稗草（Echinochloa phyllopogon）是稻田中最具破坏性的恶性杂草之一，作为一种异源四倍体C4禾草（2n=4x=36），它已进化出对ALS抑制剂、ACCase抑制剂、VLCFA延长酶抑制剂、DXS抑制剂及合成生长素等多种作用机制除草剂的抗性。这种广谱抗性主要归因于代谢解毒增强，即非靶标抗性（NTSR）。

然而，长期以来一个尴尬的现实困扰着杂草科学界：缺乏稳定的遗传转化体系，研究人员即便通过转录组找到了候选P450基因（如CYP81A12、CYP81A21、CYP709C69），也只能在拟南芥、水稻等模式植物中“间接推断”，无法在稗草自身中直接验证。

2026年10月，宫崎大学Takahiro Gondo团队联合东京农工大学Satoshi Iwakami团队在 《Plant Cell Reports》 发表研究Development of a genetic transformation system in Echinochloa phyllopogon by particle bombardment，建立了世界首个稗草稳定遗传转化体系，实现了外源基因导入与完整植株再生，为除草剂代谢解毒基因的功能验证提供了直接平台。

1. 为什么选择基因枪而非农杆菌？

研究团队在预实验中尝试了农杆菌介导转化，但既未检测到农杆菌侵染，也未检测到GUS瞬时表达。因此，团队转向基因枪法，使用携带GUS报告基因和bar（双丙氨膦抗性）筛选标记的质粒pAHC25，由玉米polyubiquitin-1启动子驱动。

基因枪参数为：氦压5.0 kg/cm²，靶距9.6 cm，每皿轰击一次，金粉粒径1.0 μm，每枪使用0.8 μg质粒DNA + 0.2 mg金粉。轰击前4小时，愈伤组织转移至含0.3 M甘露醇+0.3 M山梨醇的DBC培养基进行渗透预处理，轰击后继续处理16小时。

2. 愈伤类型决定成败：Type 1和Type 2远优于Type 3

研究从种子萌发3天后的茎尖分生组织基部诱导愈伤，在含2 mg/L 2,4-D + 0.1 mg/L BAP + 5 μM CuSO₄的DBC培养基上暗培养。28天后，胚性愈伤形成率约20%–30%。

团队根据形态将愈伤分为三类：

· Type 1（紧实型） ：由体细胞胚簇组成

· Type 2（松散型） ：高增殖性，含密集未成熟胚性组织

· Type 3（湿黏型） ：再生和转化能力极差

再生实验显示，Type 1和Type 2的再生率分别达92.1%和94.2%，每愈伤约产生4.2个芽；而Type 3再生率仅19.6%，每愈伤仅1.9个芽。

瞬时GUS表达差异更为悬殊：每皿（25个愈伤）Type 1和Type 2的GUS斑点数分别为1809和1825，而Type 3仅22个。Type 2因增殖性更优，被选为后续转化受体。

3. 核心数据：90天愈伤效率最高，5.0%转化率

轰击后的愈伤在含5 mg/L双丙氨膦的DBC培养基上筛选，每14天继代一次。几乎全部轰击愈伤逐渐褐化，但抗性细胞在90天内增殖形成可见愈伤团。

培养时长对转化效率影响显著：

· 90天愈伤：转化效率5.0%（240个轰击愈伤中获得12个GUS阳性愈伤），且100%成功再生

· 300天愈伤：效率降至0.8%，仅50%再生

· 630天愈伤：效率1.6%，但无一再生

这表明，长期继代不仅降低再生能力，还可能增加体细胞变异风险。90天左右是转化与再生的最佳窗口。

4. 分子验证与T1代遗传

Southern blot检测5个独立转基因株系，均显示GUS基因整合信号，拷贝数为5–12（基因枪法典型的多拷贝特征）。GUS组织化学染色显示，驯化后的转基因植株叶片呈强蓝色。

T1代除草剂抗性实验：转基因株系#2自交种子在四叶期喷施Basta，推荐浓度（×1）下野生型全部死亡，转基因植株正常生长；即使10倍推荐浓度（×10） ，转基因植株仍能存活。这证明抗性表型稳定传递至下一代。

5. 总结

该研究建立了世界首个稗草稳定遗传转化体系。研究以异源四倍体C4恶性杂草稗草（Echinochloa phyllopogon）为对象，在农杆菌法预实验失败后改用基因枪法，以GUS为报告基因、bar为筛选标记，系统比较了愈伤类型和培养时长对转化效率的影响。

结果显示，Type 2松散型胚性愈伤增殖性与转化潜力最优；培养90天的愈伤转化效率最高，达5.0%，且全部成功再生，而延长至300天和630天后效率明显下降、再生能力丧失。Southern blot证实外源基因稳定整合，拷贝数为5–12；T1代植株在10倍推荐浓度Basta处理下仍能正常存活，表明抗性表型可稳定遗传。

这项工作的核心价值在于：它终结了稗草研究长期依赖水稻、拟南芥等模式植物“间接推断”的窘境。未来可将候选P450基因直接导入稗草，或利用基因编辑敲除内源基因，在杂草自身遗传背景下直接验证除草剂代谢解毒基因的功能，为解析非靶标抗性机制和验证新型除草剂靶点提供可靠平台。

原文信息： Gondo T., Sugahara M., Ng H.M., Yasuda K., Iwakami S. Development of a genetic transformation system in Echinochloa phyllopogon by particle bombardment. Plant Cell Reports, 2026, 45: 331. DOI: 10.1007/s00299-026-03978-4

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