张江教授团队成功开发一种不依赖载体构建的简单质体转化新方法
作者：生命科学学院发布时间：2022年06月12日 12:53
近日，湖北大学生命科学学院、省部共建生物催化与酶工程国家重点实验室张江教授团队的最新研究成果“A simple technology for plastid transformation with fragmented DNA”发表在国际知名期刊Journal of Experimental Botany上。该研究首次开发了一种由多个DNA片段介导的质体转化新方法。
质体基因工程具有外源基因高效表达和生物安全性等独特优势。在过去的几十年里，人们利用质体转化技术生产了许多具有商业价值的次生代谢产物和蛋白，包括处方药物（如青蒿酸）、药用蛋白（如疫苗抗体，蛋白抗生素）和工业酶（如纤维素酶，果胶酶）等。质体基因工程技术在分子农场、代谢工程和作物改良等领域蓬勃发展，但是质体转化的载体仍然依赖于复杂的质粒载体构建过程，质体转化载体没有通用载体，不易构建含有长操纵子的载体，难于克隆对细菌有毒或易诱导宿主重组的外源基因。
在本研究中，作者利用植物质体内源的同源重组机制，使用具有同源序列的线性DNA片段开发了一种简易的无需载体构建的质体转化方法。作者首先验证了单个和两个线性的DNA片段都可以成功的整合到质体基因组，证实了使用线性DNA片段进行质体转化的可行性（图1）。
图1 线性DNA片段介导的质体转化示意图
在此基础上，分析了线性DNA片段和传统的质粒载体介导的质体转化方法的转化效率。实验结果表明，两个线性DNA片段之间的同源序列长度达到200bp或以上时，可以以不低于传统的质粒载体的质体转化效率整合到质体基因组中。两个线性的DNA片段之间的同源序列长度为50bp也可以整合到质体基因组中，但是其质体转化的效率显著低于传统的质体转化的效率（图2）。此外，成功地利用此方法将来源于噬菌体的裂解酶基因plyGBS和一个长操纵子（包含AtVDE、AtZEP和AtPsbS三个基因）成功导入烟草质体基因组，进一步验证由线性DNA片段介导的质体转化新方法的可应用性。
图2 线性DNA片段与质粒介导质体转化效率比较
综上所述，该研究简化了质体转化过程，为对大肠杆菌有毒的基因和长操纵子在质体中表达提供新的策略，也为未来在质体中表达大型代谢通路和质体合成生物的发展提供一定的理论依据和技术支持。
湖北大学生命科学学院硕士研究生任康为该论文的第一作者，张江教授和姜春妹讲师为该论文的共同通讯作者，湖北大学为第一单位。张江教授团队一直从事质体基因工程与植物保护前沿生物技术的基础理论和应用研究，近5年以湖北大学为第一单位在PNAS、Molecular Plant、Microbiome、Trends in Biotechnology、Plant Biotechnology Journal、Plant Cell & Environment、Journal of Experimental Botany和Pest Management Science等期刊发表论文30余篇。该研究得到了国家自然科学基金和湖北省自然科学基金创新群体等项目的资助。
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