Ti质粒的作用.ppt
植保生物技术06,根癌病和Ti质粒的作用,根癌病（冠瘿病）的特征,是在根上或茎上产生瘿瘤，以木本植物上最常见，但草本植物也也受侵染。寄主植物达90多科600多种。,症状,番茄（左）和橄榄（右）,桃（左）和卫矛（右）,圆叶葡萄（左）和向日葵（右）,病害循环,根癌菌附着在植物细胞表面,根癌菌和根癌病,根癌病菌和质粒,根癌病菌的质粒,涉及根癌病的基因大多位于一个大质粒，即Ti (tumour-inducing)上。质粒是一种与染色体分离的、可在细胞中独立复制的、可通过接合作用从一细菌转移到另一细菌的环状DNA。质粒上的基因编码的是一些非必需功能，因为当细菌丢失质粒之后仍可正常培养。,Ti质粒,质粒在细菌中的主要作用,通过对细菌菌株进行“治疗”容易显示出来。当细菌在接近其温度上限生长时（对根癌农杆菌来说大约为30度），丧失致病性。然而，质粒的丢失并不影响细菌在培养基上的生长-质粒缺失的细菌也能形成完整的功能。,质粒转移,在实验室里我们能通过先对根癌农杆菌进行“治疗” ，然后把其中的质粒引入到期货生物体内。把Ti质粒导入到固氮菌中会引起固氮菌形成瘿瘤，而把Sym质粒导入到农杆菌中则导致类似固氮瘤的形成，虽然它们的功能都不完整。,这样一些研究引出了很多关于细菌性质的令人感兴趣但同时又富有挑战性的问题。例如：既然这些微生物在丢失或获得非必须的质粒后能发生极大的变化细菌种或属的命名究竟有什么真正意义？在自然群体中有多少基因通过质粒和其它可转移的遗传因子发生交换？,从伤口侵入,根癌农杆菌一般生活在植物的根上或根围，利用植物根组织分泌物作为营养存活，它们仅仅通过伤口侵染，不管是天然的伤口还是在种苗移植或农事操作时留下的伤口，这种对伤口的要求能够在实验室中很容易地得到证明。.,实验证明,例如：图C中显示的是先在两个蕃茄株的茎基部滴一滴根癌农杆菌的悬浮液，而后分别用针在菌液处刺一个小孔，5周后所拍的照片。图D中显示的是另一个实验结果，先用细菌悬浮液加到新鲜的胡萝卜切面上，两周后可见有绿色的根癌从切片中心维管系统周围的分生组织上长出。,在自然条件下，根癌农杆菌的可动细胞依靠趋化性向受伤位点靠近。这部分是对根部释放糖和根的其它普通成分的反应，质粒丢失的菌株也有这种情况，然而，包含Ti质粒的菌株的反应则强烈的多。因为质粒能识别伤流中的一些酚类物质如乙酰丁香酮（见图F）。这种物质既使在很低的浓度下也能强烈吸引质粒（10-7Mol/L），因此Ti质粒的功能之一就是编码额外的、存在于细胞膜上且使细菌能识别伤口的特异性趋化受体。,侵染,Ti质粒编码一种嵌在细菌细胞膜上的营养吸收蛋白根癌碱（opine)透酶的基因，这种质粒同时也能拷贝和切下它自已的部分DNA，并使之进入植物细胞从而使植物产生根癌碱。,乙酰丁香酮,乙酰丁香酮在侵染过程中起 着很重要的作用，因为它能 在高浓度下（10-5-10-4Mol/L），激活Ti质粒中毒性基因(Vir)的表达，（详见图G）， Vir基因能制约侵染的过程，尤其在以下方面：1、导致存在于细菌蛋白膜上用来吸收癌肿组织产生的物质（如根癌碱等）的蛋白（透酶）的产生。2、导致能切下Ti质粒上叫TDNA（转移DNA）的内切酶（限制性内切酶）的产生,根癌农杆菌C58菌株中Ti质粒上的一些主要功能区示图,T-DNA = 可转移 DNA; Noc =烟脂碱合成基因; Ori = 质粒复制起点; Con = 制约质粒通过接舍作用转移到其它农杆菌菌系的区域; Acc =农杆碱代谢基因; tzs = 反式玉米素合成基因; Vir = 毒性基因.,T-DNA转移,如图E中的表中所示，被切下的TDNA由细菌释放后然后进入植物细胞。然后整合进植物的染色体并支配这些细胞的功能。这种转移的确切机制仍不是很清楚，但看起来是一个有条件的过程。也许是受细菌产生细胞分裂素（植物激素）所介导。Ti质粒上的tzs（反式玉米素）基因编码这种激素。,T-DNA剪切转移,接合转移菌毛形成,插入整合,需要指出的是，质粒中只有一小部分（TDNA）进入植株，其它的部分则留在细菌中承担其它的功能。当整合进植物的基因组后，TDNA上的基因负责编码细胞分裂素的产生、吲哚乙酸的产生合成和释放新的植物代谢产物根癌碱和农杆碱。,这些植物激素提高了植物细胞生长的正常平衡点，导致瘿瘤的产生并因此给细菌的生长提供了一个营养富集的环境。根癌碱是一种独特的氨基酸衍生物，与正常的植物产生的物质不一样，同样，农杆碱也似乎是一种独特的磷酸糖类衍生物，所有这些物质都能被根癌菌用作唯一的碳源和能量来源。由于在正常的植物细胞中缺少这些物质，所以它提供给根癌菌独一无二的其它细菌都不能利用的食物源。,不同的根癌菌菌株包含不同的类型的Ti质粒，这些不同的质粒编码产生不同类型的根癌碱 ，其中最常见的一种Ti质粒（从根癌农杆菌C56菌株中发现的，如图G）能产生烟脂碱（如下图）和农杆碱 A ，这种质粒留在细菌中的部分负责编码吸收和代谢这些物质的基因（即图中所示的Noc和Acc基因）。另一种常见的Ti质粒类型负责编码和合成章鱼碱（octopine） 和农瘿碱（Agropine） 。,Nopaline,Ti质粒向植物转移期间的分子互作,Ti质粒向植物转移期间的分子互作2,在自然条件下细菌之间到底有多少遗传物质的相互交换发生？,从自然或栽培环境中的植物根表面分离出的根癌农杆菌，绝大多数菌株（90%或更高）是不致病的，既使这些分离物是来自有根癌病的植物也是如此，这些非致病的菌株传统上被命名为放线农杆细菌（ Agrobacterium radiobacter ）。因此得出结论，根癌农杆菌基本上是一种根围习居菌，其中只有一小部分菌株（包含Ti质粒）有致病性，巧合的是，对根瘤菌也是一样，根瘤菌中也只有一小部分菌株能产生根瘤，大部分的根部分离物都不能产生植物根瘤状物。,这在许多方面这些都有生物学意义：根癌农杆菌基本上是根围习居菌，因为在根区若有一个定居菌群，农杆菌的致病菌株只对伤口快速反应（趋化性）。 但是Ti质粒是一种接合转移性质粒，它能在Con基因的控制下（如图G）从一种细胞转移到另一种细胞。在实验室条件下，这种接合转移受胭脂碱强促进。所以，好像是致病菌株为自已创造条件（胭脂碱从被侵染的伤口中产生）促使它里面的质粒转移到根围中的其它菌系中。,一个植物转化载体,大麦转化示意图,
