引子
“神话毕竟是神话,离开游戏回到现实世界的我们,虽不能做花果山之王,但可以挑选一件称手的兵器,做实验室转化的王”。
——Coolaber小酷
“自然界的鬼斧神工,生物进化的多姿多彩,科学家们的奇思妙想,孕育出了生物工程操作中得心应手的利器——农杆菌”。
——Coolaber小来
“农杆菌,侵染效率的王”。
——Coolaber小搏
农杆菌历史
19世纪末,科学家注意到植物根部附近经常出现冠瘿瘤现象,且这些瘤状物对植物的生长和发育产生显著的影响。直到1907年,Erwin Smith和Charles Townsend首次描述了根癌农杆菌能够在多种植物上引起冠瘿瘤的发生[1]。在随后的几十年里,比利时科学家Jeff Schell等人找出了能够诱导植物产生冠瘿瘤的关键—Ti质粒[2]。1977年,美国学者M.D.奇尔顿等人研究发现,Ti质粒上的转移DNA (Transfer DNA, T-DNA)是农杆菌侵染植物时能够整合到植物基因组上的一段DNA,这一发现为农杆菌在植物基因工程中的应用奠定了基础[3]。随后科学家们对农杆菌介导法转化机制和影响因素的进一步研究以及转化方法的不断完善,农杆菌介导法逐步发展成为植物基因工程中不可或缺的研究工具。
农杆菌侵染过程
农杆菌识别宿主后会附着在植物的伤口处,受伤的植物细胞会释放酚类化合物等信号分子(乙酰丁香酮,AS),这些信号分子能够诱导农杆菌质粒上的Vir基因表达,Vir基因产物负责加工Ti质粒上的T-DNA片段,使其形成单链分子,并从质粒上脱离。在Vir蛋白的帮助下,T-DNA单链分子通过农杆菌与植物细胞之间形成的跨膜通道进入植物细胞核,进而整合到植物细胞的基因组中。整合后的T-DNA成为植物基因组的一部分,T-DNA上的基因会在植物细胞中表达,导致植物细胞在形态、生理或代谢上发生一系列变化。
农杆菌侵染植物细胞示意图
农杆菌分类
农杆菌是普遍存在于土壤中的一类细菌,能够侵染植物并诱导其产生特定的生理变化,如产生冠瘿瘤或发状根。这些变化通常与农杆菌携带的特定质粒(如Ti质粒或Ri质粒)有关。根据其特性不同,可以分为根癌农杆菌与发根农杆菌。
根癌农杆菌(Agrobacterium tumefaciens)
含有Ti (Tumor-inducing)质粒,从植物伤口入侵后,诱发植物产生冠瘿瘤。
发根农杆菌(Agrobacterium rhizogenes)
含有Ri (Root-inducing)质粒,从植物伤口入侵后,诱发植物产生不定根。
农杆菌的应用
稳定遗传转化——通过农杆菌介导的遗传转化技术将优良基因导入作物中,外源基因在植物体内能够稳定遗传和表达,培育出具有优良性状的转基因作物。
瞬时遗传转化——农杆菌介导的瞬时表达系统被广泛应用于植物基因表达调控的研究。通过构建含有报告基因的T-DNA载体,并将其导入植物细胞,可以在短时间对基因进行表达,从而研究基因的表达调控机制。
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基因型验证
根据Ti、Ri质粒设计引物鉴定测序区分各农杆菌
根据辅助质粒设计引物鉴定和区分各菌种
功能性验证
*虚线下是原生根,虚线上是诱导根
*提取原生根和K599诱导根基因组进行PCR鉴定
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1、选播种15天的大豆,对其根茎结合部向上0.5 cm左右划伤处理并注射K599(pCAMBIA2301)农杆菌菌液
2、放置培养箱培养3天后,将伤口浸入霍格兰营养液水培一段时间待伤口长出新根
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参考文献
[1] 陈钦耀.植物冠瘿瘤与Ti质粒的研究和应用[J].生物学杂志, 1987, (04):12-14.
[2] VAN MONTAGU MARC. Jeff Schell (1935–2003)[J]. Nature, 2003, 423(6943):934-934.
[3] Chilton MD, Drummond MH, Merio DJ etc. Stable incorporation of plasmid DNA into higher plant cells: the molecular basis of crown gall tumorigenesis[J]. Cell, 1977, 11(2):263-71.
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农杆菌侵染液:
乙酰丁香酮溶液:
抗生素:
筛选剂/抑制剂:
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