DOI: https://doi.org/10.3389/fpls.2026.1699984
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41907732
تاريخ النشر: 2026-03-13
المؤلف: V. Mohan Murali Achary وآخرون
الموضوع الرئيسي: كريسبر والهندسة الوراثية
نظرة عامة
تناقش هذه الفقرة التقدمات في تجديد النباتات وتحويلها، والتي تعتبر حاسمة لتعزيز تحسين المحاصيل الوراثي من خلال تحرير الجينوم وطرق التحويل الجيني. لقد انتقل التحسين اليدوي التقليدي لوسائط الثقافة نحو استخدام المنظمات المورفوجينية (MRs) وعوامل الببتيد الجديدة التي يمكن أن تحفز الخلايا الجسدية للعودة إلى حالة متعددة القدرات. تسلط النتائج الرئيسية الضوء على فعالية التعبير المشترك عن منظمات النسخ (TRs) مثل عوامل تنظيم النمو (GRF) وعوامل التفاعل مع GRF (GIF) في تسهيل تجديد النباتات المعدلة وراثيًا من أصناف كانت مقاومة سابقًا. كما تتناول المراجعة التحديات المعتمدة على النمط الجيني التي تعيق تطبيق أدوات التربية الدقيقة، بما في ذلك أنظمة CRISPR.
تؤكد الخاتمة على أن MRs وعوامل الببتيد تحول تحويل النباتات وتحرير الجينات من فن إلى عملية أكثر قابلية للتنبؤ والهندسة. من خلال الاستفادة من دوائر التحكم في تطور النباتات، يمكن للباحثين تعزيز كفاءة إنتاج النباتات المعدلة وراثيًا والمحررة عبر أنواع مختلفة. من المتوقع أن تسهم تقنيات متقدمة مثل RNA-seq وتعلم الآلة في توضيح تنظيم الجينات وتحسين كفاءة التحويل، مما يعود بالنفع في النهاية على الممارسات الزراعية ومعالجة تحديات النظام الغذائي العالمي. تهدف الابتكارات المستمرة في هذا المجال إلى إنشاء أنظمة تحويل نباتية مبسطة يمكن أن تترجم بسرعة المفاهيم الوراثية إلى محاصيل محررة، مما يعزز الحلول الزراعية المستدامة.
مقدمة
تؤكد مقدمة هذه الورقة البحثية على الحاجة الملحة لتطوير أصناف جديدة من المحاصيل ذات الصفات المحسنة لتلبية الطلب العالمي المتزايد على الغذاء والعلف، خاصة في سياق تغير المناخ والتحديات الزراعية. منذ ظهور المحاصيل المعدلة وراثيًا في عام 1994 وظهور تقنيات تحرير الجينات، لعبت التكنولوجيا الحيوية دورًا محوريًا في تحسين الأمن الغذائي والنمو الاقتصادي من خلال تعديل الجينات. ومع ذلك، لا تزال طرق التحويل التقليدية في المختبر غير فعالة بسبب طبيعتها المستهلكة للوقت، واعتمادها على أنماط جينية محددة، وقابليتها للتأثر بالتنوع السوماتي، مما يحد من قابليتها للتطبيق عبر أصناف متنوعة.
حددت الدراسات الحديثة مجموعة من الجينات المورفورية (MRs) وعوامل تجديد الببتيد التي تعزز كفاءة تجديد النباتات وتحويلها. لقد أظهرت هذه MRs، مثل BABY BOOM (BBM) وWUSCHEL2 (WUS2)، أنها تحسن بشكل كبير معدلات التحويل في خطوط الذرة الهجينة التي كانت مقاومة سابقًا من خلال الحفاظ على الخلايا المحولة في حالة غير متمايزة مناسبة لتكوين الأجنة الجسدية بسرعة. توضح الورقة الآليات الجزيئية التي تنظم بها MRs مسارات الأوكسين والسيتوكينين، مما يسهل التمايز الخلوي وتكوين الأجنة. تهدف المراجعة إلى تقديم نظرة شاملة على تقنيات تحويل النباتات الحالية، ودور MRs في تعزيز هذه العمليات، واستراتيجيات عملية لتطبيقها في التحويل الوراثي والتحرير، مع معالجة التحديات وآفاق المستقبل في هذا المجال.
الطرق
تشمل الطرق المستخدمة في هذه الدراسة لتحديد المنظمات المورفوجينية الجديدة (MRs) تسلسل RNA (RNA-seq)، واختبار الكروماتين القابل للوصول باستخدام التسلسل (ATAC-seq)، وتقنية CUT&Tag. يوفر RNA-seq رؤى حول تعبير الجينات، بينما يكشف ATAC-seq عن مناطق الكروماتين القابلة للوصول التي قد تعمل كعناصر تنظيمية. تركز CUT&Tag على إمكانية الوصول إلى الكروماتين المرتبطة ببروتينات معينة أو تعديلات الهيستون، مما يسهل فهمًا شاملاً لتنظيم الجينات والوظائف الخلوية. في القمح، نجحت هذه المنهجيات في تحديد 446 عامل نسخ أساسي (TFs) مرتبط بعمليات التجديد، خاصة خلال تكوين الكالس الجنيني وتكوين الأعضاء (Liu et al., 2023b). من الجدير بالذكر أن مقارنة هذه TFs بين الأرابيدوبسيس والقمح أدت إلى تحديد TaDOF3.4 وTaDOF5.6 كمرشحين واعدين لتعزيز كفاءة التحويل في القمح.
أظهرت التجارب الإضافية أن التعبير المفرط عن TaDOF5.6 أو TaDOF3.4 تحت محفز Ubi للذرة قد حسّن بشكل كبير كفاءة تحويل القمح، مما أدى إلى ظهور أنماط نباتية طبيعية وإنتاج البذور (Fielder and Jimai22). بالإضافة إلى ذلك، حددت دراسة حديثة 53 من MRs النباتية ذات المتجانسات عبر أنواع مختلفة، والتي ترتفع مستويات تعبيرها خلال مراحل التطور الرئيسية، بما في ذلك تكوين الكالس الجنيني (Jiang et al., 2024a). من بين هذه، تم تسليط الضوء على ZmWIND1، وهو عضو في عائلة TF ERF/AP2، لدوره في تعزيز تكوين الكالس وتكوين الأعضاء، مشابهًا لنظيره الأرابيدوبسيس AtWIND1 (Iwase et al., 2017). يتم تنظيم ZmWIND1 سلبًا بواسطة ZmSAUR15، وأدى التعبير المفرط عنه إلى زيادة تتراوح بين مرتين إلى ثلاث مرات في تكرارات التجديد والتحويل في أصناف الذرة (Jiang et al., 2024a).
المناقشة
تسلط فقرة المناقشة في الورقة البحثية الضوء على التقدمات الكبيرة في تقنيات تحرير الجينات، مع التركيز بشكل خاص على النيوكليازات المحددة بالتسلسل المهندسة (SSNs) مثل نيوكليازات الأصابع الزنك (ZFNs) ونيوكليازات المحفزات الشبيهة بالمنشط (TALENs) ونظام CRISPR/Cas9. من بين هذه، برز CRISPR/Cas9 كأكثر الطرق اعتمادًا نظرًا لبساطته وكفاءته وفعاليته من حيث التكلفة، مما يسمح بإجراء تعديلات دقيقة في أنواع النباتات المختلفة. تتناول الفقرة آليات أنظمة CRISPR، بما في ذلك تشكيل مركب Cas9-sgRNA الذي يتعرف على تسلسلات DNA محددة من خلال الدوافع المجاورة للبروتوسبيسر (PAMs) لتحفيز الكسور المزدوجة (DSBs). تم تطوير متغيرات من نيوكليازات Cas9 وCas12 لتعزيز خصوصية الهدف وتقليل التأثيرات غير المستهدفة، مما يوسع نطاق تطبيقها في تحرير جينوم النباتات.
بالإضافة إلى ذلك، تناقش الورقة التحديات المرتبطة بتوصيل مكونات CRISPR إلى خلايا النباتات، مع التأكيد على تطور طرق مثل التحويل بواسطة الأغروباكتيريوم والطرق البيولستية. لقد حسنت الابتكارات في هذه الأنظمة التوصيلية، بما في ذلك تطوير سلالات أغروباكتيريوم فائقة الفوعة وتقنيات بيولستية متقدمة، بشكل كبير من كفاءات التحويل في أنواع النباتات التي كانت مقاومة سابقًا. تختتم الفقرة بالإشارة إلى أن التقدم المستمر في تقنيات تحرير الجينوم من المتوقع أن يعزز جهود تحسين المحاصيل، اعتمادًا على توفر الموارد الجينومية وآليات التوصيل الفعالة.
القيود
تسلط فقرة القيود الضوء على عدة تحديات حاسمة مرتبطة باستخدام المنظمات المورفوجينية (MRs) في تطوير المحاصيل. إحدى القضايا الرئيسية هي إمكانية حدوث عيوب في التطور نتيجة للتعبير المستمر عن بعض المورفوجينات، مما يمكن أن يؤدي إلى تشوهات في الشكل الظاهري مثل تشوه الأعضاء والعقم. لمعالجة هذه القضايا، يتم استخدام استراتيجيات مثل استخدام المحفزات القابلة للتحفيز وآليات الإزالة (مثل أنظمة Cre/lox وFlp/frt). ومع ذلك، يمكن أن تختلف فعالية هذه الطرق عبر أنماط جينية وأنواع مختلفة، ولا يزال هناك خطر من وجود شذوذات جينية دقيقة في النسل، مما يتطلب تقييمات شاملة للشكل الظاهري والجيني بعد التجديد.
بالإضافة إلى ذلك، تناقش الفقرة آثار قيود الترخيص وحقوق الملكية الفكرية على استخدام MRs الرئيسية، والتي غالبًا ما تكون محمية ببراءات اختراع من قبل شركات التكنولوجيا الحيوية الزراعية الكبرى. بينما قد تستخدم المؤسسات الأكاديمية هذه التقنيات بموجب استثناءات البحث، تتطلب التطبيقات التجارية الترخيص المناسب، مما قد يحد من الوصول للباحثين في البيئات ذات الموارد المحدودة. علاوة على ذلك، فإن الاستجابة لـ MRs تعتمد على النوع والنمط الجيني، مما يشير إلى أن التركيبات المخصصة قد تكون ضرورية. أخيرًا، تعقد العقبات التنظيمية وقضايا قبول الجمهور نشر MRs، خاصة في المحاصيل التي تتكاثر خضريًا حيث تشكل انفصال الجينات تحديات إضافية.
DOI: https://doi.org/10.3389/fpls.2026.1699984
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41907732
Publication Date: 2026-03-13
Author(s): V. Mohan Murali Achary et al.
Primary Topic: CRISPR and Genetic Engineering
Overview
The section discusses advancements in plant regeneration and transformation, which are critical for enhancing crop genetic improvement through genome editing and transgenic methods. Traditional manual optimization of culture media has shifted towards utilizing morphogenic regulators (MRs) and novel peptide factors that can induce somatic cells to revert to a totipotent state. Key findings highlight the effectiveness of co-expressing transcription regulators (TRs) such as GROWTH-REGULATING FACTORs (GRF) and GRF-INTERACTING FACTOR (GIF) in facilitating the regeneration of transgenic plants from previously recalcitrant varieties. The review also addresses the genotype-dependent challenges that hinder the application of precision breeding tools, including CRISPR systems.
The conclusion emphasizes that MRs and peptide factors are transforming plant transformation and gene editing from an art into a more predictable and engineerable process. By leveraging plant developmental control circuits, researchers can enhance the efficiency of producing transgenic and edited plants across various species. The integration of advanced techniques such as RNA-seq and machine learning is expected to further elucidate gene regulation and improve transformation efficiency, ultimately benefiting agricultural practices and addressing global food system challenges. The ongoing innovation in this field aims to create streamlined plant transformation systems that can rapidly translate genetic concepts into edited crops, fostering sustainable agricultural solutions.
Introduction
The introduction of this research paper emphasizes the critical need for developing new crop varieties with enhanced traits to meet the growing global demand for food and feed, particularly in the context of climate change and agricultural challenges. Since the advent of transgenic crops in 1994 and the emergence of gene editing technologies, biotechnology has played a pivotal role in improving food security and economic growth through gene modification. However, traditional in vitro transformation methods remain inefficient due to their time-consuming nature, dependence on specific genotypes, and susceptibility to somaclonal variation, limiting their applicability across diverse cultivars.
Recent studies have identified a set of morphoregulatory genes (MRs) and peptide regenerating factors that enhance plant regeneration and transformation efficiency. These MRs, such as BABY BOOM (BBM) and WUSCHEL2 (WUS2), have been shown to significantly improve transformation rates in previously recalcitrant maize inbred lines by maintaining transformed cells in a dedifferentiated state conducive to rapid somatic embryo formation. The paper outlines the molecular mechanisms by which MRs regulate auxin and cytokinin pathways, thereby facilitating cellular differentiation and embryogenesis. The review aims to provide a comprehensive overview of current plant transformation techniques, the role of MRs in enhancing these processes, and practical strategies for their application in genetic transformation and editing, while also addressing the challenges and future prospects in this field.
Methods
The methods employed in this study to identify novel regeneration morphoregulators (MRs) include RNA sequencing (RNA-seq), Assay for Transposase-Accessible Chromatin using sequencing (ATAC-seq), and CUT&Tag technology. RNA-seq provides insights into gene expression, while ATAC-seq reveals accessible chromatin regions that may serve as regulatory elements. CUT&Tag focuses on chromatin accessibility linked to specific proteins or histone modifications, facilitating a comprehensive understanding of gene regulation and cellular functions. In wheat, these methodologies have successfully identified 446 core transcription factors (TFs) associated with regeneration processes, particularly during embryonic callus formation and organogenesis (Liu et al., 2023b). Notably, the comparison of these TFs between Arabidopsis and wheat led to the identification of TaDOF3.4 and TaDOF5.6 as promising candidates for enhancing transformation efficiency in wheat.
Further experiments demonstrated that overexpressing TaDOF5.6 or TaDOF3.4 under the maize Ubi promoter significantly improved wheat transformation efficiency, resulting in normal plant phenotypes and seed production (Fielder and Jimai22). Additionally, a recent study identified 53 plant MRs with homologs across various species, whose expression levels rise during key developmental stages, including embryogenic callus formation (Jiang et al., 2024a). Among these, ZmWIND1, a member of the ERF/AP2 TF family, was highlighted for its role in promoting callus formation and organogenesis, similar to its Arabidopsis ortholog AtWIND1 (Iwase et al., 2017). ZmWIND1 is negatively regulated by ZmSAUR15, and its overexpression led to a two- to three-fold increase in regeneration and transformation frequencies in maize varieties (Jiang et al., 2024a).
Discussion
The discussion section of the research paper highlights significant advancements in gene editing technologies, particularly focusing on engineered sequence-specific nucleases (SSNs) such as zinc finger nucleases (ZFNs), transcription activator-like effector nucleases (TALENs), and the CRISPR/Cas9 system. Among these, CRISPR/Cas9 has emerged as the most widely adopted method due to its simplicity, efficiency, and cost-effectiveness, allowing for precise modifications in various plant species. The section elaborates on the mechanisms of CRISPR systems, including the formation of the Cas9-sgRNA complex that recognizes specific DNA sequences through protospacer adjacent motifs (PAMs) to induce double-strand breaks (DSBs). Variants of Cas9 and Cas12 nucleases have been developed to enhance target specificity and reduce off-target effects, further broadening their application in plant genome editing.
Additionally, the paper discusses the challenges associated with delivering CRISPR components into plant cells, emphasizing the evolution of methods such as Agrobacterium-mediated transformation and biolistic approaches. Innovations in these delivery systems, including the development of supervirulent Agrobacterium strains and advanced biolistic techniques, have significantly improved transformation efficiencies in previously recalcitrant plant species. The section concludes by noting that ongoing advancements in genome editing technologies are poised to enhance crop improvement efforts, contingent upon the availability of genomic resources and effective delivery mechanisms.
Limitations
The section on limitations highlights several critical challenges associated with the use of morphogenic regulators (MRs) in crop development. One major concern is the potential for developmental defects resulting from the constitutive expression of certain morphogenes, which can lead to phenotypic abnormalities such as organ malformation and sterility. To address these issues, strategies such as the use of inducible promoters and excision mechanisms (e.g., Cre/lox and Flp/frt systems) are employed. However, the efficacy of these methods can vary across different genotypes and species, and there remains a risk of subtle genetic anomalies in progeny, necessitating thorough phenotypic and genetic assessments post-regeneration.
Additionally, the section discusses the implications of licensing and intellectual property constraints on the use of key MRs, which are often patented by major agricultural biotechnology firms. While academic institutions may utilize these technologies under research exemptions, commercial applications require appropriate licensing, potentially limiting access for researchers in low-resource settings. Furthermore, the response to MRs is species- and genotype-dependent, indicating that tailored combinations may be necessary. Lastly, regulatory hurdles and public acceptance issues complicate the deployment of MRs, particularly in vegetatively propagated crops where transgene segregation poses additional challenges.