根癌農桿菌檢視原始碼討論檢視歷史

根癌膿桿菌受害樹木。原圖鏈接

根癌農桿菌，又稱「根癌土壤桿菌」（（學名：Agrobacterium tumefaciens，更新的學名: Rhizobium radiobacter ，同義詞為Agrobacterium radiobacter ） 是140多種雙子葉植物冠gall癭病（腫瘤形成）的病因。它是桿狀革蘭氏陰性土壤細菌 。症狀是由質粒中的一小段DNA（稱為T-DNA ，稱為「轉移DNA」，不要與在蛋白質合成過程中轉移氨基酸的tRNA混淆）引起的細胞 ，它被整合到植物基因組的半隨機位置。

概述

根癌農桿菌是根瘤菌科的α-變形桿菌 ，其包括固氮豆類共生體 與固氮共生體不同，產生腫瘤的土壤桿菌屬具有致病性 ，不會使植物受益。受農桿菌影響的植物種類繁多，這使農業產業倍受關注。 。從經濟上講 ， 根癌農桿菌是核桃 ，葡萄藤 ，核果 ，堅果樹，甜菜 ，辣根和大黃的重要病原體，由該病引起的腫瘤或gall癭蟲的持久性使其對多年生作物特別有害。根癌農桿菌在28°C時生長最佳。倍增時間的範圍為2.5–4h，具體取決於培養基，培養形式和通氣水平。[8]在高於30°C的溫度下， 根癌農桿菌開始遭受熱衝擊，這很可能導致細胞分裂錯誤。

共軛

為了具有毒性 ，該細菌包含200 kbp的 腫瘤誘導質粒 （Ti質粒或pTi），其中包含T-DNA和將其轉移至植物細胞所需的所有基因。許多根癌農桿菌都不含pTi。

由於Ti質粒對於引起疾病至關重要，因此發生在根際的預滲透事件可促進細菌結合 -細菌之間交換質粒。在存在阿片類藥物的情況下，根癌農桿菌會產生一種稱為30C8HSL的擴散性共軛信號或農桿菌自誘導劑。這激活了轉錄因子 TraR，正向調節結合所需的基因的轉錄。

感染方法

根癌農桿菌通過其Ti質粒感染植物。Ti質粒將其DNA片段（稱為T-DNA）整合到其宿主植物細胞的染色體DNA中。根癌農桿菌具有鞭毛 ，可以使其遊遍土壤，向根部周圍的根際積累光同化作用 。一些菌株可能會趨化地從植物移向化學滲出液，例如乙酰丁香酮和糖，這表明細菌可能進入植物而進入傷口。酚類化合物被VirA蛋白識別，該蛋白是Ti質粒上virA基因中編碼的跨膜蛋白。糖被chvE蛋白識別，chvE蛋白是一種位於週質空間中的染色體基因編碼蛋白。

四個主要基因-chvA，chvB，pscA和att

Ti質粒上至少需要25個vir基因才能誘導腫瘤。virA和chvE除了具有感知功能外，還誘導其他vir基因。virA蛋白具有自動激酶活性：它在組氨酸殘基上自身磷酸化 。然後，virA蛋白在其天冬氨酸殘基上磷酸化virG蛋白。virG蛋白是從virG Ti質粒基因產生的細胞質蛋白。它是一種轉錄因子，誘導vir 操縱子的轉錄。chvE蛋白調節vir基因激活的第二種機制。它增加了VirA蛋白對酚類化合物的敏感性。

附著過程分為兩個步驟。 在最初的薄弱和可逆的附著之後，細菌合成了纖維素原纖維 ，將其固定在受傷的植物細胞上，並吸引了它們。該過程涉及四個主要基因：chvA，chvB，pscA和att。前三個基因的產物顯然參與了纖維素原纖維的實際合成。這些原纖維還將細菌彼此錨定，有助於形成小菌落 。

VirC是最重要的有毒基因，是非法定殖重組的必要步驟。 它在宿主植物中選擇將被替換的DNA片段，並將其切成該DNA鏈。

纖維素原纖維生產後，會產生一種稱為Rhicadhesin的鈣依賴性外膜蛋白 ，該蛋白還有助於細菌附著在細胞壁上。該蛋白的同源物可以在其他根瘤菌中發現。當前，有一些關於農桿菌介導的轉化的協議標準化的報導。已經研究了大豆（Glycine max）中不同參數如感染時間，乙酰丁香酮，DTT，半胱氨酸的影響

引發農桿菌感染植物細胞的可能植物化合物：

• 乙酰丁香酮和其他酚類化合物
• α- 羥基乙酰丁香酮
• 兒茶酚
• 阿魏酸
• 沒食子酸
• 對羥基苯甲酸
• 原兒茶酸
• 鄰苯二甲酸
• 間苯二酸
• 芥子酸
• 丁香酸
• 香蘭素

T樁的形成

為了將T-DNA轉移到植物細胞中 ，根癌農桿菌使用IV型分泌機制，涉及T- 菌毛的產生 。當檢測到乙酰丁香酮和其他物質時， 信號轉導事件激活VirB 操縱子中11個基因的表達，這些基因負責T菌毛的形成。

前pilin首先形成。這是一種121個氨基酸的多肽 ，需要通過去除47個殘基進行加工以形成T-菌毛亞基。 通過在多肽的兩個末端之間形成肽鍵來使亞基環化。

其他VirB基因的產物被用來通過質膜轉移亞基。 酵母雙雜交研究提供了證據，證明VirB6，VirB7，VirB8，VirB9和VirB10都可能編碼轉運蛋白的成分。 還需要用於亞單位的主動轉運的ATPase 。

T-DNA轉移到植物細胞中

必須從環狀質粒中切出T-DNA。VirD1 / D2複合物在左邊界和右邊界序列上刻劃DNA。 VirD2蛋白共價附於5'端。 VirD2包含一個基序 ，導致核蛋白複合物靶向IV型分泌系統（T4SS）。

在受體細胞的細胞質中，T-DNA複合物被VirE2蛋白覆蓋，該蛋白獨立於T-DNA複合物通過T4SS輸出。 位於VirE2和VirD2上的核定位信號或NLSs被importin alpha蛋白識別，然後與importin beta和核孔複合體結合 ，將T-DNA轉移到核中 。VIP1似乎也是該過程中的重要蛋白質，可能充當將VirE2導入importin的銜接子。一旦進入細胞核，VIP2可以將T-DNA靶向正在被主動轉錄的染色質區域，以便T-DNA可以整合到宿主基因組中。

激素

為了引起膽汁形成，T-DNA編碼通過IAM途徑產生生長素或吲哚-3-乙酸的基因。 這種生物合成途徑並未在許多植物中用於生長素的生產，因此這意味著該植物沒有調節它的分子手段，而生長素將組成性地產生。還表達了產生細胞分裂素的基因。這刺激細胞增殖和膽汁形成。

高山

T-DNA包含編碼酶的基因，這些酶使植物產生專門的氨基酸衍生物，細菌可以將其代謝 ，稱為阿片類 。高山是一類化學物質，可作為根癌農桿菌的氮源，但對大多數其他生物卻不。 由根癌農桿菌 C58感染的植物產生的鴉片的特定類型是胭脂鹼 （Escobar 等 ，2003）。

對兩個胭脂鹼型Ti質粒pTi-SAKURA和pTiC58進行了完整測序。 首先從櫻桃樹冠gall中分離出第一個完全測序的病原菌 A. tumefaciens C58。 該基因組由Goodner 等人同時測序。和伍德等。2001年。根癌農桿菌 C58的基因組由一個環形染色體，兩個質粒和一個線性染色體組成。共價鍵結合的環狀染色體的存在是細菌常見的，只有少數例外。但是，單個圓形染色體和單個線性染色體的存在對於該屬中的一個組是唯一的。兩種質粒分別是負責毒性的過程的pTiC58和被稱為「隱性」質粒的 pAtC58。

已經表明，在不存在pTiC58質粒的情況下，pAtC58質粒參與了阿片的代謝並與其他細菌結合。如果去除了pTi質粒，則不會發生將這種細菌分類的腫瘤生長。

生物技術用途

在農業技術中， 農桿菌的DNA傳遞能力已經得到了廣泛的探索，可以將外源基因插入植物中。 比利時 根特和植物遺傳系統 大學的 Marc Van Montagu和Jeff Schell發現了農桿菌和植物之間的基因轉移機制，從而導致了將細菌轉變為植物遺傳工程的有效傳遞系統的方法的開發。轉移到植物中的質粒T-DNA是基因工程的理想載體。這是通過將所需的基因序列克隆到將插入宿主DNA中的T-DNA中來完成的。利用螢火蟲熒光素酶基因進行了這個過程，以產生髮光的植物。這種發光一直是研究植物葉綠體功能和報告基因的有用工具。也可以通過將花浸入土壤桿菌培養液中來轉化擬南芥：產生的種子將是轉基因的。在實驗室條件下，T-DNA也已轉移到人細胞中，證明了插入應用的多樣性 。 農桿菌將材料插入宿主細胞的機制是通過IV型分泌系統 ，該機制與病原體通過III型分泌將材料（通常是蛋白質）插入人細胞的機制非常相似。 它還採用了一種在許多革蘭氏陰性細菌中保守的信號傳遞，稱為群體感應。 這使得農桿菌成為醫學研究的重要主題。

自然遺傳轉化

細菌中的自然遺傳轉化是一個性過程，涉及DNA通過中介介質從一個細胞轉移到另一個細胞，以及通過同源重組將供體序列整合到受體基因組中。根癌農桿菌無需任何特殊的物理或化學處理即可在土壤中自然轉化。 [21]

疾病週期

根癌土壤桿菌在受侵染的土壤中越冬。農桿菌主要生活在腐生生活中，因此即使該屬的植物寄生蟲在沒有宿主植物的情況下也可以在土壤中生存很長一段時間。但是，當存在寄主植物時，細菌會通過最近的傷口或靠近地面的根或莖的自然開口進入植物組織。 這些傷口可能是由文化習俗，嫁接，昆蟲等引起的。細菌進入植物後，它們會在細胞間發生並刺激周圍組織因細胞轉化而增殖。農桿菌通過將質粒T-DNA插入植物基因組中來進行這種控制。

易受到昆蟲和腐生微生物的二次侵襲

植物組織的過度生長導致莖和根上形成膽汁。這些腫瘤在周圍的植物組織上施加很大的壓力，這導致該組織被壓碎和/或扭曲。壓碎的容器導致木質部中水流減少。年輕的腫瘤較軟，因此容易受到昆蟲和腐生微生物的二次侵襲。 這種繼發性侵襲引起外周細胞層的破壞以及由於衰變引起的腫瘤變色。軟組織的破壞導致根癌農桿菌釋放到土壤中，使其能夠通過新的寄主植物重新開始病害過程。

疾病管理

根癌農桿菌引起的冠gall病可以通過使用各種不同的方法來控制。 控制該病的最佳方法是採取預防措施，例如對修剪工具進行消毒，以免感染新植物。對苗圃進行強制性檢查並拒絕受感染的植物，以及不在受感染的田野中種植易感植物也是有價值的做法。 在種植過程中避免傷及植物的樹冠/根部對於預防疾病很重要。在園藝技術中，將多種植物結合在一起作為一個植物生長，例如出芽和嫁接[24]，這些技術會導致植物受傷。傷口是細菌進入宿主植物的主要場所。因此，建議在一年中農桿菌不活躍時進行這些技術。 咀嚼根昆蟲的控制也有助於降低感染水平，因為這些昆蟲會在植物根部造成傷口（也稱為細菌入口）。由於細菌能夠在土壤中生存多年，因此建議燃燒被感染的植物而不是堆放在堆肥中。

農桿菌素K84有效控制

生物控制方法也用於控制該疾病。在1970年代和1980年代，處理髮芽的種子，幼苗和砧木的常用方法是將它們浸泡在K84懸浮液中。K84由放射線桿菌組成，其是與根癌土壤桿菌相關的物種，但沒有致病性。K84產生一種細菌素（農桿菌素84），它對包括根癌農桿菌在內的相關細菌具有特異性。該方法在商業規模上成功地控制了該疾病，但存在K84將其抗性基因轉移至病原性土壤桿菌的風險。因此，在1990年代，人們開始使用稱為K-1026的K84基因工程菌株。 該菌株在控制冠gall病方面與K84一樣成功，而沒有抗性基因轉移的警告。

環境

根癌農桿菌引起的向日葵冠gall宿主，環境和病原體是植物病理學中極為重要的概念。農桿菌具有任何植物病原體中最廣泛的宿主範圍，因此，在冠gall病中要考慮的主要因素是環境。當感染根癌農桿菌的各種宿主時，有各種條件和因素構成了一個有利的根瘤農桿菌環境。 沒有傷口等進入點，細菌就無法穿透宿主植物。導致植物受傷的因素包括文化習俗，嫁接，冰凍傷害，生長裂縫，土壤昆蟲以及環境中對植物造成損害的其他動物。

因此，在極端嚴酷的冬季，由於天氣相關的損壞，冠gall的發生率增加是很常見的。除此之外，還有一些介導宿主植物感染的方法。例如，線蟲可以充當將土壤桿菌引入植物根中的載體。 更具體地說，根寄生線蟲會破壞植物細胞，為細菌進入傷口創造條件。最後，溫度是考慮根癌農桿菌感染的一個因素。 由於T-DNA轉移的熱敏感性，由該細菌導致的冠gall形成的最佳溫度為22攝氏度。 在較高溫度條件下，腫瘤形成明顯減少。

視頻

Agrobacterium tumefaciens: a natural "GENETIC ENGINEER"
根癌農桿菌：天然的「遺傳工程」

Agrobacterium mediated gene transformation in plants
農桿菌介導的植物基因轉化

Agrobacterium: A Plant Gene Transfer Vector
農桿菌：植物基因轉移載體