農桿菌　植物界的轉基因大師

殷學波

農桿菌是普遍存在于土壤中的一種革蘭氏陰性細菌，生活在植物的根的表面，依靠由根組織滲透出來的營養物質生存。它能在自然條件下趨化性地感染大多數雙子葉植物或裸子植物的受傷部位，并誘導植物產生冠癭瘤或發狀根。其中，根癌農桿菌是農桿菌的重要組成部分之一。

小小桿菌偏食何道

根癌農桿菌生活在土壤——特別是耕種過的田地里，因為經過耕種的土壤疏松，適宜根癌農桿菌生長。根癌農桿菌的身體為棒狀，有兩三個微米長，靠幾根鞭毛運動，鞭毛一般生在側邊。用顯微鏡放大到1000倍時，人們就能把它看得很清楚了。

根癌農桿菌雖小，也有細胞壁，按以前的生物兩界分類法，它當然屬于植物界，就是說，它曾被當作是一種低等植物。

在許多雙子葉植物靠近地面的根莖交界處，根癌農桿菌能誘發一種帽狀腫瘤，人們稱之為冠癭瘤病。這種病曾在法國、東歐和澳大利亞的葡萄等果樹上大面積發生，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。

人們發現，根癌農桿菌所產生的冠癭瘤病，與豆科植物根部的固氮根瘤細菌所產生的根瘤相似；然而，事實上，兩者的作用方式并不一樣。

豆科植物的固氮根瘤菌會鉆到植物細胞內部，與植物細胞共生，根瘤細菌為豆科植物提供氮肥，植物細胞則供給根瘤細胞其他各種營養。

根癌農桿菌雖然也能誘發植物腫瘤，細菌卻并不侵入到植物細胞里面去。

這到底是怎么一回事呢?

原來，根癌農桿菌是一群特別偏食的家伙，最愛吃一類叫冠癭堿(氨基酸衍生物)的物質。對于根癌農桿菌來說，這種物質既是豐富的碳源，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，正常生長的植物體內是沒有冠癭堿的。不過，這一點也難不倒根癌農桿菌。

農桿菌的細胞內除含通常的染色體外，還含有一種Ti質粒。質粒是許多原核生物細胞內具有的一類小型的環狀DNA，雖然它們對原核細胞本身并非是必需的，卻常常具有特殊的功能。農桿菌細胞內的Ti質粒上面就有一段能夠專門指導合成冠癭堿的基因。T是英文tumor(腫瘤)的縮寫，i是induce(誘發)的意思。Ti質粒就是誘發腫瘤的質粒。

可以說，Ti質粒就是農桿菌獲取美食的魔圈法寶。

設備簡陋草船借箭

由于根癌農桿菌屬于原核生物，細胞內“設備”簡陋落后，缺乏葉綠體、線粒體等各種細胞器，甚至連像樣的細胞核都沒有，根本合成不了冠癭堿這種特殊的食物。

怎么辦呢?農桿菌并不發愁，因為它會“草船借箭”：通常，受傷的植物組織會產生酚類化合物。不遠處，一頭牛剛好蹭破一棵小樹的樹皮，還有害蟲咬破了一棵幼苗的表皮細胞。萬事俱備，正好東風吹來，一股一股的乙酰丁香酚的氣息飄來。“哇，好香啊!一定是那里的植物細胞有隙可乘，讓我們快快行動起來吧!”農桿菌們興奮起來。

靠它們的鞭毛，沒幾個小時，根癌農桿菌們就在植物傷口的若干位點上附著了。附著好之后，它們立刻拿出內部的魔圈法寶——Ti質粒挨近一個個植物細胞。Ti質粒上的VirA，VirG基因首先活躍起來，接著激活了Vir區各個基因的表達，一些基因開始轉錄翻譯生成一些酶，這些酶幫助從質粒環上復制出單鏈的T-DNA，這里的T是Transfer(轉移)的意思，T-DNA鏈就是待轉移的DNA鏈；T-DNA鏈又與virE2蛋白結合形成T復合物；T復合物由細菌細胞中分泌出來進入植物細胞，接著又被攝入細胞核：奇妙的是，T-DNA一旦進入植物細胞核，就很容易地被整合進植物染色體基因組中去了；然后，借用植物細胞內的各種細胞器，包括內質網、高爾基體等等先進設施，植物細胞基因組上這段T-DNA基因開始表達產生冠癭堿，同時還生成許多植物激素。植物細胞在這些激素的作用下被追加速分裂生長，結果形成了腫瘤，即冠癭瘤。

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

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

發根農桿菌細胞內的Ri質粒(Root Inducing plasmid)一樣能向植物細胞中轉移基因，誘發的植物毛狀根細胞內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轉移目的基因。基因載體的種類很多，比如向大腸桿菌、酵母菌內轉移基因，人們一般利用噬菌體；向高等植物轉移基因，最好的載體就是農桿菌了，包括根癌農桿菌和發根農桿菌。

人們把農桿菌Ti質粒(或Ri質粒)上指導合成冠癭堿的那段基因替換成我們要轉移的目的基因，比如某種抗蟲基因，同時把誘導植物腫瘤(毛狀根)的基因去掉，這樣轉基因植物就能表現出我們要求的性狀，而不會產生冠癭瘤(或毛狀根)了。

過去，棉花遭受棉鈴蟲的危害，損失嚴重。蘇云金桿菌的體內有一種殺蟲蛋白基因Bt，其合成的殺蟲結晶蛋白會讓蠶食植物的害蟲得厭食癥而死。這是多好的殺蟲基因啊，要是能轉到農作物中就好了。可是，在過去，人們不能把它的殺蟲基因轉到植物細胞里面。后來，科學家想到了農桿菌。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基因，就能讓農桿菌協助人類把殺蟲基因轉到棉花小苗中去了。等到棉花結鈴，棉鈴蛾飛來產下棉鈴蟲卵。新一代棉鈴蟲孵化出來后，開始吃含有殺蟲基因的棉花葉片和棉鈴，結果肚子疼起來了，然后滾落在地死掉了。

“鋤禾日當午，汗滴禾下土。”農民伯伯種地，最辛苦的事情莫過于為莊稼除草了。要是能發明一種除草劑，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，科學家發現，一種土壤潮濕霉菌體內有抗草丁膦這類除草劑的基因bar。科學家就找來農桿菌，請它幫助把土壤潮濕霉菌的基因bar轉到煙草體內。農桿菌也很快地把抗除草劑的基因轉到了煙草體內。

此外，人們在一種突變的鼠傷寒沙門菌體內發現了抗另一類除草劑草甘膦的基因aroA，農桿菌也可以幫助人類把基因轉移到作物中去。

自從種植了含有抗除草劑基因的莊稼，農民再也不用辛苦地除草了。

開始時，人們只能利用農桿菌對一些雙子葉植物進行基因轉移，經過不斷對農桿菌質粒進行改造，現在已經能夠利用農桿菌對越來越多的雙子葉植物和許多單子葉植物(包括糧食作物)進行基因轉移了。

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

責任編輯趙菲