验表明，ZmHSCF1并不影响农杆菌的侵染效率，而是特异性地促进转基因愈伤组织的增殖与胚胎发生能力。在分子机制层面，RNA-seq分析显示ZmHSCF1通过上调生长素（auxin）响应通路、分生组织发育相关基因以及生长调节因子（GRFs）等的表达，从而协同调控愈伤组织的增殖与再生能力。最终，该研究在两类重要但难以转化的商业亲本自bred系PH4CV（先玉335父本）和郑58（郑单958母本）中验证了ZmHSCF1过表达对转化效率的提升作用，实现了从几乎无法转化到接近10%的转化效率的突破。相关研究成果正式发表于植物学领域高水平期刊《Plant Communications》。

本研究采用了多项关键技术方法，主要包括：基于系统发育分析和转录组数据的候选基因筛选；农杆菌介导的玉米未成熟胚遗传转化；基于荧光报告基因（DsRed）的转化效率定量分析；CRISPR/Cas9基因编辑技术构建ZmHSCF1敲除材料；RNA-seq转录组测序与生物信息学分析；实时荧光定量PCR（RT-qPCR）验证基因表达；以及表型观察与统计评估。

研究结果主要包括以下几个方面：

ZmHSCF1-OE促进胚性愈伤组织增殖但不影响侵染效率

通过比较转入空载体（对照组）、ZmHSCF1过表达（ZmHSCF1-OE）及ZmHSCF1基因编辑（ZmHSCF1-CRISPR）构建的LH244未成熟胚诱导产生的愈伤组织，发现ZmHSCF1-OE处理使愈伤组织诱导率提高至97.8%（对照为91.7%），平均愈伤面积扩大1.33倍；而基因编辑株系愈伤面积显著减小。农杆菌侵染实验表明，ZmHSCF1-OE处理并未改变农杆菌在胚轴侧的定殖能力，说明该基因不影响宿主对农杆菌的敏感性。

ZmHSCF1大幅提高转基因愈伤组织增殖率和再生效率

表达DsRed荧光蛋白的报告系统显示，ZmHSCF1-OE使RFP阳性愈伤组织比例从30.3%提升至51.5%，阳性部位荧光覆盖度和荧光强度分别提高13.55倍和27.28倍。连续培养观察发现，阳性愈伤组织在7–14天内的平均增殖速率达2.02 mm²/天，是对照组的21.64倍。在分化培养20天后，过表达株系的再生频率达到24.1%（对照为16.1%），而CRISPR株系降至7.7%。最终，ZmHSCF1-OE使整体转化效率提高至20.6%（对照为13.3%），编辑株系则降至6.4%。

ZmHSCF1调控生长素相关通路与生长调节因子

RNA-seq分析鉴定出1159个差异表达基因，其中358个基因显著上调。GO富集分析表明这些基因主要参与“auxin response”“shoot apical meristem initiation”以及“meristem growth”等生物学过程。RT-qPCR进一步验证了多个生长素转运蛋白（ZmPINs）、响应因子（ZmARFs）以及生长调节因子（ZmGRFs）在ZmHSCF1-OE愈伤组织中表达上调，表明ZmHSCF1可能通过激活生长素信号和分生组织相关基因协同促进愈伤组织增殖。

ZmHSCF1有效克服商业自交系转化障碍

在难以转化的商业自交系PH4CV和郑58中，ZmHSCF1-OE使愈伤组织诱导率分别从14.5%和21.5%提高至45.5%和48.2%，RFP阳性愈伤比例分别提高3.0倍和6.0倍。最引人注目的是，转化效率在PH4CV中从0.9%提升至9.6%，在郑58中从0%提升至7.2%，实现了此前难以企及的转化效果。

本研究系统揭示了ZmHSCF1在玉米遗传转化中的关键作用：该基因通过调控生长素响应和分生组织发育相关基因的表达，显著促进胚性愈伤组织的 initiation 和增殖，从而大幅提高农杆菌介导的转化效率，尤其在传统上难以转化的商业自交系中表现突出。研究不仅为理解植物细胞再生与多能性维持提供了新视角，也为实现玉米精准基因编辑和品种改良提供了强有力的工具基因。该突破有望简化转基因育种流程，减少回交转育所需的时间和资源，加速优良基因在商业育种中的应用，对推进作物分子设计育种具有重要意义。