基因工程技术，在现代植物品种改良的应用中愈发不可或缺。通过基因工程技术，人类终于可以从上帝视角，将各个不同物种间优秀的基因，像搭建乐高积木一样，设计改良出具有超级优秀基因的新物种，从而造福人类。

　　外源基因想要被快速导入到目标样本中，经常会用到一种通常只有在课本里才出现过的“黑科技”设备——基因枪。

　　相比农杆菌或花粉管通道法介导方式，基因枪投递外源基因的方式更直接、更快速，因为是通过物理方式把外源基因直接打到样本上，这种投递方式可以适应几乎所有目标样本的基因导入。

　　但因为基因枪相对高昂的购置成本，国内仅有具备一定科研实力的单位才有配备，这也造成了有相关产品使用经验的人才，相对十分短缺。

　　国际知名的基因枪制造商只有美国WEALTEC公司和美国BIORAD公司这两个厂家。

　　这两家公司都是知名分子生物学仪器制造商，且历史上颇有渊源，据说，WEALTEC的创始团队是从BIORAD集体出走创业创立的品牌，与Biorad这种上市公司走的较为大众化的通用低端的路线不同，WEALTEC的定位是希望做小而精的细分品类。

　　在基因枪的细分领域，WEALTEC公司的产品是代表最新技术力量的第三代低压手持式基因枪GDS-80，BIORAD公司的产品是代表传统台式基因枪技术的PDS-1000。两款产品都造价不菲，因此很多朋友都没有机会亲眼看过真容。笔者在之前的科研经历中，这两种型号的产品恰好都有过使用，并且亲自操作过相关课题，这里希望给大家分享一下笔者在这些年来的实际工作经验中，对这两款产品的实际使用体验。

　　虽然笔者实验室早已经弃用了老式PDS-1000基因枪，完全投入了GDS-80手持枪的怀抱，但是这里为了给大家提供一个更为客观公正的使用者视角，下面笔者会从真实的实际操作体验出发，为大家尽量客观全面地展示这两款产品的真实使用体验，也希望可以为正在比较调研两款产品的同业朋友们提供一个参考角度。本文所提及的事实性内容，均可通过公开信息，如产品说明书、文献资料中查阅验证。

　　虽然两款产品在各类文献中都多有露面，但是文献中多为关于实验条件的记录报告，并无人整理过关于产品实际使用过程和使用体验的文字内容，这也是这篇文章希望为读者提供的价值所在。

　　实验室最早配置的是PDS-1000台式基因枪。当时课题需要将Bt杀虫基因导入水稻愈伤组织，因为从水稻成熟胚诱导出的愈伤组织，经继代培养后可以产生大量的胚性愈伤组织，这些愈伤组织用基因枪批量轰击导入Bt基因，这样开展实验效率会很高。愈伤组织通过基因枪轰击导入Bt基因之后，再通过羧苄青霉素和卡那霉素培养基就可以从样品中筛选抗性愈伤组织了。

　　PDS-1000的外形是一个台式的机器，主要分为两个部分，左半部分需要连接真空泵抽真空的管子，由可以控制真空泵的表头以及轰击按钮等部件构成，右半部分是轰击室，轰击室里面包括样品室以及破裂膜载体膜等固定部件。使用时，需要首先连接氦气瓶和减压阀，并用塑料PEEK tubing连接减压阀和氦气计量阀，再将氦气计量阀与主机连接(在主机右侧压力表后面的接口)。主机与氦气计量阀连接好之后，下一步需要将氦气计量阀与主机之间的电线连接，PDS-1000因为需要连接真空泵，并且本身也需要电力控制，因此只能在室内有电源的固定台面运行。PDS-1000的轰击需要抽真空，所以需要连接真空泵，真空泵的管子需要连接到机器左侧后方的真空管连接处。

　　PDS-1000的原理简单来说是这样的 ：biorad公司准备了一系列不同规格的破裂膜(Rupture Disks，分为450 psi,650 psi,900 psi,1100 psi,1350 psi,1550 psi,1800 psi,2000 psi,2200 psi，这9种压力规格，每种规格100片/包装起购)来控制PDS-1000的轰击压力。轰击时，不同规格的破裂膜会在不同压力下爆裂，破裂膜在爆裂时会随之产生一股强力的震波，这股震波会直冲到下方载体膜(Macrocarriers,500片/包装起购)的后背，这时，载体膜就会被这股强烈震波重重地一把猛推到下面的阻挡网(Stopping Screens,500片/包装起购)上。载体膜面向下方的一面，因为预先涂好了金粉混合液，并且进行过干燥，载体膜猛撞到阻挡网上的瞬间，沾附在载体膜上的金粉运载体，就会通过阻挡网的空隙，被“震”到下方的样本上，完成对样本细胞的轰击。

　　那具体到实际仪器使用时，我们应该如何操作呢?首先我们需要将载体膜用异丙醇清洗，然后用机器配的一个红色小圆柱，把载体膜“怼”进载体膜固定器里固定好，再把金粉溶液涂到载体膜中心的区域。涂好金粉溶液的载体膜需要放到一个密封小盒子里，小盒子里放上干燥剂，安置在一个稳定台面上，等待金粉溶液干燥。大概等10分钟左右，金粉溶液就干燥好了。这个载体膜需要在2小时之内使用，如果不小心超时，则需要重新准备载体膜。

　　下一步，用消毒好的镊子，夹一片选好压力规格的破裂膜，在异丙醇溶液中涮一下，放进破裂膜固定器里，然后把破裂膜固定器拧到轰击室上面的枪管上，用扳手拧紧固定器来固定位置。再下一步，把消毒过的阻挡网装到阻挡网固定器上，再把载体膜固定器上涂有金粉的一面朝向阻挡网，扣在阻挡网固定器上方。注意这里载体膜的方向不要搞错，否则轰击时不会有任何一粒子弹被打到样本上。

　　最后将整个托盘安装到破裂膜固定器下方，用扳手调节好载体膜与上方破裂膜的距离，并固定好托盘。然后，把装样品的托盘固定到下方与枪管距离合适的槽里，轰击室内一共有4个高度位置的槽可供选择。

　　最后，把装有待轰击样品的培养皿，放到样品盘上。关闭轰击室的门，并锁好。

　　终于到了轰击的环节。如果第一次使用，需要测试一下气瓶。

　　首先，我们要将轰击室清空，把左侧机器中间的红色按钮拨到VAC档位，至少达到5英寸汞的真空度。当系统达到了这个最小真空度时，最右面的红色FIRE按钮就会灯亮，这时候，我们需要快速地把中间的按钮拨到最下面HOLD的位置。注意不要在中间的VENT档位停留，否则会跑掉真空度。这时候用手持续按住FIRE按钮，右侧轰击室上方会开始积累压力。随着积累的压力逐渐上升，上升到破裂膜能承受压力的上限，这个规格的破裂膜就会被挤爆。这时需要及时松手FIRE按钮，避免氦气浪费。

　　下一步，我们需要把左方机器中间的按钮拨回到中间的VENT档位，释放真空。打开轰击室，取出样本，取出阻挡网固定器托盘，拧下载体膜固定器，取出阻挡网和载体膜，拧下破裂膜固定器，用镊子取出爆掉的破裂膜，更换新的破裂膜、阻挡网和载体膜(重复上述动作)，并进行下次轰击。

　　如果文字表述的比较抽象，腾讯视频上搜索PDS-1000是可以找到操作使用视频的，这里就不再赘述。

　　可以看出，PDS-1000台式基因枪如果想熟练操作，需要对整个台式基因枪轰击原理有着比较清晰的把握。使用时，中间很多操作环节如果未按照标准操作步骤执行，都容易因为该环节的疏漏，导致影响最终转化效果。

　　后期实验室因为有活体植物叶片转化以及活体芽尖转化的需求，但是这时台式基因枪已经不能满足这些场景的应用了。但幸运的是，在友好单位的推荐下，老板凭借自己的“钞能力”，帮助实验室引入了久仰大名的WEALTEC第三代GDS-80手持式基因枪。

　　在GDS-80上市之前，因为没有其他替代产品，PDS-1000垄断了整个植物基因枪市场。没有同类竞争，加上已有商业专利授权费用涉及到的背后利益纠葛问题，PDS-1000一直保持着最开始的产品设计，而这种室内固定台面在密闭空间的轰击形式，是必然无法对活体植物进行轰击转化的。同样地，如果需要对田间作物进行活体花粉转化，为了基因枪轰击后能够在保证花粉活性的情况下及时给花朵授粉，这种转化也必然需要在田间进行。

　　那可以对植物活体样本直接进行转化，并且无需连接外部电力，仅需要通过氦气纯机械动力驱动的GDS-80低压基因枪，作为目前唯一的便携式植物用基因枪，实际操作起来是怎样的呢?

　　和台式基因枪不同，GDS-80的样子看起来真的像是一把“枪”。也因为这个特殊的外观造型，安装调试之前厂家都会使用快递公司的特安服务快递到单位。原因是工程师如果随身携带这个设备上飞机，经常会被机场安检拦下来拆箱检查，并进行盘问，即使放到托运行李中也不能幸免于广播通报检查。

　　相比PDS-1000复杂的操作步骤，GDS-80应该可以说完全不需要安装调试即可上手操作。因为是便携式枪体，GDS-80本身主机是一个高度整合的结构，并没有多少可以拆装的部件。把枪体主机直接通过输气管连接到气瓶上的减压阀，打开气瓶，通过调节减压阀，设定好轰击压力，就可以扣动扳机直接轰击了。但是因为产品货值比较高，必须要进行现场安装调试，于是工程师只能以减压阀的使用为切入点，重点讲解减压阀使用时的注意事项，也是难为人了。

　　还是简单介绍一下GDS-80的构造和原理吧。

　　这款手持式基因枪分为植物专用枪管(核心部件，动物类实验时可以选配动物用的专用枪管)、枪套(在枪管外保护枪管)、O型密封圈(确保气密性)、枪体主机、弹簧氦气输气管、带流量计的减压阀。因为是便携式枪体，所以这里氦气瓶的选择，可以根据实验室的需求选择大瓶或者小瓶，气瓶内部压力只要保证在1000psi以上就好，这是为了保证氦气的纯度。

　　如果实验室在室内超净台开展的实验比较多，推荐选择大体积的氦气瓶，气量足，使用时间可以更长，因为是在固定位置使用，所以也不用考虑便携式的问题;如果实验室需要在室外作业、比如去田间进行花粉活体转化或者室外活体植物根茎叶转化，也可以选择小气瓶，半个人那么高，很便携，而且网上就可以买到那种气瓶手推车，移动起来很方便，使用的时候也很稳固。

　　GDS-80的轰击原理和PDS-1000完全不同，是一款从0开始重新设计的基因枪产品。

　　基因枪转化法的本质逻辑，就是粒子加速，散弹射击，被打中并且活下来的细胞越多，转化效率就会越高。 基因枪轰击是一个散弹打靶的逻辑，也就是说，一枪打出去，绝大多数子弹是无法命中靶心的!有很多子弹根本没有打中任何细胞，有很多子弹虽然打中了细胞但是却因为速度太快打穿了，最后跑到了细胞外面，有很多子弹也打中了细胞也留在了细胞质中但是却没有发生转化，只有极小一部分的子弹恰好命中细胞核，或者靠着一些机缘巧合的自由扩散运动到了合适的位置，才产生了我们想要的转化，但即使是这样，还有很多原本可以成功转化的细胞，在轰击的过程中还不幸被打死了。

　　这也解释了为什么台式基因枪要从最开始的火药推动，逐步演化为现在的氦气推动。因为火药爆炸产生的震波更强，对样本细胞的杀伤力也更大，会造成更大数量的细胞死亡，转化效率更低。但由于PDS-1000本身枪体的构造原理还保持着最原始的火药基因枪加速方式，也就是靠着高压震波向下猛推载体膜，因此在使用台式基因枪进行轰击时，被轰击样本细胞的死亡率一直很高。同时，因为台式基因枪的粒子加速需要依靠阻挡网，刚性截停高速运动中的载体膜，让载体膜上附着的金粉微粒靠着自身惯性被甩到下方样品上，这里不可避免地就会造成一个问题，那就是本就不多的金粉粒子，有多半还被阻挡网拦在了网上没有打出去，只有阻挡网空隙间漏过去的金粉粒子才能实际产生轰击。也就是说，在基因枪散弹打靶的过程中，PDS-1000很多子弹并没有真正地出膛被打出去，而真正打出去的子弹，很多还是直接打到了被震波已经震死了的大量细胞尸体上，这些都制约了台式基因枪的转化效率。

　　GDS-80装载子弹时，是用移液器吸取了10ul的金粉质粒混合液后，直接将金粉混合溶液加到枪管里。枪管中间部位有一个加样孔，可以根据一人操作或两人配合操作的实际场景需要，将枪管加样孔旋转调节至面向上方(方便助手协助上样)或向面向侧面(方便单人操作时平置主机在台面上样)。金粉混合液在加样到枪管中之后，无需等待干燥，即可直接扣动扳机轰击样本。

　　GDS-80枪管内部结构是拉瓦尔喷管（火箭喷嘴）结构，压缩氦气会以亚音速进入枪管，随着管径逐渐缩窄，到最窄处（加样孔位置）时达到音速，随后金粉溶液会随着超过音速的氦气流体，随着不断扩大的管径被进一步加速，最后以超音速的运动状态被喷射出枪管，轰击到样本表面的细胞上。

　　植物用的GDS-80基因枪型号为GDS-80P，枪管口直径只有4.5mm，一般距离样本3-6cm轰击，对于常见的植物样品仅需要40-60psi的轰击压力。也就是说，同样10ul的样品，GDS-80轰击时，可以将所有子弹几乎100%的数量饱和喷射到一小块非常集中的区域，并且是通过超低的气体压力推送，从而避免了高压震波对样品细胞造成的大规模杀伤。

　　这也是为什么在引入了GDS-80之后，很多实验室即使在做愈伤组织或种胚类的传统台面基因枪轰击时，也会首选使用GDS-80来做。因为一方面GDS-80基因枪的转化效率要显著高于台式基因枪，这当然是最核心的原因;而另一方面可能更为实际的原因是，很多实验室因为人员的流动，过去熟练掌握台式基因枪的人离开原单位后，新人确实很难掌握PDS-1000的使用，而不熟练的误操作会进一步影响台式基因枪的转化效率。随着引入GDS-80，很多实验室的PDS-1000基因枪都套上了防尘罩，静静地被收纳了起来。

　　不需要通过破裂膜来控制轰击压力，GDS-80轰击压力可以通过减压阀直接调节需要的轰击压力。一般轰击植物样本时，我们会根据既往案例进行对比，选择40-60psi的轰击压力进行条件优化。随机器标配的减压阀是自带流量计的减压阀，通过调节流量计旋钮，可以控制每枪轰击的气体流量在10-15L/min，以达到最佳加速效果。

　　GDS-80基因枪主机后方还有一个螺旋结构控制的针状微量调节阀，可以通过旋紧旋松这个调节阀来调节喷射的气量，一般情况下根据轰击压力，按照说明书的推荐松紧度调节就行，如果遇到较脆弱的样品，需要减少轰击气量时，仅需要将微量调节阀调紧即可。

　　如果使用相同质粒通过GDS-80轰击样本，不同轰击之间仅需要对着空地或塑料袋放三个空枪，高速氦气气流即可将枪管中残余的金粉颗粒清除干净，重新上样即可进行下次轰击;如果中途需要更换轰击不同质粒，为避免污染，我们会采用加酒精加水并放空枪重复三次的步骤，来进行快速清洗枪管，也很方便。但我个人感觉，不同基因间轰击这样的清洗操作更多是一个科学感官上严谨的流程，因为虽然我知道GDS-80的转化能力很强，但其实枪管中残留的本就微量样品，如果都能真正被意外地转化进样本里去，我觉得这比中彩票的概率还是低多了。

　　使用结束后，关闭气瓶阀门，反复插拔输气管与GDS-80主机的连接处，将多余气体释放出来，直到压力表清零即可。

　　每次使用完后，枪套旋拧下来，将枪管取出，枪管枪套放到70%酒精溶液中(或者我习惯使用99%酒精溶液)超声震荡30分钟进行清洗，清洗后风干收好即可(酒精很容易挥发，甩几下就干了)。这里需要注意的是枪管内部是经过镜面处理过的，只能使用超声波清洗，千万别用试管刷进去刷。

　　可以看出来，整个GDS-80的使用过程中，不仅操作简便容易掌握，操作效率高节省人力，最重要的是转化效率也更高，而且全程不涉及到任何一次性耗材。

　　我们从基因枪法的原理上可以看出来，基因枪不会是打一枪就完事儿的。如果是一个转化类课题，我们一次肯定要做好2000枪的准备。基因枪就是一个散射，多打，多筛选的技术手段。PDS-1000每枪的一次性使用成本，金粉、破裂膜、载体膜、阻挡网，大致需要80-100元人民币，而GDS-80一枪的成本只有金粉，大约20元人民币，如果使用钨粉轰击，成本则几乎可以忽略不计。所以从TCO (Total Cost of Ownership 总体拥有成本) 角度衡量，PDS-1000的价格实在是高的离谱，我甚至怀疑有一天BIORAD公司会不会走打印机厂商的路线，以几乎白给的价格卖机器，然后靠耗材继续保持盈利(事实上，在GDS-80上市之后，PDS-1000主机的价格也的确在一路下调)。但有趣的是，高耗材成本有时反而在机构销售的市场推广上是优势，我一个在某科研所里工作的朋友跟我讲过，不需要耗材的设备他都持反对态度，不然后面耗材的经费哪里来?你品，你细品。

　　下面我想尽量客观地谈谈我对这2款均颇有历史地位的人类基因导入大杀器产品的使用感受。

　　首先，对于PDS-1000这款产品，我是心存感恩的。

　　自从1987年康奈尔大学Sanford教授发明基因枪以来，逐步从火药动力改进到氦气动力，原型原理一直都没有变过。也就是说，如果没有当时杜邦公司对该产品进行商业化推广，广大科研从业者是用不上这款产品的。即使到现在，杜邦公司依然持有着该基因枪的发明专利，由BIORAD公司贴牌授权销售，也就是说，如果实验室超过一般科研用途，希望将这款产品商用或将成果进行商业转化，所获得的商业收益需要与杜邦分成，前车之鉴可以参考《未能完成支付 杜邦就"技术使用费"起诉孟山都》。上世纪90年代，我国基因工程类的基础百废待兴，亟需引入国外先进科学仪器的支援，大量科研机构和大学，就是因为那时大批量配备了PDS-1000这款产品，才大大加速了我们国家基础科研的进程。想想要是没有基因枪，别说当年农杆菌侵染单子叶植物的问题还未解决，单子叶植物基因转化工作不能顺利开展，就是你验证几个基因片段的瞬时表达，想想没有基因枪的话需要多花多少工夫吧!

　　但是时代在发展，科技在进步，新技术终究会代替老技术走向前台。

　　GDS-80上市之后，越来越多地走进了新建的实验室中来。即便是我这种顶着“会操作各类复杂仪器”光环的老玩家，也不得不含泪把台式机雪藏到柜子里(据我看到的周围不少实验室也是这么做的)。毕竟人生苦短，做实验的时间是自己的，谁会和自己的时间过不去呢?更高的转化效率，更快速直接的操作使用体验，更低的使用成本，这些仅仅还只是GDS-80通过重构了基因枪的设计原理就能带来的好处。然而植物基因枪从台式到便携式发展所带来的影响，还远不止这些。

　　就通过基因枪做转化植株来说，目前较为成熟的路径有三种：1. 转化愈伤组织通过组培得到后代   2. 田间转化活体花粉通过直接授粉得到转化种子   3. 田间通过转化活体植株芽尖分生组织培养转化植株。

　　这三种途径，台式基因枪仅能帮助实验室通过第一种途径完成转化，而GDS-80却可以覆盖以上所有应用。

　　中国农业科学院棉花研究所(中棉所)在2013年发布的《棉花的基因枪活体快速转化方法》，开发出了通过第三代低压手持式基因枪GDS-80进行的活体花粉转化体系，后期并将基于该成果的《Cloning of SjCA gene and its expression analysis on upland cottons》发表在《Journal of Biomedical Engineering and Informatics》上。

　　另外，能够在活体植物上进行一些瞬时表达实验，也可以大大简化实验设计。比如国立台湾大学植物生物学研究所在《PLoS Genetics》上发布的一项报告中，课题组在IbNAC1启动子的-1484到-1479bp之间发现了一个创伤反应性G-box顺式作用元件。从伤口激活的转录组数据筛选中，选择出了一个转录激活子IbbHLH3和一个阻遏子IbbHLH4，分别结合并激活或抑制IbNAC1启动子中的G-box模体以调节IbNAC1介导的反应。课题组使用GDS-80基因枪传递系统通过粒子轰击法在甘薯叶片中瞬时表达了35S::YFP-IbbHLH3或35S::YFP-IbbHLH4。结果表明，IbbHLH3的存在增加了IbNAC1的表达。相反，与EV植物相比，IbbHLH4过表达植物中IbNAC1的表达受到抑制。课题组通过活体植物基因枪转化，快速搭建了这项可以精确转换IbNAC1表达调控机制的基因模型，并且向我们展示了植物中又一个精美的防御调控网络。

　　以上，是我个人这些年来一线工作中总结出来的一些心得体会，有幸能够发起这个话题供大家参考，作为一个终端使用者分享了我对GDS-80基因枪与PDS-1000基因枪的一些对比评测体验。也希望以后可以在更多的地方，能更多地听到一些我们生命科学行业里有质量、有价值的声音!