自1988年以来，植物科学家一直依赖标准“基因枪”对农作物进行基因改造，旨在提升产量、营养、抗虫害能力及其他关键特性。然而，这项技术通过高压将装载遗传物质的微小颗粒射入植物细胞，却面临着效率低下、结果不一致以及高速粒子造成的组织损伤等挑战。

爱荷华州立大学材料科学与工程系副教授江山(Shan Jiang)带领的研究团队，决心改进这一植物研究的基本工具。他们的研究成果发表在《自然通讯》杂志上，不仅详细记录了寻找解决方案的过程，还介绍了基于此发明创办初创公司的情况。

江教授拥有丰富的研究背景，曾在麻省理工学院兰格实验室担任博士后研究员，该实验室主任罗伯特·兰格是mRNA药物研发领域的先驱。尽管医学研究机会有限，江教授将目光转向农业，特别是如何将DNA有效导入植物细胞，以引入或增强作物特性。

通过一次偶然的电话交流，江教授与爱荷华州立大学农学家王侃教授一拍即合，共同探讨植物科学研究面临的挑战，尤其是通过植物坚硬细胞壁传递遗传物质的难题。江教授指出，这是一个长期被忽视的领域，材料科学家很少涉足植物细胞输送研究。

传统基因枪技术通过将遗传物质涂在微小的金或钨微粒上，然后射入植物细胞。然而，这一过程效率低下，且常导致基因组中出现碎片化和多个转基因插入，使得基因表达难以预测。江教授及其团队决定寻找新的解决方案。

经过四年的努力，研究团队通过基因枪粒子流的计算流体动力学模型，发现了基因枪内部枪管存在的瓶颈问题。这一瓶颈导致粒子丢失、流动中断、压力降低和速度减慢，进而影响了转化效率。基于这一发现，团队设计了一个新的内部枪管——“导流枪管”，并通过3D打印技术制作了测试样品。

测试结果显示，使用导流枪管改装的基因枪性能显著提升，装载粒子的导向效率从传统基因枪的约21%提高到近100%。在洋葱测试中，瞬时转染效率提高了22倍;在玉米幼苗中，病毒感染效率提高了17倍;在小麦中使用CRISPR基因组编辑工具的实验效率则提高了一倍。

爱荷华州立大学植物科学家王侃教授表示，实验室的工作质量提高了10倍甚至20倍，工作效率大幅提升。马里兰大学植物科学与景观建筑学教授齐一平也指出，导流枪管将使植物转化和基因组编辑变得更加容易和高效，特别是在小麦等作物的可遗传基因组编辑方面展现出巨大潜力。

江教授表示，导流枪管的效率提高了10倍到20倍，可为植物科学家和农业公司节省数百万美元的时间和资源，同时加速植物或产品的周转。他强调，尽管这个装置看起来简单，但其带来的好处却是无价的，有助于开发更安全、更有效的作物改良策略，提高作物的环境适应性和营养成分，促进可持续能源生产。

更多信息： Connor Thorpe 等人，利用导流桶增强基因枪植物转化和基因组编辑，《自然通讯》(2025)。