农杆菌介导的基因转移

2025年03月17日 | 阅读 9 分钟

根癌农杆菌 (Agrobacterium tumefaciens) 是一种罕见的细菌，因其将遗传物质转移到植物细胞中的非凡能力而引起了学者和农民的广泛关注。 这种细菌在植物生物技术中至关重要，并彻底改变了基因工程。

在本文中，我们将深入探讨根癌农杆菌的迷人世界及其在农业和科学研究中的作用。根癌农杆菌是一种革兰氏阴性土壤细菌，可自然感染多种植物物种。

它通常存在于根际，即植物根部周围的土壤区域。该细菌中存在的大型肿瘤诱导 (Ti) 质粒是它与其他细菌的区别所在。转移 DNA (T-DNA) 由 Ti 质粒携带，负责将遗传物质转移到宿主植物中，是 DNA 的一部分。

“水平基因转移”是指由根癌农杆菌促进的基因传递机制。 首先，该细菌会检测到受伤植物组织释放的特定化学信号。这些信号会引起细菌与植物细胞连接，并将部分 T-DNA 从其质粒转移到植物基因组中。Ti 质粒上的基因以及复杂的蛋白质系统有助于这种转移。

一旦 T-DNA 被整合到植物的基因组中，它就可以引起植物肿瘤或根瘤的生长。这些根瘤为细菌提供了富含营养的环境，使其得以生长和繁殖。转移的基因会影响转化的植物细胞，这些细胞随后开始产生有助于入侵性细菌的物质。对根癌农杆菌与受感染植物之间的共生关系进行了大量研究。

根癌农杆菌将遗传物质引入植物的能力引起了科学家们的极大兴趣。研究人员发现，他们可以利用这种自然发生的现象，将理想的性状嫁接到具有重要农业应用价值的植物上。正是在这种认识的推动下，才发现了农杆菌介导的基因转化。

通过改变 Ti 质粒的 T-DNA 部分，并用所需的基因替换诱导肿瘤的基因，农杆菌就可以进行基因转化。这些基因可以来自一个或多个植物物种，甚至来自完全不相关的生物。科学家们可以修改各种农作物的 T-DNA，以添加有利的性状，例如抗虫性、抗除草剂性、提高产量或改善营养价值。

在农杆菌介导的基因转化过程中，通常首先制备带有修饰的 Ti 质粒的根癌农杆菌细胞。然后，在实验室环境中，将这些细胞与各种植物组织（如叶片或茎段）结合。为了加速感染过程，对植物组织进行损伤。这使得细菌能够将突变的 T-DNA 引入植物细胞。感染后，植物组织在特殊的培养基上培养，该培养基可促进转化细胞的增殖。这些细胞最终会发育成具有所需性状的完整植株。

农杆菌介导的基因转化能够以更高的精度和效率将新的性状引入农作物，从而彻底改变了农业。农杆菌介导的转化在许多方面优于其他方法，如粒子轰击和电穿孔。它能够稳定地将基因整合到植物基因组中，从而产生可遗传给后代的稳定遗传变异。

此外，它允许插入大量 DNA 片段，从而能够引入复杂的性状和基因簇。除了将性状引入水稻、小麦、玉米和大豆等主要农作物外，还可以将性状引入水果、蔬菜和观赏植物等专业作物。通过使用这种方法，科学家们培育出了抗虫作物，从而减少了对化学农药的需求，培育出了抗除草剂作物，从而实现了高效的杂草控制，并培育出了抗病作物，能够抵抗有害的感染。

创造营养价值更高的转基因 (GM) 作物是农杆菌介导的基因转化成功应用的显著范例。例如，为了应对饥饿和营养不足，科学家们将基因插入农作物以提高其维生素和矿物质含量。为了生产β-胡萝卜素（维生素A的前体），转基因水稻品种“黄金大米”使用了来自细菌和水仙的 DNA。这项发明旨在对抗维生素A缺乏症，维生素A缺乏症可能导致发展中国家失明和其他健康问题。

此外，农杆菌介导的转化提高了作物品质和产量。引入增强光合效率、提高抗旱性以及改善收获后储存特性的基因，从而培育出产量更高、适应性更强的作物。通过提供稳定且充足的粮食供应，这些发展有助于确保全球粮食安全。

T-DNA 在农杆菌介导的基因转移中的作用

T-DNA 对于根癌农杆菌介导的外源遗传物质从该细菌转移到宿主植物基因组中至关重要。 当植物被 A. tumefaciens 感染时，会自发形成根癌或肿瘤样结构，从而触发这一过程。为了创造一种有效的基因工程工具，科学家们已经利用了这种自然现象。

T-DNA 转移过程：农杆菌介导的转移涉及多个步骤

附着与识别： 根癌农杆菌定位受损的植物组织并附着在宿主细胞上。
毒力诱导： 当 A. tumefaciens 附着后，它会检测到特定的植物信号，这些信号会引起毒力 (vir) 相关基因的产生。
T-DNA 加工： vir 基因产生蛋白质，这些蛋白质负责将 Ti 质粒的 T-DNA 部分排出并转移到植物细胞中，除此之外还有其他任务。
T-DNA 整合： 宿主植物细胞的细胞核通过细菌和植物细胞边界的膜转移，接收加工后的 T-DNA。
整合与表达： T-DNA 进入植物细胞核后，会整合到植物基因组中，从而实现稳定遗传和表达。

T-DNA 特征：T-DNA 具有独特的特征，使其成为基因工程的理想载体

边界序列： T-DNA 周围的边界序列充当 A. tumefaciens 中加工和转移机械的识别位点。
启动子和终止子序列： 由于 T-DNA 具有自身的调控元件，包括启动子和终止子，因此可以在植物中表达外源基因。
基因替换能力： 利用同源重组，T-DNA 可以替换植物基因组中的特定基因，从而实现精确的基因定位和操作。
转移效率： T-DNA 转移的高效率导致 T-DNA 的多个拷贝整合到植物基因组中。

基因工程应用：T-DNA 的独特特性彻底改变了植物基因工程

基因转移： 利用 T-DNA 作为将所需的基因引入植物基因组的载体，可以实现引入抗虫性、抗病性和改良的农艺性状等性状。
基因敲除和沉默： T-DNA 可用于沉默或破坏特定基因，使研究人员能够研究基因功能，并更深入地了解基因如何影响植物发育、代谢以及对环境挑战的反应。
基因叠加： 可以将多个 T-DNA 插入物引入同一株植物，从而实现不同性状的叠加，从而培育出产量和营养价值更高的作物。
转基因植物生产： T-DNA 促进了转基因植物的大规模生产，从而能够为制药和农业行业生产转基因作物。

T-DNA 如何从农杆菌转移到植物细胞？

T-DNA 转移过程可分为几个关键步骤：附着、诱导、转移和整合。每个步骤都涉及农杆菌与植物细胞之间的特定分子相互作用。

附着： 农杆菌附着在植物细胞表面是 T-DNA 转移的第一步。菌毛，类似于毛发，是农杆菌的附属物，有助于其附着在植物细胞上。菌毛识别并结合特定的植物细胞表面受体，例如蛋白质和碳水化合物。
诱导： 农杆菌附着后，当特定的植物物质（如酚类化合物）激活信号转导通路时，会激活一组称为 vir（毒力）的基因。vir 基因产生多种蛋白质和酶，可促进 T-DNA 转移。
转移： 病毒基因开启后，转移机制开始启动。农杆菌通过一种称为 IV 型分泌系统 (T4SS) 的特殊蛋白质复合物将 T-DNA 和伴随的蛋白质递送到植物细胞中。T4SS 充当连接细菌和植物细胞膜的分子注射器，以便将 T-DNA 从农杆菌转移到植物细胞的细胞质中。
T4SS 介导的转移由许多关键组件介导。由 VirB/VirD4 蛋白组成的 T4SS 核心复合物创建了一个通道，T-DNA 可以通过该通道穿过。T-DNA 编码的 VirD2 蛋白对于 T-DNA 在转移过程中的加工和保护至关重要。
整合： 进入植物细胞后，T-DNA 被转移到细胞核。通过同源重组（一种生物过程），T-DNA 与植物细胞基因组结合。根据实验设计，整合位点可能是随机的或靶向的。像 VirE2 和 VirE3 这样的农杆菌蛋白，它们有助于保护 T-DNA 并允许其进入细胞核，对于整合是必需的。
当 T-DNA 进入细胞核时，它会与植物细胞的染色体 DNA 融合，形成植物遗传物质的稳定组成部分。除了 T-DNA 之外，农杆菌还会转移其他遗传成分，其中就包括对 T-DNA 转移过程本身至关重要的毒力 (vir) 基因。这些基因中的一些是 virA、virG 以及其他 vir 操纵子。尽管 vir 基因不是植物细胞基因组的一部分，但它们对于 T-DNA 转移程序的管理至关重要。