根癌农杆菌转基因的分子机制
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根癌农杆菌介导的植物遗传转化1实验三根癌农杆菌介导的植物遗传转化一实验目的了解植物遗传转化的方法和理论掌握根癌农杆菌介导的遗传转化技术二原理植物遗传转化技术是指通过物理的,化学的或生物学的方法,将外源的基因导入受体植物细胞中获得再生植株的转基因技术。
自1983转基因植物问世以来,至今不到20年时间里,植物转基因技术发展迅速,除了占指导地位,运用最为广泛的农杆菌介导法,还发展了10多种转基因方法,如物理方面的基因枪法,电激法,显微注射法,超声波法,激光微束法,炭化硅纤维介导法,电泳法等;化学方面PEG介导转化,脂质体介导转化;生物学方面的种质系统法如花粉介导法,花粉管通道法等。
农杆菌介导法土壤农杆菌(Agrobacterium)是一种革兰氏阳性菌,有两个种与植物转基因有关,即根癌农杆菌(Agrobacterium Tumefaciens)和发根农杆菌(Agrobacterium Rhizogenes).它们在自然状态下具有趋化性地感染大多数双子叶植物的受伤部位,并诱导产生冠缨瘤或发状根,在离体条件下,可以在不加任何生长素的培养基中持续生长,研究表明根癌农杆菌和发根农杆菌细胞中分别含有Ti 和Ri质粒,上面有一段T-DNA区,可以通过一系列过程进入植物细胞并将这一段T-DN插入到植物基因组中,这是农杆菌侵染植物后产生冠缨瘤或发状根的根本原因,因此农杆菌是一种天然的植物遗传转化体系,人们可将所构建的目的基因插入到去除了致瘤基因的Ti(Ri)质粒的T-DNA区,借助农杆菌侵染受体植物细胞后T-DNA向植物基因组的高频转移和整合特性,实现目的基因对受体植物细胞的转化,然后通过植物细胞合和组织培养技术,利用植物细胞的全能性获得转基因再生植株。
农杆菌介导法转基因技术的关键是T-DNA整合受体植物基因组的过程,这一过程依赖与Ti质粒上的T-DNA区,和Vir区各种基因的表达以及一系列蛋白质和核酸的相互作用。
简略地说。
农杆菌转化法的原理是构建双元表达载体系统,由两种质粒组成,一种是位于大肠杆菌中的穿梭质粒,另一种是位于农杆菌中的辅助性质粒。
将重组质粒电转化到农杆菌感受态细胞中后,用含有重组质粒的农杆菌去侵染植物根部切口,通过辅助性质粒的Vir区表达蛋白与重组质粒T-DNA区(目的片段)的反式作用激活T-DNA的转移(此处可参见词条双元表达载体系统),从而将目的片段整合到紫云英根部细胞基因组中。
随着愈伤组织的形成以及根部细胞的分裂与分化,使得新生根部细胞均含有该目的片段的基因(时圣晴分析)。
实验九植物遗传转化——农杆菌介导法一、目的了解农杆菌转化的机理;掌握农杆菌介导转化水稻的技术二、原理根癌农杆菌(Agrobacterium tumefaciens)具有跨界转移DNA的能力。
下列因子与转化过程有关:1. Ti 质粒(tumor-inducing plasmid)上的T-DNA (transferred DNA)T-DNA是农杆菌Ti质粒上能够转移到植物基因组的一段DNA序列。
T-DNA含有RB和LB两个边界,它们是25bp的正向重复序列,是T-DNA 转移的顺式作用元件。
不同类型的农杆菌其边界序列有所不同,但划线部分为完全保守序列。
置于该边界内的任何外源基因均可被转化。
LB缺失突变后农杆菌仍能致瘤,但RB缺失会导致致瘤能力丧失,这时几乎完全没有T-DNA的转移。
LB(-链)5’GT TTACACCACAA TA TATCCTG CCA 3’RB(+链)5’TGA CAGGA TA TA TTGGCGGGTAA AC 3’2. Ti质粒上的Vir区(virulence region)操纵子转化所必需的基因有vir A、B、C、D、E、G。
其中蛋白VirD1/D2识别T-DNA边界RB和LB;VirC识别T-DNA右边界的超驱增强子;VirD2在T-DNA底链起内切酶作用造成切刻,并与T-链5’ 共价结合,带有1个核定位信号NLS;VirB形成转移复合通道;VirE2为单链DNA 结合蛋白,有2个NLS。
该操纵子的表达顺序如下:vir A和vir G组成型表达形成VirA和VirG蛋白→VirA被植物创伤信号分子激活→激活的VirA使VirG激活→激活的VirG 诱导vir C、D、E、B、F、H表达。
3. 农杆菌染色体基因组相关基因:chv A、chv B(农杆菌运动、附着)、chv D、chv E(编码单糖结合蛋白、趋化性)、psc A、att、cel(合成纤维素丝,附着)。
它们与农杆菌的趋化性和识别附着植物细胞有关。
农杆菌转化的原理
农杆菌转化是一种常见的基因转移技术,通过这种技术可以将外源基因导入到目标细胞中并实现有效表达。
农杆菌转化的原理主要包括以下几个方面:
1. 农杆菌的识别和结合。
农杆菌具有一种特殊的异丙基酰胺酶(VirD2),其可以通过特定的DNA序列(T-DNA)与植物细胞的DNA 结合,并导入到细胞内部。
2. T-DNA的切割和导入。
在T-DNA与农杆菌结合后,VirD1和VirD2会共同作用,使T-DNA在某些特定位点上被切割。
接着,VirD2会导入T-DNA到目标细胞的细胞质内。
3. T-DNA的插入和整合。
T-DNA一旦导入到目标细胞的细胞质内,就会通过非同源重组的方式插入到宿主细胞染色体中。
随后,T-DNA 会被宿主细胞的DNA修复系统修复,形成稳定的整合体。
4. 外源基因的表达。
一旦T-DNA被整合到宿主细胞染色体中,外源基因就可以被宿主细胞的机制所表达。
这种表达方式通常是受到T-DNA插入位点的影响的,并且会受到其他因素的调控。
综上所述,农杆菌转化的原理是通过农杆菌的识别、切割和导入T-DNA,然后T-DNA插入到宿主细胞染色体中并实现稳定整合,最终外源基因得以表达。
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根癌农杆菌介导法原理引言根癌农杆菌介导法是一种常用的基因转化技术,广泛应用于植物遗传工程领域。
它利用植物根癌农杆菌接触感染时产生的植物激素和DNA导入技术,将外源基因导入植物细胞,实现对植物基因组的改造。
本文将全面、详细、完整地探讨根癌农杆菌介导法的原理、应用以及优缺点。
根癌农杆菌的特点1. 根癌农杆菌简介根癌农杆菌(Agrobacterium tumefaciens) 是一种通过植物接触感染的土壤细菌,在植物遗传工程研究中具有重要的应用价值。
它能够将其自身的T-DNA(转座子DNA)片段导入植物细胞,并在植物细胞中稳定表达。
2. 根癌农杆菌的感染机制根癌农杆菌感染植物的过程包括以下几个步骤:1.识别和结合:根癌农杆菌通过识别植物伤口释放的酚类化合物,结合到植物细胞表面。
2.感染透入:根癌农杆菌产生的信号分子诱导植物细胞产生细胞壁降解酶,使其自身进入植物细胞。
3.T-DNA转移:根癌农杆菌通过特殊的转移螺旋(vir蛋白)将T-DNA从细菌自身转移到植物细胞中。
4.T-DNA整合:转移的T-DNA片段在植物细胞染色体上整合,并导致植物细胞的遗传改变。
根癌农杆菌介导法原理根癌农杆菌介导法利用根癌农杆菌的感染机制,将外源基因导入植物细胞,从而实现对植物基因组的改造。
1. 构建适合的转化载体在根癌农杆菌介导法中,首先需要构建适合的转化载体。
转化载体通常包括以下几个重要组成部分:•T-DNA:携带待转化的外源基因片段。
•选择标记基因:用于筛选转化成功的植物细胞。
•根癌农杆菌起始核酸序列(ori):用于在根癌农杆菌中复制转化载体。
2. 根癌农杆菌感染植物将构建好的转化载体导入根癌农杆菌中,然后让根癌农杆菌感染植物组织。
通常可以通过以下步骤实现:•制备根癌农杆菌感染液:将构建好的转化载体导入根癌农杆菌中,培养至菌体达到一定浓度。
•植物组织处理:将待转化的植物组织浸泡在根癌农杆菌感染液中,利用真空处理或共振法促使菌体进入植物细胞。
农杆菌转化机理农杆菌是从土壤中分离出来的革兰氏阴性细菌, 根据宿主范围和致病症状可分为5种,其中研究最多也最透彻的是根癌农杆菌(Agrobacterium tumefaciens), 它能将自身Tumor-inducing(Ti)质粒的一段DNA(T-DNA)转移到植物细胞中, 从而使植物损伤部位形成冠瘿瘤。
T-DNA的转化是在Ti质粒上Vir区一系列Vir基因的作用下产生的。
T- DNA 是质粒上一段10~30 kb的序列, 编码5个与致瘤有关的生长素和细胞分裂素合成酶基因。
其左右边界各有一段高度保守的25 bp的同向重叠序列(Direct repeat)与T-DNA的转化有关。
其中右边界是VirD2的共价结合序列及VirD1/VirD2内切的靶序列, VirD2与右边界的共价结合及邻近右边界的过度驱动(Overdrive)序列导致了单链T-DNA由右边界剪切并转移的极性,而VirD2与左边界的结合可能导致了载体骨架序列的转移。
农杆菌侵染时, 在单糖转运蛋白ChvE的配合下, 双元组分系统的VirA作为感受信号的天线分子受到植物伤口产生的酚类物质和糖类的诱导而自动磷酸化, 并且随后使双元组分系统的另一组分VirG磷酸化为活性状态, 进而通过vir-box 激活其他Vir基因的表达, 最后由VirD1/VirD2剪切的单链VirD2-T-DNA复合体由VirB和VirD4蛋白组装成的Type IV Secretion System(T4SS)运送到宿主细胞, 另外的几个Vir蛋白VirE2、VirE3、VirF、VirD5也同时通过这个通道运送到宿主细胞质中。
VirD2-T-DNA复合体在进入宿主细胞质中不久, VirE2就结合上去, 通过VirD2核定位信号的引导并在几个宿主蛋白和农杆菌因子的协助下向细胞核转运, 最后结合在T-DNA上的蛋白被降解, 而T-DNA通过一种尚不清楚的机制整合到宿主基因组中(图1)。
吉林农业科学2007,32(1):19-25JournalofJilinAgriculturalSciences文章编号:1003-8701(2007)01-0019-07根癌农杆菌转基因的分子机制周晓航,刘洪章*(吉林农业大学园艺学院,长春130118)摘要:根癌农杆菌将T-DNA转移并插入寄主细胞的基因组,需要趋化与附着、vir区活化、T-DNA切割及转运、T-DNA整合及表达等步骤。
本文对这些步骤分子机制的研究进展进行了综述。
关键词:根癌农杆菌;T-DNA转移中图分类号:Q812文献标识码:A野生型根癌农杆菌(Agrobacteriumtumefaciens)是一种土壤病原细菌,它通过根部伤口侵入植物体,刺激寄主在侵染部位形成冠瘿瘤,引发根癌病(crowngall)。
该病害在世界范围内普遍发生,患病植株株体衰弱,严重时可以整株死亡,因此,在生产上造成极大危害。
冠瘿瘤的生成,是由于根癌农杆菌染色体外遗传物质———Ti质粒上的一段DNA(T-DNA)转移到植物细胞,整合进染色体组并进行表达的结果。
这种具有天然转基因功能的质粒,经过改造,在基因工程中可以用作基因转移的载体[1]。
农杆菌介导的转化方法(Agrobacteriumtumefaciens-mediatedtransformation,ATMT)是研究植物和真菌反向遗传学的常用技术。
基于上述原因,近几年来,T-DNA的转运,以及随后在植物(或者真菌)细胞中的整合,表达乃至遗传等问题,一直受到植物病理学家和遗传工程学家的广泛关注,参与这些步骤的相关基因表达调控及其编码产物的功能研究方面多有报道,现就T-DNA外运的分子机理作如下概述。
1T-DNA转移概述T-DNA的转运及整合存在如下模式:A.根癌农杆菌由于趋化性而游向并附着到植物细胞表面。
B.农杆菌Ti质粒上的vir区基因活化表达,其中VirD2将T-DNA切割下来,并生成VirD2-T链结合物(VirD2-Tstrandcomplex);而VirB各蛋白参与转运通道装配。
C.VirD2-T链结合物穿越VirB通道,进入植物细胞;VirE2与VirE1形成复合体,自同一通道穿过。
D.在植物细胞质,VirE2与VirE1解离,前者结合到T链(结合有VirD2)上形成T复合体。
E.T复合体与植物细胞因子结合:VirD2与AtKAPα、亲环蛋白相结合;VirE2与VIP1和(或者)VIP2相结合;VirD2核定位序列区磷酸化;AtKAPα可能与推测的AtKAPβ相互作用。
F.T复合体经核孔进入细胞核。
在VIP1和(或者)VIP2的作用下,T复合体靶向染色体。
然后整合进植物基因组[2]。
2趋化及附着与活植物组织临近或接触,菌体形态受诱导向线形转变[3],然后一端附着到植物体上。
根癌农杆菌具有两个系统,控制对植物细胞的附着:一个依赖于AttR,为所有供试植物的发病以及侵染非豆科植物根系所必需。
另一系统调控根癌农杆菌结合到豆科植物根系上[4]。
以胡萝卜、拟南芥细胞为试材收稿日期:2006-05-12作者简介:周晓航(1975-),硕士,研究方向:果树生物技术。
通讯作者:刘洪章,博士生导师的实验表明,细菌合成的一种酸多糖,可能参与对植物细胞的附着[5]。
3T-DNA自农杆菌向寄主细胞的转运具有致病能力的农杆菌,从附着到植物细胞表面,到T-DNA转运出细菌细胞,准备侵入植物细胞需要3个步骤:Vir区基因的活化及其表达;转运通道的装配;T-DNA的向外转运。
3.1Vir区基因的诱导表达植物受伤后,生成的以下3种物质:酚类物质、单糖和酸,可作为环境信号对Vir区基因产生诱导作用。
根结线虫在李属植物根系造成的伤口能够诱导根癌农杆菌的侵染,有证据表明,抗根结线虫基因Ma能抵制根癌症状的表现[6]。
用含有伤诱导启动子的GUS基因进行监控,将vir区基因活化的细菌喷洒到烟草幼株上,无伤植株也可有效被转化,农杆菌大约通过开放的气孔侵入,该实验显示,高等植物的伤诱导反应,并非农杆菌介导的转化所必需[7]。
科学家在做转基因时,常向共培养物中加入乙酰丁香酮(acetosyingone,AS)作为诱导物。
农杆菌则借助以下3类蛋白:跨膜蛋白VirA、胞质蛋白VirG以及周质区糖结合蛋白ChvE接收上述诱导信号[8]。
该诱导模型为VirA-VirG双组分信号转导系统(two-componentsignaltransductionsys-tem)。
3.1.1VirA操纵子的诱导活化VirA蛋白为组氨酸激酶,组成型表达,主要接收外界信号。
该蛋白通过两个跨膜结构域锚定于质膜上,另外尚有4个结构域:1个氨基末端周质区结构域和3个胞质结构域,后者分别为一个连接区、一个激酶及一个羧末区(又称接收区),氨基末端周质区结构域为多种单糖的接收位点,而连接区则为感知酚、酸所必需,至于羧末区的功能,尚不清楚,可能具有抑制信号传递,削弱诱导作用的功能[9]。
VirA为组成型表达蛋白,无论有无诱导物,都以二聚体形式存在。
ChvE蛋白的功能为:①吸收特定单糖;②诱发农杆菌对这些单糖产生趋化性[10,11];③参与VirA-VirG双组分信号转导系统。
作为植物细胞壁的一种成分,单糖对Vir基因具有诱导作用,其与ChvE蛋白相互作用,结合成ChvE::单糖复合物,该复合物能与VirA的周质结构域相结合,周质结构域可能具有抑制VirA蛋白功能表达的作用,而这种抑制由于复合物的结合而被克服[10,12],基因gbpR的产物GbpR,是转录调控因子LysR家族中的一员,可以阻遏ChvE基因的表达,当有富诱导功能的单糖存在时,这种阻遏作用被解除,ChvE基因表达水平获得成倍的增加[13]。
某些单糖诱导ChvE基因高水平表达,产物ChvE蛋白与VirA周质结构域结合,使后者发生构象改变,从而扩大可被细菌识别的酚类诱导物的范围[14]。
474位上的组氨酸残基发生自磷酸化,这是VirA蛋白被诱导活化的标志。
3.1.2VirG活化进而激活Vir区基因表达自磷酸化的VirA蛋白,又将磷酸盐转移给效应调节蛋白VirG的52位天门冬氨酸残基上,激活VirG蛋白,活化的VirG蛋白,通过结合到每个Vir基因上游12bp序列的Vir盒上,来诱导Vir区各基因的表达。
VirG与不同类型Ti质粒vir盒之间的相互作用在程度上存在差异,章鱼碱、胭脂碱型菌株中,只有virA、virG和vir盒来自同一类型Ti质粒,vir区基因才能够被有效活化[15]。
3.2T-DNA及某些Vir蛋白转运通道的装配转运通道由VirB操纵子11个基因的蛋白产物,相互协作装配而成,主要用于构建蛋白质亚基、T链或者以上两者向外运输的蛋白通道—IV型分泌系统(TypeIVsecretionsystem),外运通道由3部分组成:⑴内膜跨越通道。
⑵T-菌毛(T-pilus)。
前者穿越内膜,止于外膜内表面,而后者则是一种着生于根癌农杆菌细胞表面的极生纤丝,主要负责大分子体外转运。
⑶至于跨越外膜的通道,则有两种观点,一种观点认为,可能是T-菌毛行使该功能;而另一种观点则认为,可能是染色体编码的孔道蛋白实现跨外膜运输[14,16,17,18,19]。
IV型分泌系统家族成员数目增长迅速,表明通过这一系统的大分子转移在自然界中是一个普遍现象[20]。
3.2.1内膜跨越通道内膜跨越通道,由VirB6,-7,-8,-9,-10等蛋白之间相互作用,复合而成[16]。
2032卷吉林农业科学VirB6,-8,-10之间相互作用,构成蛋白复合体,定位于内膜;而VirB7-VirB9之间以二硫键相结合(前者定位于外膜,而后者则定位于周质区),构成的复合体,定位于外膜;VirB8-VirB9、VirB10-VirB9之间又分别存在相互作用,这使得两类复合体连结在一起,构成跨越内膜和肽聚糖层而直达外膜内表面的通道[16]。
VirB7同二聚体的形成需要VirB6的参与[18]。
VirB8为237残基的内膜蛋白,氮端定位于胞质,G78、S87、A100、R107、T192分别突变成别的氨基酸之后,VirB8活性丧失,R107为VirB8-VirB9、VirB8-VirB10相互作用所必需;而S87仅为VirB8-VirB9相互作用所必需[21]。
3.2.2T-菌毛VirB2蛋白是构成菌毛的主要亚单位(subunit),分子量为7.2Kda,通过去除47个氨基酸信号肽,氨基端和羧基端经酰氨键连结环化而生成T菌毛蛋白。
VirB2信号肽切割位点序列突变,导致形成无功能的T菌毛蛋白并且毒性严重削弱,未观察到T菌毛生成,这表明正确切割及环化对于T菌毛的形成及毒性尤为重要[22]。
该环化反应,不需要任何Ti质粒编码的蛋白参与,但在大肠杆菌中却并不发生,这表明需要农杆菌染色体基因组编码蛋白的调控[19]。
也有研究者认为,VirB2蛋白是T菌毛组分的惟一来源,而其它10个VirB基因,则为T-菌毛蛋白外运及T-菌毛组装所必需[17]。
对于VirB5蛋白的功能,现有两种观点:⑴作为T-菌毛的微小组分。
⑵T-菌毛蛋白由VirB2蛋白独立加工而成,而VirB5只作为伴侣蛋白,参与T-菌毛的转运及加工。
后者比较符合现有的实验数据[17]。
VirB3蛋白,为通道组装因子[18]。
VirB6对VirB5的积累具有稳定作用,从而可以调节T-菌毛的组装。
VirB6对VirB3的积累也具有稳定作用,VirB6缺失会导致VirB5和VirB3细胞水平降低[18]。
VirB1是惟一的非致瘤所必需的VirB基因,但却可以大大影响DNA的转移效率。
合成之后,在N端信号肽作用下,VirB1蛋白靶向周质区,然后在定位于周质区或者外膜上的调控因子的作用下(并不受Vir区基因调控),被加工成包含C端73个氨基酸的VirB1*,并分泌到细胞外。
VirB1的N端区段与蛋清溶菌酶,以及裂解性的转糖基酶之间存在同源区,因此可能局部降解细胞壁,进行运输渠道构建。
而VirB1*则可能在细胞外,参与T-菌毛的形成(具体功能尚未搞清)。
VirB1为菌毛形成所必需。
VirB1对稳定T-菌毛蛋白,可能具有作用[14]。
VirD操纵子并不参与T-菌毛的形成[17]。
细胞表面离散分布着与T菌毛相连的VirB7同二聚体,与T菌毛发生有关。
其脂链修饰以及二硫键交联对于T菌毛组装是重要的,T菌毛蛋白单体分子间的交联并不为T菌毛组装所需,但有利于菌毛的稳定。
VirB7在细胞内以3种形式存在:单体,同二聚体,VirB7-VirB9异二聚体;在细胞外以VirB7同二聚体为主,有少许单体,未发现VirB7-VirB9异二聚体[23]。
3.2.3跨越植物细胞壁膜屏障菌毛穿过多孔的植物细胞壁,其中酶对细胞壁的作用很微小,可能主要是机械穿刺作用[24]。