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土壤农杆菌

省部重点实验室

2012/04/21

在自然界存在一种叫做土壤杆菌的细菌，它能感染植物的受伤组织，特别是根茎交接处的受伤组织，引起冠瘿瘤。冠瘿病损害为数众多的双子叶植物，特别是葡萄、核果类树木和观赏植物。冠瘿细胞是植物肿瘤细胞，在许多方面与动物肿瘤细胞类似。它们只有无限生长的能力，把一小块冠瘿组织放入不含植物激素的培养基中培养，能长成大的细胞团块(愈伤组织)，而正常植物细胞在不加植物激素的培养基中则不能生长。冠瘤拥胞能制造一类叫做冠瘿碱(opine)的氨基酸衍生物(如章鱼碱和蓝曙红)，供根癌土壤杆菌作为养料使用，在正常植物细胞中从未发现过这类物质。

根癌土壤杆菌能把植物细胞转化为肿瘤细胞，是由于它含有一种肿瘤诱导质粒，简称Ti质粒。当细菌感染植物时，Ti质粒中大约占这个质粒l／10的DNA片段(称为转移DNA或T—DNA)进入植物细胞，并整合到植物的染色体上，随染色体一起复制。随后T—DNA携带的细菌基因（致瘤基因和合成冠瘿碱的基因)使在植物细胞中表达，使植物细胞转化成肿瘤细胞，并合成冠瘿碱。由于根癌土壤杆菌能把细菌基因引入植物细胞，并在那里表达出蛋白质来，所以人们称它为天然的“遗传工程师”。这给人们以启示。能否用重组DNA技术把与高产、优质、抗病、抗旱和抗盐碱等优良件状有关的基因循人到T—DNA中，然后再通过根癌土壤杆菌的感染把这些基因引入植物细胞呢?最近几年的研究进展表明，这是完全可能的。

Ti质粒是独立复制的环状DNA分子。由大约1．5—2xl0⁵碱基对组成，相当于细菌染色体的3—5％。它有两个主要类型：一类叫章鱼碱质粒，含有这种质粒的细菌能以章鱼碱为氮源和碳源生长；另一类叫蓝署红质粒，含有这种质粒的细菌能利用蓝曙红。每一种根癌土壤杆菌只含有一种Ti质粒，或者是章鱼碱质粒，或者是蓝曙红质粒。这两种质拉的DNA同源性很低，一般为12—16％，说明它们可能具有不同的进化史。

T—DNA是Ti质粒中最重要的组成部分．它所携带的基因主要有两个功能：一是决定肿瘤的形成和肿瘤的形态；二是控制冠瘿碱的合成。如果T—DNA中的致瘤基因发生突变，可能出现三种表型：一是产生比正常肿瘤个大的肿瘤；二是使肿瘤长出许多根；三是使肿瘤长出许多芽。在T—DNA区域以外也有一些基因已被定位，其中毒性基因的功能是决定根癌土壤杆菌对植物的感染以及T—DNA的进入和整合；章鱼碱代谢基因和蓝曙红代谢基因分别编码代谢这两种冠瘿碱的酶；质粒转移基因控制细菌的接合作用；不相容性基因控制Ti质粒与其它质粒的不相容性。

Ti质粒之所以能成为把外源基因引入植物的良好载体有两方面的原因。第一，携带质粒的根癌土壤杆菌的寄主范围很广，实际上它能转化所有的双子叶植物。第二，整合到植物染色休上的T—DNA能随种子遗传，而且T—DNA有自己的启动基因，可以启动与其连接的外源基因的转录。此外，也有人研究以植物病毒DNA为载体转移目的基因，或者直接把DNA注射到植物的花粉管和子房中。

Ti质粒直接用作基因载体有两个困难：一是它的分子量太大，内切酶位点很多，不容易进行体外重组DNA操作；二是被T—DNA转化的植物细胞成为肿瘤细胞，不能再生成植株。克服第一个困难的办法是先把T—DNA克隆到大肠杆菌的小质粒上，把目的基因插入到小质粒的T—DNA中，然后再设法转移到天然的Ti质粒中。克服第二个困难的办法是在T—DNA的特殊位点中插入目的基因和供筛选用的抗药基因，一方面使致瘤基因发生插入突变，从而使转化细胞能再生成植株，另一方面使目的基因正好位于T—DNA的启动基因的下游，以便启动目的基因的转录。

有人经过研究发现了这样一种作用模型：大多数双子叶植物受伤后会产生一种叫丁香酮(acetosyringone)的物质，这时土壤农杆菌感染后，丁香酮在Ti质粒上Vir A的产物A的协同作用下促进了Vir G产物G的活化(即磷酸化)，然后产物G相继激活Vir B、V ir c、Vir D、Vir E等操纵子，特别是Vir D和Vir E。前者产生两种蛋白，D1为缺刻酶(nickase)，它能特异性地在T—DNA两端产生缺刻；D2则是一种蛋白复合物，它粘在已断开的T—DNA的两端，具“导航”的功能，有人认为它是Rec A，起重组的作用。后者产生单链结分蛋白(SSB)，有保护缺刻产生后的T—DNA的功能。T—DNA在诸多蛋白的导航、保护下重组进核基因组。这种转比方法优点是方便，不需分离原生质，且插入的基因拷贝数目少，比较稳定。但它的缺点是土壤农杆菌主要只适于侵染双子叶植物，单子叶植物能被侵染的较少，这就在一定程度上影响了这种方法的推广。有人发现单子叶植物受伤后很少产生丁香酮，这是否是侵染的关键呢?目的许多实验室都在作这方面的探索，以期望能克服这种方法的局限性。

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