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根癌脓杆菌受害树木。原图链接

根癌农杆菌，又称“根癌土壤杆菌”（（学名：Agrobacterium tumefaciens，更新的学名: Rhizobium radiobacter ，同义词为Agrobacterium radiobacter ） 是140多种双子叶植物冠gall瘿病（肿瘤形成）的病因。它是杆状革兰氏阴性土壤细菌 。症状是由质粒中的一小段DNA（称为T-DNA ，称为“转移DNA”，不要与在蛋白质合成过程中转移氨基酸的tRNA混淆）引起的细胞 ，它被整合到植物基因组的半随机位置。

概述

根癌农杆菌是根瘤菌科的α-变形杆菌 ，其包括固氮豆类共生体 与固氮共生体不同，产生肿瘤的土壤杆菌属具有致病性 ，不会使植物受益。受农杆菌影响的植物种类繁多，这使农业产业倍受关注。 。从经济上讲 ， 根癌农杆菌是核桃 ，葡萄藤 ，核果 ，坚果树，甜菜 ，辣根和大黄的重要病原体，由该病引起的肿瘤或gall瘿虫的持久性使其对多年生作物特别有害。根癌农杆菌在28°C时生长最佳。倍增时间的范围为2.5–4h，具体取决于培养基，培养形式和通气水平。[8]在高于30°C的温度下， 根癌农杆菌开始遭受热冲击，这很可能导致细胞分裂错误。

共轭

为了具有毒性 ，该细菌包含200 kbp的 肿瘤诱导质粒 （Ti质粒或pTi），其中包含T-DNA和将其转移至植物细胞所需的所有基因。许多根癌农杆菌都不含pTi。

由于Ti质粒对于引起疾病至关重要，因此发生在根际的预渗透事件可促进细菌结合 -细菌之间交换质粒。在存在阿片类药物的情况下，根癌农杆菌会产生一种称为30C8HSL的扩散性共轭信号或农杆菌自诱导剂。这激活了转录因子 TraR，正向调节结合所需的基因的转录。

感染方法

根癌农杆菌通过其Ti质粒感染植物。Ti质粒将其DNA片段（称为T-DNA）整合到其宿主植物细胞的染色体DNA中。根癌农杆菌具有鞭毛 ，可以使其游遍土壤，向根部周围的根际积累光同化作用 。一些菌株可能会趋化地从植物移向化学渗出液，例如乙酰丁香酮和糖，这表明细菌可能进入植物而进入伤口。酚类化合物被VirA蛋白识别，该蛋白是Ti质粒上virA基因中编码的跨膜蛋白。糖被chvE蛋白识别，chvE蛋白是一种位于周质空间中的染色体基因编码蛋白。

四个主要基因-chvA，chvB，pscA和att

Ti质粒上至少需要25个vir基因才能诱导肿瘤。virA和chvE除了具有感知功能外，还诱导其他vir基因。virA蛋白具有自动激酶活性：它在组氨酸残基上自身磷酸化 。然后，virA蛋白在其天冬氨酸残基上磷酸化virG蛋白。virG蛋白是从virG Ti质粒基因产生的细胞质蛋白。它是一种转录因子，诱导vir 操纵子的转录。chvE蛋白调节vir基因激活的第二种机制。它增加了VirA蛋白对酚类化合物的敏感性。

附著过程分为两个步骤。 在最初的薄弱和可逆的附著之后，细菌合成了纤维素原纤维 ，将其固定在受伤的植物细胞上，并吸引了它们。该过程涉及四个主要基因：chvA，chvB，pscA和att。前三个基因的产物显然参与了纤维素原纤维的实际合成。这些原纤维还将细菌彼此锚定，有助于形成小菌落 。

VirC是最重要的有毒基因，是非法定殖重组的必要步骤。 它在宿主植物中选择将被替换的DNA片段，并将其切成该DNA链。

纤维素原纤维生产后，会产生一种称为Rhicadhesin的钙依赖性外膜蛋白 ，该蛋白还有助于细菌附著在细胞壁上。该蛋白的同源物可以在其他根瘤菌中发现。当前，有一些关于农杆菌介导的转化的协议标准化的报导。已经研究了大豆（Glycine max）中不同参数如感染时间，乙酰丁香酮，DTT，半胱氨酸的影响

引发农杆菌感染植物细胞的可能植物化合物：

• 乙酰丁香酮和其他酚类化合物
• α- 羟基乙酰丁香酮
• 儿茶酚
• 阿魏酸
• 没食子酸
• 对羟基苯甲酸
• 原儿茶酸
• 邻苯二甲酸
• 间苯二酸
• 芥子酸
• 丁香酸
• 香兰素

T桩的形成

为了将T-DNA转移到植物细胞中 ，根癌农杆菌使用IV型分泌机制，涉及T- 菌毛的产生 。当检测到乙酰丁香酮和其他物质时， 信号转导事件激活VirB 操纵子中11个基因的表达，这些基因负责T菌毛的形成。

前pilin首先形成。这是一种121个氨基酸的多肽 ，需要通过去除47个残基进行加工以形成T-菌毛亚基。 通过在多肽的两个末端之间形成肽键来使亚基环化。

其他VirB基因的产物被用来通过质膜转移亚基。 酵母双杂交研究提供了证据，证明VirB6，VirB7，VirB8，VirB9和VirB10都可能编码转运蛋白的成分。 还需要用于亚单位的主动转运的ATPase 。

T-DNA转移到植物细胞中

必须从环状质粒中切出T-DNA。VirD1 / D2复合物在左边界和右边界序列上刻划DNA。 VirD2蛋白共价附于5'端。 VirD2包含一个基序 ，导致核蛋白复合物靶向IV型分泌系统（T4SS）。

在受体细胞的细胞质中，T-DNA复合物被VirE2蛋白覆盖，该蛋白独立于T-DNA复合物通过T4SS输出。 位于VirE2和VirD2上的核定位信号或NLSs被importin alpha蛋白识别，然后与importin beta和核孔复合体结合 ，将T-DNA转移到核中 。VIP1似乎也是该过程中的重要蛋白质，可能充当将VirE2导入importin的衔接子。一旦进入细胞核，VIP2可以将T-DNA靶向正在被主动转录的染色质区域，以便T-DNA可以整合到宿主基因组中。

激素

为了引起胆汁形成，T-DNA编码通过IAM途径产生生长素或吲哚-3-乙酸的基因。 这种生物合成途径并未在许多植物中用于生长素的生产，因此这意味著该植物没有调节它的分子手段，而生长素将组成性地产生。还表达了产生细胞分裂素的基因。这刺激细胞增殖和胆汁形成。

高山

T-DNA包含编码酶的基因，这些酶使植物产生专门的氨基酸衍生物，细菌可以将其代谢 ，称为阿片类 。高山是一类化学物质，可作为根癌农杆菌的氮源，但对大多数其他生物却不。 由根癌农杆菌 C58感染的植物产生的鸦片的特定类型是胭脂碱 （Escobar 等 ，2003）。

对两个胭脂碱型Ti质粒pTi-SAKURA和pTiC58进行了完整测序。 首先从樱桃树冠gall中分离出第一个完全测序的病原菌 A. tumefaciens C58。 该基因组由Goodner 等人同时测序。和伍德等。2001年。根癌农杆菌 C58的基因组由一个环形染色体，两个质粒和一个线性染色体组成。共价键结合的环状染色体的存在是细菌常见的，只有少数例外。但是，单个圆形染色体和单个线性染色体的存在对于该属中的一个组是唯一的。两种质粒分别是负责毒性的过程的pTiC58和被称为“隐性”质粒的 pAtC58。

已经表明，在不存在pTiC58质粒的情况下，pAtC58质粒参与了阿片的代谢并与其他细菌结合。如果去除了pTi质粒，则不会发生将这种细菌分类的肿瘤生长。

生物技术用途

在农业技术中， 农杆菌的DNA传递能力已经得到了广泛的探索，可以将外源基因插入植物中。 比利时 根特和植物遗传系统 大学的 Marc Van Montagu和Jeff Schell发现了农杆菌和植物之间的基因转移机制，从而导致了将细菌转变为植物遗传工程的有效传递系统的方法的开发。转移到植物中的质粒T-DNA是基因工程的理想载体。这是通过将所需的基因序列克隆到将插入宿主DNA中的T-DNA中来完成的。利用萤火虫荧光素酶基因进行了这个过程，以产生发光的植物。这种发光一直是研究植物叶绿体功能和报告基因的有用工具。也可以通过将花浸入土壤杆菌培养液中来转化拟南芥：产生的种子将是转基因的。在实验室条件下，T-DNA也已转移到人细胞中，证明了插入应用的多样性 。 农杆菌将材料插入宿主细胞的机制是通过IV型分泌系统 ，该机制与病原体通过III型分泌将材料（通常是蛋白质）插入人细胞的机制非常相似。 它还采用了一种在许多革兰氏阴性细菌中保守的信号传递，称为群体感应。 这使得农杆菌成为医学研究的重要主题。

自然遗传转化

细菌中的自然遗传转化是一个性过程，涉及DNA通过中介介质从一个细胞转移到另一个细胞，以及通过同源重组将供体序列整合到受体基因组中。根癌农杆菌无需任何特殊的物理或化学处理即可在土壤中自然转化。 [21]

疾病周期

根癌土壤杆菌在受侵染的土壤中越冬。农杆菌主要生活在腐生生活中，因此即使该属的植物寄生虫在没有宿主植物的情况下也可以在土壤中生存很长一段时间。但是，当存在寄主植物时，细菌会通过最近的伤口或靠近地面的根或茎的自然开口进入植物组织。 这些伤口可能是由文化习俗，嫁接，昆虫等引起的。细菌进入植物后，它们会在细胞间发生并刺激周围组织因细胞转化而增殖。农杆菌通过将质粒T-DNA插入植物基因组中来进行这种控制。

易受到昆虫和腐生微生物的二次侵袭

植物组织的过度生长导致茎和根上形成胆汁。这些肿瘤在周围的植物组织上施加很大的压力，这导致该组织被压碎和/或扭曲。压碎的容器导致木质部中水流减少。年轻的肿瘤较软，因此容易受到昆虫和腐生微生物的二次侵袭。 这种继发性侵袭引起外周细胞层的破坏以及由于衰变引起的肿瘤变色。软组织的破坏导致根癌农杆菌释放到土壤中，使其能够通过新的寄主植物重新开始病害过程。

疾病管理

根癌农杆菌引起的冠gall病可以通过使用各种不同的方法来控制。 控制该病的最佳方法是采取预防措施，例如对修剪工具进行消毒，以免感染新植物。对苗圃进行强制性检查并拒绝受感染的植物，以及不在受感染的田野中种植易感植物也是有价值的做法。 在种植过程中避免伤及植物的树冠/根部对于预防疾病很重要。在园艺技术中，将多种植物结合在一起作为一个植物生长，例如出芽和嫁接[24]，这些技术会导致植物受伤。伤口是细菌进入宿主植物的主要场所。因此，建议在一年中农杆菌不活跃时进行这些技术。 咀嚼根昆虫的控制也有助于降低感染水平，因为这些昆虫会在植物根部造成伤口（也称为细菌入口）。由于细菌能够在土壤中生存多年，因此建议燃烧被感染的植物而不是堆放在堆肥中。

农杆菌素K84有效控制

生物控制方法也用于控制该疾病。在1970年代和1980年代，处理发芽的种子，幼苗和砧木的常用方法是将它们浸泡在K84悬浮液中。K84由放射线杆菌组成，其是与根癌土壤杆菌相关的物种，但没有致病性。K84产生一种细菌素（农杆菌素84），它对包括根癌农杆菌在内的相关细菌具有特异性。该方法在商业规模上成功地控制了该疾病，但存在K84将其抗性基因转移至病原性土壤杆菌的风险。因此，在1990年代，人们开始使用称为K-1026的K84基因工程菌株。 该菌株在控制冠gall病方面与K84一样成功，而没有抗性基因转移的警告。

环境

根癌农杆菌引起的向日葵冠gall宿主，环境和病原体是植物病理学中极为重要的概念。农杆菌具有任何植物病原体中最广泛的宿主范围，因此，在冠gall病中要考虑的主要因素是环境。当感染根癌农杆菌的各种宿主时，有各种条件和因素构成了一个有利的根瘤农杆菌环境。 没有伤口等进入点，细菌就无法穿透宿主植物。导致植物受伤的因素包括文化习俗，嫁接，冰冻伤害，生长裂缝，土壤昆虫以及环境中对植物造成损害的其他动物。

因此，在极端严酷的冬季，由于天气相关的损坏，冠gall的发生率增加是很常见的。除此之外，还有一些介导宿主植物感染的方法。例如，线虫可以充当将土壤杆菌引入植物根中的载体。 更具体地说，根寄生线虫会破坏植物细胞，为细菌进入伤口创造条件。最后，温度是考虑根癌农杆菌感染的一个因素。 由于T-DNA转移的热敏感性，由该细菌导致的冠gall形成的最佳温度为22摄氏度。 在较高温度条件下，肿瘤形成明显减少。

视频

Agrobacterium tumefaciens: a natural "GENETIC ENGINEER"
根癌农杆菌：天然的“遗传工程”

Agrobacterium mediated gene transformation in plants
农杆菌介导的植物基因转化

Agrobacterium: A Plant Gene Transfer Vector
农杆菌：植物基因转移载体