农杆菌对植物根的侵染作用

一、农杆菌对植物根的侵染作用

植物创伤后通常形成良性的组织堆积，即所谓的愈合组织。而根癌农杆菌感染创伤组织后形成的肿瘤不同于愈合组织，它能像动物肿瘤一样不断地增殖，肿瘤一旦形成，就能在没有植物激素和细胞分裂素供给，也无农杆菌细胞存在的条件下继续生长。引起肿瘤的根癌农杆菌细胞中存在称为Ti(tumor induction肿瘤诱导)质粒的大型质粒。在发根农杆菌中，称为Ri质粒的类似质粒是形成发根所必需的。根癌农杆菌在感染后，一部分Ti质粒，称为转移DNA(transfer DNA，T-DNA)，整合到植物的基因组中。T-DNA携带控制肿瘤形成和合成多种称为冠瘿碱(opine)的修饰氨基酸的基因。T-DNA在植物细胞中的表达诱导肿瘤形成。冠瘿碱由转移T-DNA的植物细胞产生。冠瘿碱是农杆菌的主要碳、氮和能源，其他土壤微生物不能代谢，从而使农杆菌在自然界中为自己赢得了独有的生存空间。羧乙基精氨酸(octopine)和nopaline(它们都是精氨酸的衍生物)是最常见的冠瘿碱。

冠瘿病的发生过程大致为:农杆菌感染受伤植物—农杆菌附着在植物细胞上—T-DNA从细菌质粒转移给植物细胞，并整合到植物染色体上—肿瘤形成并合成冠瘿碱。

为诱导肿瘤形成，农杆菌必须首先在植物受伤组织附着。植物组织对农杆菌的识别，由农杆菌和植物表面互补的受体分子的相互识别完成。植物的受体分子是一类复杂的多聚糖。农杆菌的受体镶嵌在细胞壁的脂多糖中，是一类含β-葡聚糖的多聚糖。植物受到伤害后，将会分泌出含有酚类化合物(如acetosyringone，p-hydroxybenzoic酸和香草醛vanillin)的汁液，农杆菌对这些酚类化合物的趋化性促使农杆菌向植物受伤部位移动并附着于植物细胞表面。农杆菌在植物受伤点附着后，迅速合成微纤维，固定在植物受伤点，在植物细胞表面形成大的细菌聚集体。

细菌聚集体上的农杆菌向植物细胞转移质粒。Ti质粒大约200kb，由可转移DNA(TDNA)区、毒性区(Vir区)和冠瘿碱分解代谢编码区等构成。虽然农杆菌感染植物是众多基因共同作用的结果，但真正能转移到植物细胞的基因，实际上只有一小部分Ti质粒片段，即T-DNA，长约20kb。T-DNA两端是两个25bp的重复序列，分别称为左边界和右边界，两个边界序列之间是生长素、细胞分裂素和冠瘿碱的合成基因。Ti质粒中的毒性(virulence)基因对T-DNA的转移非常关键。毒性基因编码合成T-DNA转移所需的蛋白质，协助完成TDNA从农杆菌向植物的转移及整合过程，使T-DNA插入到植物细胞核染色体中。植物受伤分泌出的酚类化合物同时诱导毒性基因的表达。T-DNA区内的基因表达调控序列与真核生物类似，故可以在宿主植物中表达，进而诱导肿瘤形成。因此，对冠瘿病遗传机制的研究有望为控制人类恶性肿瘤提供参考。

发根农杆菌的转化机理与根癌农杆菌类似，其中含有的质粒称为发根诱导(Ri)质粒，Ri质粒中也含有致瘤基因。Ri质粒的T-DNA也含有与发根生成有关的植物激素合成基因和冠瘿碱合成基因。植物根被Ri质粒感染后，Ri质粒中的致瘤基因引起植物激素分泌增多，导致植物根组织过度生长，表现病状。