引言：一个种子的自我修养

高粱，作为全球第五大谷类作物，既是酿酒的灵魂，也是饲料和生物能源的重要原料。然而，在科研人员的实验室里，要想给高粱“转个基因”，其难度不亚于让一个倔强的孩子主动吃青菜。

传统的高粱遗传转化高度依赖于未成熟胚诱导形成胚性愈伤组织，再经由农杆菌或基因枪介导完成外源遗传物质的转入，最终生成完整的再生植株。这一过程最大的痛点在于：高度依赖于基因型——只有特定的“乖孩子”材料才能顺利诱导出胚性愈伤，对于难转化的“刺头”材料几乎无计可施。

近年来，科研人员围绕这一难题展开了系统攻关，从形态发生因子、发育调控因子到病毒载体介导、基因枪无转基因编辑等多个技术路线并行推进，取得了一系列突破性进展。本文将盘点近年来高粱遗传转化领域的六大重要研究成果。

一、形态发生因子ZmBbm和ZmWus2：破解“难转化”材料的利器

玉米来源的形态发生因子ZmBbm和ZmWus2是应用最早、最广泛的一对“黄金搭档”，已在多个物种中被证实能够显著改善植物的遗传转化效率，高粱自然也不例外。

2017年9月，发表于《Plant Cell Reports》的研究论文首次报道了利用ZmBbm和ZmWus2实现了难转化玉米自交系B73和高粱品种P898012的不依赖筛选标记的遗传转化，开启了形态发生因子辅助高粱转化的序幕。此后，2018年《Current Protocols in Plant Biology》、2021年《Plant Biotechnology Journal》以及2024年《Plant Journal》相继发表的研究进一步验证并深化了这一策略的应用价值。

尤其值得关注的是2024年12月《Plant Journal》的突破性成果：研究团队将ZmBbm和ZmWus2与pVS1-VIR2三元表达载体联用，使高粱的转化效率实现了质的飞跃——以再生体胚计达28.3%，以再生植株计高达164.8%。

二、从愈伤到叶片：ZmBbm/ZmWus2的应用场景拓展

传统的高粱遗传转化依赖未成熟胚愈伤组织，而2023年发表于《Nature Plants》的研究带来了一项颠覆性的创新：增强ZmBbm/ZmWus2的表达可以显著提高玉米、高粱等禾本科植物叶片的转化效率。

研究团队在四种高粱品种中验证了这一方法，发现含ZmBbm/ZmWus2载体的转化叶产生了高频率再生，以每个起始幼苗获得的再生植株计，平均再生频率约为166%–297%，高质量单拷贝转化植株的平均频率达到35%–37%。

2025年11月，《Plant Biotechnology Journal》在线发表的研究将这一方法进一步扩大至13个重要的高粱基因型，涵盖易转化型（如Tx430）、中等难度型（如Tx623）以及难转化型（如P898012）。研究团队采用标准的8步流程，在易转化的Tx430中实现了420%的平均转化效率（以再生植株数/外植体数计）。对于因酚类化合物积累导致褐化坏死的难转化材料，团队通过增加继代培养次数以提高外植体存活率，最终使中等难度材料的转化效率达到17%–290%，难转化材料的转化效率达到46%–523%。

三、GRF4-GIF1：更快、更安全的高粱转化新策略

BBM/WUS虽好，却也带来了一个“副作用”——持续过表达会对植物发育产生不利影响，包括扭曲叶片和降低育性。虽然可以通过在芽再生前切除表达框或使用利他形态基因辅助转化（MAT）来减轻负面影响，但这些操作增加了工作量，降低了有效转化效率。

2023年12月，山东大学生命科学学院刘利静团队和北京大学现代农业研究院张华伟团队在《Plant Journal》发表的研究带来了一个更优解。他们测试了GRF4-GIF1和GRF5对高粱遗传转化的影响，发现GRF4-GIF1和GRF5能够显著促进芽的再生——2–3周内即可获得芽，而对照及BBM/WUS转化的愈伤需要4–6周才能产生芽。

更重要的是，GRF4-GIF1不仅将转化效率提升至21.92%–26.04%（对照仅为4.39%–6.61%），而且表达GRF4-GIF1的转基因高粱植物在T0代中没有表现出明显的生长缺陷，完美规避了BBM/WUS的发育异常问题。三元载体系统（引入辅助质粒pVS1-VIR2）的配合使用进一步将转化效率推高至38.28%，是原始系统的7.71倍。在此基础上，团队构建了高效的高粱CRISPR/Cas9基因编辑工具GRF4-GIF1-Cas，基因平均编辑效率达41.36%，并在T0代获得了靶向PDS和BMR-6基因的敲除突变体。

四、基因枪+无转基因编辑：绕过外源DNA的“监管红线”

转基因作物的商业化之路上面临着一个绕不开的问题——外源DNA的残留。CRISPR/Cas9系统中的Cas9核酸酶和gRNA通常需要稳定整合到植物基因组中才能发挥作用，但这些外源DNA在完成编辑任务后依然留在植物体内，不仅可能引发脱靶效应，还会触发全球多数监管系统对转基因生物的严格限制。

2025年3月，澳大利亚昆士兰大学团队在《aBIOTECH》杂志发表了一项开创性研究。他们利用基因枪将优化的Cas9载体和携带G418抗性基因的sgRNA载体递送至高粱未成熟胚，并对PDS基因进行编辑测试。实验分为抗生素选择组和非选择组。结果显示：非选择组的白化率更高，基因编辑效率达到11.1%–14.3%，而选择组仅为4.2%–8.3%。更令人振奋的是，非选择组中有22.2%–38.1%的白化植株为非转基因编辑植株，而选择组仅为0%–5.9%。这一策略成功在T0代获得了非转基因的高粱编辑植株，并大幅提升了非转基因植株的筛选效率，为高粱的作物改良开辟了新路径。

五、FoMV病毒载体：无需组培的“植物体内”基因编辑

如果说前面的方法仍然离不开组织培养，那么2024年12月《Plant Journal》发表的研究则带来了一个更具颠覆性的方向——利用植物RNA病毒FoMV直接感染高粱植株，实现无需组织培养的基因编辑。

明尼苏达大学Daniel F. Voytas教授团队优化的FoMV载体能够直接感染高粱并在全株范围内传播，成功递送sgRNA至体细胞并诱导高频率的基因突变（突变率最高达60%），且产生了明显的表型变化。FoMV可通过摩擦接种或直接注射的方式完成转化，绕过了传统组织培养的繁琐流程。

需要指出的是，目前FoMV仅实现了sgRNA的递送，成功的基因编辑仍需要在提前构建了稳定转化Cas9的转基因植株中完成。但这一“无需组培”的思路，为未来实现完全非转基因、非基因型依赖的高粱基因编辑技术奠定了重要基础。

六、成熟胚转化：打破“季节限制”的取材革新

传统高粱遗传转化多以未成熟胚及幼穗为外植体，这带来了一个现实问题——取材严重受季节限制。为了解决这一痛点，山西省农业科学院生物技术研究中心/高粱研究所开发了一项创新技术，并于2020年公开了发明专利“一种农杆菌介导的以高粱成熟胚为外植体诱导愈伤组织的遗传转化方法”（公开号：CN110699379A）。

该方法利用萌动后露白的高粱种子作为农杆菌侵染对象，并以其为外植体诱导愈伤组织，经继代筛选、分化、生根等步骤获得完整再生转化植株。研究使用的材料为高粱Is-623，在愈伤诱导过程中使用了5 mg/L麦草畏替代2,4-D和6-BA，愈伤诱导率达85%以上。这一创新不仅避免了幼胚取材的季节限制，也克服了其他作物以成熟胚为外植体时需要剥胚的繁琐操作，大大提高了高粱遗传转化的效率。

从“能做”到“做好”的技术跨越

回顾近年来高粱遗传转化领域的突破性进展，一条清晰的技术演进脉络跃然纸上：从依赖于特定基因型、取材受季节限制的传统方法，到形态发生因子辅助的广谱适用型转化体系，再到发育调控因子带来的提速与安全优化，直至病毒载体介导的“无组培”基因编辑和非转基因筛选的技术飞跃。

参考资料：

1. Selectable marker independent transformation of recalcitrant maize inbred B73 and sorghum P898012 mediated by morphogenic regulators BABY BOOM and WUSCHEL2. Plant Cell Reports, 2017.

2. Transformation of recalcitrant sorghum varieties facilitated by Baby Boom and Wuschel2. Current Protocols in Plant Biology, 2018.

3. Morphogene-assisted transformation of Sorghum bicolor allows more efficient genome editing. Plant Biotechnology Journal, 2021.

4. Efficient sorghum and maize transformation using a ternary vector system combined with morphogenic regulators. Plant Journal, 2024, 120(5): 2076–2088.

5. Leaf transformation for efficient random integration and targeted genome modification in maize and sorghum. Nature Plants, 2023.

6. Optimisation of Agrobacterium-mediated seedling leaf transformation across multiple sorghum genotypes. Plant Biotechnology Journal, 2025.

7. A rapid and highly efficient sorghum transformation strategy using GRF4-GIF1/ternary vector system. Plant Journal, 2023.

8. An accelerated transgene-free genome editing system using microparticle bombardment of sorghum immature embryos. aBIOTECH, 2025.

9. Rapid and efficient in planta genome editing in sorghum using foxtail mosaic virus-mediated sgRNA delivery. Plant Journal, 2024.

10. 一种农杆菌介导的以高粱成熟胚为外植体诱导愈伤组织的遗传转化方法. 中国发明专利，公开号：CN110699379A，2020.