揭秘農桿菌載體——Ti質粒
Ti質粒是什么？
Ti 質粒（Tumor-inducing Plasmid）是在根瘤土壤桿菌細胞中存在的一種染色體外能夠自主復制的環形雙鏈DNA分子，作為植物根癌農桿菌（Agrobacterium tumefaciens）菌株中存在的一種質粒，它在農桿菌侵染植物細胞并導致冠癭瘤（Crown Gall Tumor）的形成過程中起著關鍵作用。
Ti質粒的發現
1974年，科學家在根癌農桿菌內發現并分離出了一種與腫瘤誘導有關的大型質粒，這種質粒被命名為Ti質粒（Tumor-inducing plasmid）。Ti質粒的發現是植物基因工程領域的一個重大突破，它揭示了農桿菌誘導植物產生冠癭瘤的分子機制。
Ti質粒的大小和結構
Ti 質粒的大小通常在 150 - 250kb 之間，其結構主要包括以下幾個部分：
1.T-DNA區（Transfer-DNA Region）：
這是Ti質粒中最重要的區域，長度約為20kb左右。T-DNA區能夠從Ti質粒上切割下來，并整合到植物細胞的基因組中。它攜帶了一些與植物激素合成和腫瘤形成相關的基因，這些基因通常被稱為onc基因（Oncogenes）。當T-DNA 整合到植物基因組中后，這些onc基因會表達，導致植物細胞過度生長和分裂，形成冠癭瘤。
2.Vir 區（Virulence Region）：
Vir區位于T-DNA區之外，長度約為35kb。它編碼了一系列與 T-DNA轉移和整合相關的蛋白，這些蛋白統稱為Vir蛋白。Vir蛋白能夠識別植物細胞表面的信號分子，并通過一系列復雜的過程將T-DNA轉移到植物細胞中。
3.Con區（Region of Replication and Conjugation）：
Con區包含了Ti質粒復制和接合轉移所需的基因。它負責控制Ti質粒在農桿菌細胞中的復制，以及在農桿菌之間的接合轉移。
4.Ori區（Origin of Replication）：
Ori區是Ti質粒復制的起始位點，它確保了Ti質粒能夠在農桿菌細胞中自主復制。
在自然條件下，根癌農桿菌通過傷口感染植物細胞。當農桿菌與植物細胞接觸時，Vir蛋白會感知植物細胞表面的信號分子，從而激活 T-DNA的轉移過程。T-DNA被切割下來后，通過一種稱為T4SS（Type IV Secretion System）的結構被輸送到植物細胞中。在植物細胞中，T-DNA整合到基因組中，并表達其中的onc基因，導致植物細胞形成冠癭瘤。
由于Ti質粒能夠將外源基因整合到植物基因組中，因此它在植物基因工程中被廣泛應用。科學家們通過對 Ti 質粒進行改造，去除其中的onc基因，保留T-DNA區和Vir區等關鍵部分，并將目的基因插入到T-DNA區中，構建成重組Ti質粒。然后，利用根癌農桿菌將重組Ti質粒導入植物細胞中，實現目的基因的轉移和表達。這種方法被稱為農桿菌介導的植物轉化技術，它具有操作簡單、轉化效率高、遺傳穩定性好等優點，是目前植物基因工程中最常用的方法之一。
Ti質粒的應用與未來發展
應用：
植物基因工程：Ti質粒因其獨特的T-DNA轉移和整合機制，成為植物基因工程中廣泛使用的載體系統。通過構建攜帶目標基因的Ti質粒，并將其導入根癌農桿菌中，再利用農桿菌的感染能力將目標基因導入植物細胞，從而實現植物的遺傳轉化。這種方法具有高效、穩定、易操作等優點，已廣泛應用于作物改良、生物反應器構建等領域。
基礎科學研究：Ti質粒的研究也為深入理解細菌與植物之間的相互作用提供了重要線索。通過對Ti質粒的結構和功能進行深入解析，可以揭示細菌如何識別并侵染植物細胞、如何調控T-DNA的轉移和整合等生物學過程。
未來發展：
隨著基因工程技術的不斷發展和完善，Ti質粒在植物基因工程中的應用也將不斷拓展與深化。未來我們可以期待更多基于Ti質粒的載體系統的出現，以滿足不同領域和不同需求的研究和應用。同時，隨著對Ti質粒結構和功能認識的不斷深入，我們也將能夠更好地利用這一重要工具來推動植物生物學和農業科學的發展。
