農(nóng)桿菌　植物界的轉(zhuǎn)基因大師

殷學(xué)波

農(nóng)桿菌是普遍存在于土壤中的一種革蘭氏陰性細(xì)菌，生活在植物的根的表面，依靠由根組織滲透出來(lái)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)生存。它能在自然條件下趨化性地感染大多數(shù)雙子葉植物或裸子植物的受傷部位，并誘導(dǎo)植物產(chǎn)生冠癭瘤或發(fā)狀根。其中，根癌農(nóng)桿菌是農(nóng)桿菌的重要組成部分之一。

小小桿菌偏食何道

根癌農(nóng)桿菌生活在土壤——特別是耕種過(guò)的田地里，因?yàn)榻?jīng)過(guò)耕種的土壤疏松，適宜根癌農(nóng)桿菌生長(zhǎng)。根癌農(nóng)桿菌的身體為棒狀，有兩三個(gè)微米長(zhǎng)，靠幾根鞭毛運(yùn)動(dòng)，鞭毛一般生在側(cè)邊。用顯微鏡放大到1000倍時(shí)，人們就能把它看得很清楚了。

根癌農(nóng)桿菌雖小，也有細(xì)胞壁，按以前的生物兩界分類(lèi)法，它當(dāng)然屬于植物界，就是說(shuō)，它曾被當(dāng)作是一種低等植物。

在許多雙子葉植物靠近地面的根莖交界處，根癌農(nóng)桿菌能誘發(fā)一種帽狀腫瘤，人們稱(chēng)之為冠癭瘤病。這種病曾在法國(guó)、東歐和澳大利亞的葡萄等果樹(shù)上大面積發(fā)生，造成很大的危害。在其他地方，甚至城市園林綠化中，也有不少植物患上此病。

人們發(fā)現(xiàn)，根癌農(nóng)桿菌所產(chǎn)生的冠癭瘤病，與豆科植物根部的固氮根瘤細(xì)菌所產(chǎn)生的根瘤相似；然而，事實(shí)上，兩者的作用方式并不一樣。

豆科植物的固氮根瘤菌會(huì)鉆到植物細(xì)胞內(nèi)部，與植物細(xì)胞共生，根瘤細(xì)菌為豆科植物提供氮肥，植物細(xì)胞則供給根瘤細(xì)胞其他各種營(yíng)養(yǎng)。

根癌農(nóng)桿菌雖然也能誘發(fā)植物腫瘤，細(xì)菌卻并不侵入到植物細(xì)胞里面去。

這到底是怎么一回事呢?

原來(lái)，根癌農(nóng)桿菌是一群特別偏食的家伙，最?lèi)?ài)吃一類(lèi)叫冠癭堿(氨基酸衍生物)的物質(zhì)。對(duì)于根癌農(nóng)桿菌來(lái)說(shuō)，這種物質(zhì)既是豐富的碳源，又含足夠的氮元素，能夠很好地滿足它們的生活所需。

可是，到哪里去找冠癭堿呢?一般情況下，正常生長(zhǎng)的植物體內(nèi)是沒(méi)有冠癭堿的。不過(guò)，這一點(diǎn)也難不倒根癌農(nóng)桿菌。

農(nóng)桿菌的細(xì)胞內(nèi)除含通常的染色體外，還含有一種Ti質(zhì)粒。質(zhì)粒是許多原核生物細(xì)胞內(nèi)具有的一類(lèi)小型的環(huán)狀DNA，雖然它們對(duì)原核細(xì)胞本身并非是必需的，卻常常具有特殊的功能。農(nóng)桿菌細(xì)胞內(nèi)的Ti質(zhì)粒上面就有一段能夠?qū)ｉT(mén)指導(dǎo)合成冠癭堿的基因。T是英文tumor(腫瘤)的縮寫(xiě)，i是induce(誘發(fā))的意思。Ti質(zhì)粒就是誘發(fā)腫瘤的質(zhì)粒。

可以說(shuō)，Ti質(zhì)粒就是農(nóng)桿菌獲取美食的魔圈法寶。

設(shè)備簡(jiǎn)陋草船借箭

由于根癌農(nóng)桿菌屬于原核生物，細(xì)胞內(nèi)“設(shè)備”簡(jiǎn)陋落后，缺乏葉綠體、線粒體等各種細(xì)胞器，甚至連像樣的細(xì)胞核都沒(méi)有，根本合成不了冠癭堿這種特殊的食物。

怎么辦呢?農(nóng)桿菌并不發(fā)愁，因?yàn)樗鼤?huì)“草船借箭”：通常，受傷的植物組織會(huì)產(chǎn)生酚類(lèi)化合物。不遠(yuǎn)處，一頭牛剛好蹭破一棵小樹(shù)的樹(shù)皮，還有害蟲(chóng)咬破了一棵幼苗的表皮細(xì)胞。萬(wàn)事俱備，正好東風(fēng)吹來(lái)，一股一股的乙酰丁香酚的氣息飄來(lái)?！巴?，好香啊!一定是那里的植物細(xì)胞有隙可乘，讓我們快快行動(dòng)起來(lái)吧!”農(nóng)桿菌們興奮起來(lái)。

靠它們的鞭毛，沒(méi)幾個(gè)小時(shí)，根癌農(nóng)桿菌們就在植物傷口的若干位點(diǎn)上附著了。附著好之后，它們立刻拿出內(nèi)部的魔圈法寶——Ti質(zhì)粒挨近一個(gè)個(gè)植物細(xì)胞。Ti質(zhì)粒上的VirA，VirG基因首先活躍起來(lái)，接著激活了Vir區(qū)各個(gè)基因的表達(dá)，一些基因開(kāi)始轉(zhuǎn)錄翻譯生成一些酶，這些酶幫助從質(zhì)粒環(huán)上復(fù)制出單鏈的T-DNA，這里的T是Transfer(轉(zhuǎn)移)的意思，T-DNA鏈就是待轉(zhuǎn)移的DNA鏈；T-DNA鏈又與virE2蛋白結(jié)合形成T復(fù)合物；T復(fù)合物由細(xì)菌細(xì)胞中分泌出來(lái)進(jìn)入植物細(xì)胞，接著又被攝入細(xì)胞核：奇妙的是，T-DNA一旦進(jìn)入植物細(xì)胞核，就很容易地被整合進(jìn)植物染色體基因組中去了；然后，借用植物細(xì)胞內(nèi)的各種細(xì)胞器，包括內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體等等先進(jìn)設(shè)施，植物細(xì)胞基因組上這段T-DNA基因開(kāi)始表達(dá)產(chǎn)生冠癭堿，同時(shí)還生成許多植物激素。植物細(xì)胞在這些激素的作用下被追加速分裂生長(zhǎng)，結(jié)果形成了腫瘤，即冠癭瘤。

由于每一個(gè)植物腫瘤細(xì)胞中也都含有指導(dǎo)冠癭堿合成的那段基因，于是合成了更多的冠癭堿。這時(shí)，根癌農(nóng)桿菌可以在植物細(xì)胞外面守株待兔等著吃源源不斷的可口美餐了。

有趣的是，根癌農(nóng)桿菌還有一個(gè)同屬兄弟，名叫發(fā)根農(nóng)桿菌。它這兄弟也喜歡嗜食冠癭堿類(lèi)物質(zhì)，只是它們使用的方法不同。發(fā)根農(nóng)桿菌不是在植物根莖部誘發(fā)腫瘤，而是在土壤深處的根部誘發(fā)毛狀根。

發(fā)根農(nóng)桿菌細(xì)胞內(nèi)的Ri質(zhì)粒(Root Inducing plasmid)一樣能向植物細(xì)胞中轉(zhuǎn)移基因，誘發(fā)的植物毛狀根細(xì)胞內(nèi)同樣能大量合成冠癭堿，滿足自己的需要。

基因載體屢立奇功

在許多植物基因工程中，都需要利用基因載體來(lái)轉(zhuǎn)移目的基因?；蜉d體的種類(lèi)很多，比如向大腸桿菌、酵母菌內(nèi)轉(zhuǎn)移基因，人們一般利用噬菌體；向高等植物轉(zhuǎn)移基因，最好的載體就是農(nóng)桿菌了，包括根癌農(nóng)桿菌和發(fā)根農(nóng)桿菌。

人們把農(nóng)桿菌Ti質(zhì)粒(或Ri質(zhì)粒)上指導(dǎo)合成冠癭堿的那段基因替換成我們要轉(zhuǎn)移的目的基因，比如某種抗蟲(chóng)基因，同時(shí)把誘導(dǎo)植物腫瘤(毛狀根)的基因去掉，這樣轉(zhuǎn)基因植物就能表現(xiàn)出我們要求的性狀，而不會(huì)產(chǎn)生冠癭瘤(或毛狀根)了。

過(guò)去，棉花遭受棉鈴蟲(chóng)的危害，損失嚴(yán)重。蘇云金桿菌的體內(nèi)有一種殺蟲(chóng)蛋白基因Bt，其合成的殺蟲(chóng)結(jié)晶蛋白會(huì)讓蠶食植物的害蟲(chóng)得厭食癥而死。這是多好的殺蟲(chóng)基因啊，要是能轉(zhuǎn)到農(nóng)作物中就好了?？墒?，在過(guò)去，人們不能把它的殺蟲(chóng)基因轉(zhuǎn)到植物細(xì)胞里面。后來(lái)，科學(xué)家想到了農(nóng)桿菌。切掉“魔圈”上的冠癭堿合成酶基因和植物激素合成基因，換上蘇云金桿菌的殺蟲(chóng)基因，就能讓農(nóng)桿菌協(xié)助人類(lèi)把殺蟲(chóng)基因轉(zhuǎn)到棉花小苗中去了。等到棉花結(jié)鈴，棉鈴蛾飛來(lái)產(chǎn)下棉鈴蟲(chóng)卵。新一代棉鈴蟲(chóng)孵化出來(lái)后，開(kāi)始吃含有殺蟲(chóng)基因的棉花葉片和棉鈴，結(jié)果肚子疼起來(lái)了，然后滾落在地死掉了。

“鋤禾日當(dāng)午，汗滴禾下土?！鞭r(nóng)民伯伯種地，最辛苦的事情莫過(guò)于為莊稼除草了。要是能發(fā)明一種除草劑，噴灑到地里，既能清除雜草又不傷害莊稼，那該有多好啊。這不，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，一種土壤潮濕霉菌體內(nèi)有抗草丁膦這類(lèi)除草劑的基因bar?？茖W(xué)家就找來(lái)農(nóng)桿菌，請(qǐng)它幫助把土壤潮濕霉菌的基因bar轉(zhuǎn)到煙草體內(nèi)。農(nóng)桿菌也很快地把抗除草劑的基因轉(zhuǎn)到了煙草體內(nèi)。

此外，人們?cè)谝环N突變的鼠傷寒沙門(mén)菌體內(nèi)發(fā)現(xiàn)了抗另一類(lèi)除草劑草甘膦的基因aroA，農(nóng)桿菌也可以幫助人類(lèi)把基因轉(zhuǎn)移到作物中去。

自從種植了含有抗除草劑基因的莊稼，農(nóng)民再也不用辛苦地除草了。

開(kāi)始時(shí)，人們只能利用農(nóng)桿菌對(duì)一些雙子葉植物進(jìn)行基因轉(zhuǎn)移，經(jīng)過(guò)不斷對(duì)農(nóng)桿菌質(zhì)粒進(jìn)行改造，現(xiàn)在已經(jīng)能夠利用農(nóng)桿菌對(duì)越來(lái)越多的雙子葉植物和許多單子葉植物(包括糧食作物)進(jìn)行基因轉(zhuǎn)移了。

作為天然的植物基因工程師，農(nóng)桿菌也為人類(lèi)做出了巨大的貢獻(xiàn)。(文章代碼：1308)

責(zé)任編輯趙菲