农杆菌在转基因植物中的作用

二、农杆菌在转基因植物中的作用

冠瘿病和发根病包含有独特的植物-细菌关系，其中细菌DNA可物理性地转移给植物细胞。事实上，T-DNA的转移只与两个边界序列有关，尤其是右边界对T-DNA的准确转移是不可缺少的，而边界序列之间含有什么基因并不影响T-DNA的转移。因此，Ti系统可被用作导入DNA到植物中的载体，可以用所希望转移到植物中的基因代替T-DNA区中的致瘤基因，然后利用农杆菌将这个改造后的T-DNA转移到植物基因中，获得我们所希望得到的转基因植株。植物通常难以转化，但通过农杆菌就容易实现。

双子叶植物是农杆菌的天然寄主。自1983年农杆菌被首次用于烟草基因转化以来，现已被广泛用于双子叶植物的转化，如烟草、马铃薯、番茄、大豆、甜菜、拟南芥菜、茄子以及十字花科芸薹属植物等。随着对农杆菌-植物之间的相互关系以及T-DNA转移机制的不断深入了解，以前曾难以被农杆菌转化的单子叶植物，特别是主要的粮食作物，如水稻、玉米、小麦和大麦，近年来也成功地被农杆菌转化。目前由农杆菌介导的转基因植物已扩展到许多经济作物、粮食作物、蔬菜、花卉、药用植物、水果、树木及牧草等，有些已经实现了商品化。农杆菌正发挥着多方面的重要作用。

1.在植物品种改良上的作用

农杆菌在改良作物的遗传性状方面发挥了重要作用。例如，利用农杆菌培育抗病虫害、抗除草剂植物品种。将苏芸金杆菌的毒性基因与根癌农杆菌Ti质粒重组，再通过农杆菌导入番茄细胞中，培育出抗鳞翅目害虫的番茄。实验表明，用这种转基因番茄植株的叶片饲喂新生害虫幼虫，48小时内幼虫全部杀死，且对叶片很少伤害。

抗甘草膦除草剂植株的培育很有实用价值。甘草膦是一种广谱除草剂，对杂草有极大的杀灭作用，对动物无毒，在环境中极易分解;然而它能杀死其他所有的植物，因此，生产上仅局限于种植前使用。通过对鼠伤寒沙门氏菌诱变，分离得到对甘草膦除草剂有抗性的突变体，并提取出被改变的基因与根癌农杆菌Ti质粒重组，导入烟草、番茄、白杨和棉花的叶片细胞中，就能得到具有遗传抗性的植株。

此外，还有很多利用Ri质粒转化使植株及其后代表现出许多可遗传的变异性状的事例，如植物矮化、节间缩短、根系发达、生长加快、花型叶型改变等，在园艺植物品种改良中有很大的应用价值。

2.在植物栽培中的应用

许多木本植物扦插繁殖时生根率很低，限制了繁殖速度，用发根农杆菌处理这些植物的插条，能够明显提高生根率，从而促进地上部分的生长。例如，欧洲榛(Corylus avellana)的两个栽培品种Ennis和Casina插条生根很困难，由IBA处理可以促进生根，但会引起芽的脱落，而用发根农杆菌处理插条，既可以促进生根，又不会引起芽的脱落。用发根农杆菌处理橄榄树枝条，结果其生根率提高，根的生长量增大，进而使地上部分(包括树干直径、树体高度、开花量、结实率和单果重)的生长量明显高于对照。

3.在植物次生代谢产物生产中的应用

通过发根农杆菌Ri质粒转化诱导出的毛状根具有生长迅速、激素自养、生长条件简单、次生代谢产物含量高且稳定、分化程度高，不易变异等特点。因此毛状根培养技术被认为是一条利用生物技术生产次生代谢产物(如药物、天然色素、香料、天然调味品等)的新的有效途径。目前，通过毛状根培养可以生产的次生代谢产物有生物碱类(如吲哚、喹啉、莨菪烷、喹嗪烷等)、甙类(如人参皂甙、甜菜甙等)、黄酮类、醌类(如紫草宁等)、多糖类、蛋白质(如花粉蛋白等)和一些重要的生物酶(如超氧化物歧化酶)等。

传统的植物转基因方法直接将裸露的DNA向植物组织转移，因而DNA在植物基因组中的整合缺乏限制因素，随机性大，规律性差。农杆菌转化系统与DNA直接转化方法不同，它是一种生物转化系统，因而具有主动性;它选择性地转移Ti质粒上以两个25bp重复序列为端点的T-DNA;在VirD₂蛋白的帮助下，可以主动地插入到植物染色体上。此外，农杆菌转化系统获得的转基因植株还具有拷贝数低(一般1～3拷贝)、可转移基因片段较长等优点。因此，农杆菌已被用作转移外来基因到植物内的主要载体工具。但其存在的生物安全性问题还无法评价。