Lo studio della funzione genica nel bambù è molto promettente per la comprensione avanzata del bambù e per sbloccare il suo potenziale di modificazione genetica. Un modo efficace per raggiungere questo obiettivo può essere raggiunto attraverso il processo di infezione mediata da Agrobacterium nelle foglie di bambù, in cui il frammento di T-DNA contenente geni esogeni viene introdotto nelle cellule, portando successivamente all'espressione dei geni all'interno delle cellule fogliari.
Il bambù è una risorsa preziosa e rinnovabile con una vasta gamma di applicazioni nella produzione, nell'arte e nella ricerca. Il bambù possiede eccellenti proprietà del legno come elevata resistenza meccanica, tenacità, rigidità moderata e flessibilità1, che ora è ampiamente utilizzato in una varietà di forniture domestiche e industriali, tra cui spazzolini da denti, cannucce, bottoni, stoviglie usa e getta, condutture sotterranee e riempitivi per torri di raffreddamento per la generazione di energia termica. Pertanto, la coltivazione del bambù svolge un ruolo cruciale nell'ottenere varietà di bambù con eccellenti proprietà del legno per sostituire la plastica e ridurre l'uso di plastica, proteggere l'ambiente e affrontare il cambiamento climatico, oltre a generare un valore economico significativo.
Tuttavia, l'allevamento tradizionale del bambù deve affrontare sfide a causa della lunga fase di crescita vegetativa e del periodo di fioritura incerto. Sebbene le tecniche di selezione molecolare siano state sviluppate e applicate all'allevamento del bambù, il processo di trasformazione genica del bambù richiede tempo, lavoro e complicazione a causa dei processi di induzione e rigenerazione del callo 2,3,4,5. La trasformazione genetica stabile richiede spesso metodi mediati da Agrobacterium, che coinvolgono processi di coltura tissutale come l'induzione e la rigenerazione del callo. Tuttavia, il bambù ha una bassa capacità di rigenerazione del callo, limitando notevolmente l'applicazione della trasformazione genetica stabile nel bambù. Dopo che l'Agrobacterium ha infettato le cellule vegetali, il frammento di T-DNA entra nelle cellule vegetali, con la maggior parte dei frammenti di T-DNA che rimangono non integrati nelle cellule, con conseguente espressione transitoria. Solo una piccola porzione di frammenti di T-DNA si integra in modo casuale nel suo cromosoma, portando a un'espressione stabile. I livelli di espressione transitori mostrano una curva di accumulo che può variare per ogni gene espresso da un T-DNA consegnato da Agrobacterium. Nella maggior parte dei casi, i livelli di espressione più elevati si verificano 3-4 giorni dopo l'infiltrazione e diminuiscono rapidamente dopo 5-6 giorni 6,7. Studi precedenti hanno dimostrato che più di 1/3 delle mutazioni in piante geneticamente modificate ottenute senza pressione selettiva per la resistenza provengono dall'espressione transitoria di CRISPR/Cas9, mentre i restanti meno di 2/3 provengono dall'espressione stabile dopo l'integrazione del DNA nel genoma8. Ciò indica che l'integrazione del T-DNA nel genoma della pianta non è necessaria per l'editing genetico. Inoltre, la pressione selettiva per la resistenza inibisce significativamente la crescita di cellule non transgeniche, influenzando direttamente il processo di rigenerazione degli espianti infetti. Pertanto, utilizzando l'espressione transitoria senza pressione selettiva per la resistenza nel bambù, è possibile ottenere un'espressione non integrata di geni esogeni e studiare la funzione genica direttamente negli organi vegetali. Quindi, è possibile sviluppare un metodo semplice e rapido per l'espressione e l'editing genico esogeno nel bambù9.
Il metodo sviluppato per l'espressione genica esogena e l'editing genetico si caratterizzano per la semplicità, l'economicità e l'assenza di apparecchiature costose o procedure complesse9. In questo metodo, il gene endogeno della violaxantina de-epossidasi del bambù (PeVDE) è stato utilizzato come reporter per l'espressione genica esogena senza pressione selettiva. Questo perché il PeVDE modificato nelle foglie di bambù riduce la capacità di fotoprotezione in condizioni di luce intensa e dimostra una diminuzione del valore di tempra non fotochimica (NPQ), che può essere rilevato attraverso l'imaging a fluorescenza della clorofilla. Per dimostrare l'efficacia di questo metodo, un altro gene endogeno del bambù, il gene della cinnamoil-CoA reduttasi (PeCCR5)9, è stato eliminato utilizzando questo sistema e ha generato con successo mutanti di questo gene. Questa tecnica può essere utilizzata per la caratterizzazione funzionale di geni che hanno funzioni nelle foglie di bambù. Sovraesprimendo questi geni in modo transitorio nelle foglie di bambù, i loro livelli di espressione possono essere migliorati o, mediante l'editing genetico, la loro espressione può essere abbattuta, consentendo lo studio dei livelli di espressione genica a valle, dei fenotipi fogliari e del contenuto del prodotto. Ciò fornisce un approccio più efficiente e fattibile per la ricerca sulla funzione genica nel bambù. Questa tecnica può essere applicata alla caratterizzazione funzionale dei geni che funzionano nelle foglie di bambù. Sovraesprimendo questi geni in modo transitorio nelle foglie di bambù, i loro livelli di espressione possono essere migliorati o, mediante l'editing genetico, la loro espressione può essere abbattuta, consentendo lo studio dei livelli di espressione genica a valle, dei fenotipi fogliari e del contenuto del prodotto. Inoltre, è importante notare che, a causa dell'estesa poliploidizzazione, la maggior parte dei geni commercialmente importanti nei genomi di bambù sono presenti in più copie, con conseguente ridondanza genetica. Ciò rappresenta una sfida per l'esecuzione dell'editing del genoma multiplex nel bambù. Prima di applicare tecniche di trasformazione genetica stabile o di editing genetico, è fondamentale convalidare rapidamente le funzioni geniche. Nell'affrontare il problema delle copie multiple del gene, un approccio consiste nell'analizzare i profili di espressione del trascrittoma per identificare i geni che sono attivamente espressi durante fasi specifiche. Inoltre, il targeting dei domini funzionali conservati di queste copie geniche consente la progettazione di sequenze target comuni o l'incorporazione di più siti target nello stesso vettore CRISPR/Cas9, consentendo il knockout simultaneo di questi geni. Ciò fornisce un approccio più efficiente e fattibile per la ricerca sulla funzione genica nel bambù.