运用重组DNA技术遗传设计禾谷类（最重要的粮食作物）及其他禾本科作物的一个问题是不能用土壤杆菌（Agrobacterium）作为这类作物的基因载体。

尽管在双子叶植物中已获得成功。但是，现已证明，通过培养具有遗传变异的愈伤组织，运用直接基因转移技术可以转化禾本科作物的原生质体，而不需要土壤杆菌载体（早期用烟草原生质体所作的成功实验即是以土壤杆菌作为基因载体）。业已证明，通过再生植株的杂交，基因即按孟德尔遗传方式导入烟草中。该项工作表明，转化禾本科作物种类并不存在根本的分子水平上的阻遏，遗传工程技术不久将会在禾谷类作物上得到应用。

作用土壤杆菌转移基因的方法在双子叶植物中常常被用来使得外源基因与核基因稳定地整合。已经证实，这些基因通过有性杂交传递给子代。正如一些文献中描述的那样，试图将同样的方法应用于单子叶植物已取得了一些成功。经过用A. tumefaciens（一种土壤杆菌——译者）接种，水仙和绿藻产生一种凸状体，该凸状体含有表达基因（opine）Opine合成基因的表达通常取决于它们被转移到的植物细胞。A. tumefaciens产生的胭脂碱可诱导天门冬植物发生徒长。这表明有些单子叶植物对土壤杆菌感染是敏感的，并且可以表达肿瘤DNA，尽管关于外源DNA整合的结论性证据仍然缺乏。

在早期烟草上所做的工作中，帕兹考斯基（Paszkowski）、鲍拉开斯（Potrykus）及其同事利用直接基因转移将可选择的外源DNA导入原生质体中，并与核基因整合，该DNA分子与核基因稳定地掺合并按孟德尔遗传方式传递给子代植株。基因的直接转移常常被用于转化动物细胞，奇怪的是这一方法还未能广泛地在植物细胞中加以试验，一个原因就是该方法需要的植物原生质体比动物细胞的染生质体脆弱并难以培养。特别是由于分离时的伤害作用，分离后的植物原生质体DNA合成及有丝分裂通常要推迟几天。外源DNA的整合可能就发生在染色体DNA合成期间，因而在被整合之前，外源DNA可能被核酸酶降解。

在禾本科作物原生质体上所做的工作中，罗兹（Lo?z）及其同事将来源于一种可选择质粒（PBLU03-4，含有可选择的重叠基因并带有胭脂碱合成酶启动子、Tn5氨基葡萄糖磷酸转移酶Ⅱ的基因密码区、章鱼碱合成酶基因的多聚腺苷标记以及玉米转座因子Ac）的DNA导入从一种小麦属单球菌（Triticum monoccum）的悬浮培养中分离出来的原生质体中。选择转化的细胞，通过检测氨基葡萄糖磷酸转移酶Ⅱ活性进行标记，转化频率大约为1/(5×10⁴原生质体)。而存在于外源DNA中的Ac因子用来研究除玉米外的禾谷类作物整合之后的可能激活作用。

鲍拉开斯及其同僚利用与先前相同的可选择质粒（PABDI）证实烟草中的直接基因转移。该质粒包括一个重叠结构，此结构中，转座因子Tn5的氨基葡萄糖磷酸转移酶基因由花椰菜花叶病毒Ⅵ基因的启动子、终止子及起始信号所控制。这一试验的原生质体来源于Lolium multiflorum（意大利黑麦草）的悬浮培养。选择那些抗抗生素G418的细胞群体（未转化的黑麦草悬浮原生质体拮抗较高浓度的卡那霉素）。从这些选择的细胞中可以发现磷酸转移酶基因的活性产物。此外，提取这些细胞中的染色体DNA，用缺刻转移基因法制造探针，Southern blot法进行分子杂交，至少可以检测到导入的DNA每个基因组的5个拷贝，显然不需要任何进一步重组。这样，便使得外源基因稳定地整合到禾本科作物中，其转化频率大约为1/(4×10³)。

类似的方法还在两个例子中用来导入DNA到原生质体中。使用克林斯（Krens）等发明的程序（Krens等曾用Ti质粒直接转化双子叶植物原生质体），随着质粒DNA的线性化，通过在聚乙二醇及过量或不过量载体DNA存在条件下培养原生质体和DNA，便可将外源DNA导入原生质体中。在用黑麦草所做的工作中，原生质体在经过转化处理之前还要经过热休克阶段（45℃10分钟，然后0°C10秒钟）。

已经证明，通过直接的基因转移稳定地转化禾谷类作物是可能的。利用遗传工程改造禾谷类粮食作物已为期不远。大体上讲，由于不需要细菌载体，因而没有太大的限制。但是，需要一个从原生质体中分离、培养、再生植株的体系。禾谷类作物试验的主要问题是如何从原生质体中得到完全转化的再生植株。此外，到目前为止，至少就烟草而言，基因直接转化的频率低于那些用土壤杆菌协同培养所得到的转化频率（大约是0.01%比10%）。直接导入DNA也许存在多拷贝或其他修饰作用。下一步要解决的问题是发展该方法、提高转化频率、改进转化技术以转化具有全能性的禾谷类作物细胞。换句话说，这是细胞生物学和组织培养面临的一个新问题，而不是分子生物学的基本问题。

[Nature，1985年第10期]