农杆菌　植物界的转基因大师

农杆菌是普遍存在于土壤中的一种革兰氏阴性细菌，生活在植物的根的表面，依靠由根组织渗透出来的营养物质生存。它能在自然条件下趋化性地感染大多数双子叶植物或裸子植物的受伤部位，并诱导植物产生冠瘿瘤或发状根。其中，根癌农杆菌是农杆菌的重要组成部分之一。

　　

　　小小杆菌　偏食何道

　　

　　根癌农杆菌生活在土壤——特别是耕种过的田地里，因为经过耕种的土壤疏松，适宜根癌农杆菌生长。根癌农杆菌的身体为棒状，有两三个微米长，靠几根鞭毛运动，鞭毛一般生在侧边。用显微镜放大到1000倍时，人们就能把它看得很清楚了。

　　根癌农杆菌虽小，也有细胞壁，按以前的生物两界分类法，它当然属于植物界，就是说，它曾被当作是一种低等植物。

　　在许多双子叶植物靠近地面的根茎交界处，根癌农杆菌能诱发一种帽状肿瘤，人们称之为冠瘿瘤病。这种病曾在法国、东欧和澳大利亚的葡萄等果树上大面积发生，造成很大的危害。在其他地方，甚至城市园林绿化中，也有不少植物患上此病。

　　人们发现，根癌农杆菌所产生的冠瘿瘤病，与豆科植物根部的固氮根瘤细菌所产生的根瘤相似；然而，事实上，两者的作用方式并不一样。

　　豆科植物的固氮根瘤菌会钻到植物细胞内部，与植物细胞共生，根瘤细菌为豆科植物提供氮肥，植物细胞则供给根瘤细胞其他各种营养。

　　根癌农杆菌虽然也能诱发植物肿瘤，细菌却并不侵入到植物细胞里面去。

　　这到底是怎么一回事呢?

　　原来，根癌农杆菌是一群特别偏食的家伙，最爱吃一类叫冠瘿碱(氨基酸衍生物)的物质。对于根癌农杆菌来说，这种物质既是丰富的碳源，又含足够的氮元素，能够很好地满足它们的生活所需。

　　可是，到哪里去找冠瘿碱呢?一般情况下，正常生长的植物体内是没有冠瘿碱的。不过，这一点也难不倒根癌农杆菌。

　　农杆菌的细胞内除含通常的染色体外，还含有一种Ti质粒。质粒是许多原核生物细胞内具有的一类小型的环状DNA，虽然它们对原核细胞本身并非是必需的，却常常具有特殊的功能。农杆菌细胞内的Ti质粒上面就有一段能够专门指导合成冠瘿碱的基因。T是英文tumor(肿瘤)的缩写，i是induce(诱发)的意思。Ti质粒就是诱发肿瘤的质粒。

　　可以说，Ti质粒就是农杆菌获取美食的魔圈法宝。

　　

　　设备简陋　草船借箭

　　

　　由于根癌农杆菌属于原核生物，细胞内“设备”简陋落后，缺乏叶绿体、线粒体等各种细胞器，甚至连像样的细胞核都没有，根本合成不了冠瘿碱这种特殊的食物。

　　怎么办呢?农杆菌并不发愁，因为它会“草船借箭”：通常，受伤的植物组织会产生酚类化合物。不远处，一头牛刚好蹭破一棵小树的树皮，还有害虫咬破了一棵幼苗的表皮细胞。万事俱备，正好东风吹来，一股一股的乙酰丁香酚的气息飘来。“哇，好香啊!一定是那里的植物细胞有隙可乘，让我们快快行动起来吧!”农杆菌们兴奋起来。

　　靠它们的鞭毛，没几个小时，根癌农杆菌们就在植物伤口的若干位点上附着了。附着好之后，它们立刻拿出内部的魔圈法宝——Ti质粒挨近一个个植物细胞。Ti质粒上的VirA，VirG基因首先活跃起来，接着激活了Vir区各个基因的表达，一些基因开始转录翻译生成一些酶，这些酶帮助从质粒环上复制出单链的T-DNA，这里的T是Transfer(转移)的意思，T-DNA链就是待转移的DNA链；T-DNA链又与virE2蛋白结合形成T复合物；T复合物由细菌细胞中分泌出来进入植物细胞，接着又被摄入细胞核：奇妙的是，T-DNA一旦进入植物细胞核，就很容易地被整合进植物染色体基因组中去了；然后，借用植物细胞内的各种细胞器，包括内质网、高尔基体等等先进设施，植物细胞基因组上这段T-DNA基因开始表达产生冠瘿碱，同时还生成许多植物激素。植物细胞在这些激素的作用下被追加速分裂生长，结果形成了肿瘤，即冠瘿瘤。

　　由于每一个植物肿瘤细胞中也都含有指导冠瘿碱合成的那段基因，于是合成了更多的冠瘿碱。这时，根癌农杆菌可以在植物细胞外面守株待兔等着吃源源不断的可口美餐了。

　　有趣的是，根癌农杆菌还有一个同属兄弟，名叫发根农杆菌。它这兄弟也喜欢嗜食冠瘿碱类物质，只是它们使用的方法不同。发根农杆菌不是在植物根茎部诱发肿瘤，而是在土壤深处的根部诱发毛状根。

　　发根农杆菌细胞内的Ri质粒(Root Inducing plasmid)一样能向植物细胞中转移基因，诱发的植物毛状根细胞内同样能大量合成冠瘿碱，满足自己的需要。

　　

　　基因载体　屡立奇功

　　

　　在许多植物基因工程中，都需要利用基因载体来转移目的基因。基因载体的种类很多，比如向大肠杆菌、酵母菌内转移基因，人们一般利用噬菌体；向高等植物转移基因，最好的载体就是农杆菌了，包括根癌农杆菌和发根农杆菌。

　　人们把农杆菌Ti质粒(或Ri质粒)上指导合成冠瘿碱的那段基因替换成我们要转移的目的基因，比如某种抗虫基因，同时把诱导植物肿瘤(毛状根)的基因去掉，这样转基因植物就能表现出我们要求的性状，而不会产生冠瘿瘤(或毛状根)了。

　　过去，棉花遭受棉铃虫的危害，损失严重。苏云金杆菌的体内有一种杀虫蛋白基因Bt，其合成的杀虫结晶蛋白会让蚕食植物的害虫得厌食症而死。这是多好的杀虫基因啊，要是能转到农作物中就好了。可是，在过去，人们不能把它的杀虫基因转到植物细胞里面。后来，科学家想到了农杆菌。切掉“魔圈”上的冠瘿碱合成酶基因和植物激素合成基因，换上苏云金杆菌的杀虫基因，就能让农杆菌协助人类把杀虫基因转到棉花小苗中去了。等到棉花结铃，棉铃蛾飞来产下棉铃虫卵。新一代棉铃虫孵化出来后，开始吃含有杀虫基因的棉花叶片和棉铃，结果肚子疼起来了，然后滚落在地死掉了。

　　“锄禾日当午，汗滴禾下土。”农民伯伯种地，最辛苦的事情莫过于为庄稼除草了。要是能发明一种除草剂，喷洒到地里，既能清除杂草又不伤害庄稼，那该有多好啊。这不，科学家发现，一种土壤潮湿霉菌体内有抗草丁膦这类除草剂的基因bar。科学家就找来农杆菌，请它帮助把土壤潮湿霉菌的基因bar转到烟草体内。农杆菌也很快地把抗除草剂的基因转到了烟草体内。

　　此外，人们在一种突变的鼠伤寒沙门菌体内发现了抗另一类除草剂草甘膦的基因aroA，农杆菌也可以帮助人类把基因转移到作物中去。

　　自从种植了含有抗除草剂基因的庄稼，农民再也不用辛苦地除草了。

　　开始时，人们只能利用农杆菌对一些双子叶植物进行基因转移，经过不断对农杆菌质粒进行改造，现在已经能够利用农杆菌对越来越多的双子叶植物和许多单子叶植物(包括粮食作物)进行基因转移了。

　　作为天然的植物基因工程师，农杆菌也为人类做出了巨大的贡献。(文章代码：1308)

　　

　　责任编辑　赵菲