植物冠瘿生长调控及相关基因研究进展
2022-12-09
来源:易榕旅网
维普资讯 http://www.cqvip.com 西北植物学报2002,22(5):1282--1288 Acta Bot.Boreal,一0ccident.Sin. 文章编号:1000—4025(2002)05—1282—07 植物冠瘿生长调控及相关基因研究进展 张丽华,李建明 (西北农林科技大学园艺学院,陕西杨凌,712100) 摘要:阐述了植物冠瘿产生的影响因素及冠瘿的生长和调控,并对冠瘿发生有关的基因进 行了综述。 关键词:植物冠瘿;生长与调控;冠瘿发生基因 中图分类号:Q946—33 文献标识码:A Advance of growth modulation and genesis gene of plant crown gall ZHANG Li—hua,LI Jian—ruing (School of HorticuIture Science,Northwest Sci—Tech University of Agriculture and Forestry,Yangling’ Shaanxi 71 21O0,China) Abstract:The research of plant crown gall is introduced,Growth and modulation of crown gall and crown gall genesis genes and affectors are all reviewed in this paper・ Key words:plant crown gall;growth and modulation;crown gall genesis gene 人类患有癌症,植物也有“类癌之症”,即冠瘿。植物的冠瘿细胞与人类及动物的癌细胞相类似,它能 形成不同大小及类型的瘿或瘤,所以称之为冠瘿。冠瘿细胞一旦形成,就能不依赖于外源植物激素而快 速地分裂和增殖。因此可以利用植物的冠瘿细胞来生产某些具有重要价值的物质。而冠瘿组织的研究是 利用冠瘿细胞生产某些物质的基础。 1冠瘿产生的影响因素 1.1菌株类型 农杆菌属于根瘤菌科的革兰氏阴性菌,包括根癌农杆菌、放射性农杆菌、发根农杆菌和悬钩子农杆 菌4个种Ⅲ。根癌农杆菌根据其诱导植物细胞产生的冠瘿碱种类不同可分为3种类型,即章鱼碱型(。c一 收稿日期:2001—04—25;修改稿收到日期:2o 一11一 .. 者简介 张丽华(1974一),女(汉族),在读博士,讲师。 维普资讯 http://www.cqvip.com 塑 张丽华等:植物冠瘿生长调控及相关基因研究进展 1283 topine type)、胭脂碱型(nopaline type)和农杆碱型(agropine type).分别诱导合成章鱼碱、胭脂碱和农 杆碱。发根农杆菌根据转化根中合成的冠瘿碱种类不同可分为3种菌株类型(能诱导合成7种冠瘿碱): 农杆碱型(能诱导合成农杆碱、农杆碱酸、甘露碱、甘露碱酸、农杆碱素A)、甘露碱型(能诱导合成甘露 碱、甘露碱酸、农杆碱素C)和黄瓜碱型(能诱导合成黄瓜碱)。 不同类型的菌株诱导冠瘿的能力不同。王连铮等[2]利用根癌农杆菌的15个株系对2 759个大豆品 种的致瘤作用进行了研究.筛选出了7个致瘤能力较强的株系,致瘤效果较好的菌株为B3/73、C58、 A208。李洪泉等[3 用Chry5,A281.T37农杆菌株系对我国1O个大豆品种子叶致瘤作用进行了研究,结 果表明,3种菌株都获得较高的感染率,其中Chry5效果最佳,略高于A281,T37最差,Chry5在7个品 种上致瘤作用比我国的超毒菌株A281还强,对所有品种致瘤作用都高于T37。Chry5对我国大豆具有 较强的致瘤性,它可以作为构建大豆基因工程载体的优良菌株。 1.2植物材料的基因型 农杆菌的感染能力还与受体基因型有关.同一种作物,基因型不同.被同一农杆菌菌株感染后,产生 冠瘿的能力不同。王连铮等[2]试验了15个根癌农杆菌株系对2 759个大豆品种的致瘤作用,获得了858 个大豆的结瘤基因型,其余则不被感染,说明不同大豆基因型的易感染性差异很大。李洪泉等口]研究了 不同菌株对1O个大豆材料的致瘤效果,1O个大豆品种对Chry5的感染率均较高,其中以黑农26、黑农 33和合丰25为最高,致瘤效果以合丰25为最好。 1.3外植体类型和侵染时间 同一作物,同一基因型,所取的外植体的部位不同,产生冠瘿的能力也不同。余沛涛等r4]研究了 LBA92—6根癌农杆菌对丝石竹无菌苗致瘤作用的影响,结果发现茎的上部切段成瘤率为43.3 ,下部 切段成瘤率为59.1 .这是因为上部切段较幼嫩,在转化感染过程中易死去,即使感染成瘤也难以继续 生长。且不同外植体所产生的冠瘿瘤的形态也不同,基部切段产生的冠瘿呈球形,饱满,质地较紧密,上 部切段产生的冠瘿较松散.不呈明显的球形。盛长忠等I5]研究了土壤农杆菌C58对东北红豆杉不同天数 叶愈伤组织致瘤作用的影响,结果表明.以20 d的愈伤组织最易被C58菌转化,长出冠瘿的愈伤组织达 15 ,其次为30 d的愈伤,其冠瘿诱导率为13.8 ,而10 d的愈伤组织因为还处于生长迟滞期,冠瘿诱 导率只有5.8Z,40 d的愈伤组织因为生长达到高峰.将近衰老,其冠瘿诱导率仅2.1 。盛长忠等I5]还试 验了侵染时间对冠瘿诱导率的影响,结果以感染5 min效果较好,时间短,不利于愈伤组织细胞与细菌 的相互作用,时间长对愈伤组织细胞伤害较大。 冠瘿生长与调控的研究 2.1器官分化或再生的研究 Phillips等Ⅲ以矮牵牛为材料,从其冠瘿组织中提取原生质体,后在不含外源激素的培养基上进行 培养,结果表明,这些冠瘿瘤原生质体在无外源激素的培养基上能够再生。Sakurai等 ]对不同形态的烟 草冠瘿组织中的内源赤霉素(GA)进行了研究,以探求GA生产与植物细胞分化的关系.结果表明,在无 序细胞中GA的生物合成受到抑制,一旦细胞进行再分化,GA的生物合成就能恢复。Yusibov等 ]利用 农杆菌质粒载体通过叶盘转化法将冠瘿诱导基因T—cyt基因(来源于pTiC58)导入烟草细胞中,在高细 胞分裂素条件下培养的烟草芽不能发根.也没有顶端优势,添加外源的植物激素调节物可以产生形态正 常的转基因植株。虽然生根植株中的T—cyt mRNA为最初转化芽中的一半.但总的细胞分裂素的量却比 冠瘿瘤组织中要低的多。 2.2内源物质的研究进展 S i 。t 等Ⅲ对两种转化组织(冠瘿瘤和畸态瘤)和未经转化的分化愈伤组织中的多胺进行了研 究,结果表明.在冠瘿瘤中多胺的含量为腐胺>亚精胺>精胺,而在畸态瘤中含量高低次序正好相反,在 维普资讯 http://www.cqvip.com 1284 西北植物学报 22卷 分化的愈伤组织中为亚精胺>精胺>腐胺。冠瘿瘤和畸态瘤中的多胺含量不同,说明快速生长的转化组 织不一定含有高水平的腐胺,也说明各种多胺的相对含量与瘤的类型及特点有关。Terry等rio]利用琼脂 包埋技术研究了向日葵和番茄正常茎组织和冠瘿瘤茎组织中的Fe件的还原位点,将正常组织切片和冠 瘿瘤组织切片包埋于含有Fe”、BPDS及Fe。 指示剂的琼脂中,结果在被土壤农杆菌侵染的向日葵组织 中,Fe 大量被还原为Fe ,而在正常组织中没有被还原;对于番茄,不论正常组织还是瘤组织,只有茎 周边的Fe件被还原。Jolley等[11]以向日葵为材料,对冠瘿组织中的Fe进行了研究,结果表明,Fe高的还 原率与冠瘿细胞的增殖有关,且发现正常组织转化为冠瘿的机制似乎与活性Fe的还原有一定联系。 2.3外源基因在冠瘿瘤组织中的表达研究 有关外源基因在冠瘿瘤组织中表达的研究还比较少。Sasaki等[” 用Ti质粒来转化胡萝卜冠瘿细 胞,Ti质粒的IAA生物合成基因得以转录和翻译,使得IAA生产过量,但这种新合成的IAA会立即代 谢为氨基酸结合态IAA,内源IAA含量维持在一个低水平,经液相色谱/质谱法对氨基酸结合态IAA 进行鉴定,这种物质被确认为吲哚一3一乙酰天冬氨酸。 2.4冠瘿组织生长调控的研究 向日葵冠瘿瘤组织具有将Fe抖还原为Fez 的能力,所以能对Fe加以利用[n l5]。Jolley等[“ 以14 d苗龄的健壮向日葵植株为材料,研究了铁的限量供应对冠瘿生长、营养及Fe仆还原为Fe 的影响。结 果表明,铁胁迫使冠瘿生长减慢,Fe件还原为Fe。 的量减少,且冠瘿组织中Fe的含量也降低。他们认为 冠瘿组织比非冠瘿组织含有更多的Fe、Cu和P,Fe的充足供应能够促进冠瘿组织的生长发育,缺乏时 会抑制其生长。Brown等 也以向El葵为材料研究了铁对冠瘿生长的影响,其研究结果与J'olley等[】钉 的研究结果一致,发现冠瘿组织比非冠瘿组织含有更多Fe、Cu、K、P,含有较少的Zn、Mg,减少瘤周围环 境中的Fe会抑制冠瘿的生长[ 1。 2.5物质生产的研究 尽管冠瘿组织具有快速分裂和增殖的特点,但利用冠瘿来进行物质生产的研究还不多见。Phillips 等 Ⅲ以矮牵牛为材料,通过花瓣原生质体与冠瘿原生质体的体细胞融合,研究了激素自给条件下的色 素生产情况,结果表明,当异核体发育到四细胞阶段时,着色很弱,无法检测;当异核体直径达到1~2 mm时,10%的微愈伤分化出色素细胞。Mettrie等m 研究了烟草冠瘿组织中贝壳杉烯合成与内源GA 含量之间的关系,结果表明,在对数生长期开始时贝壳杉烯的合成达到高峰,且贝壳杉烯的合成能力与 C 。一GAs问存在明显的相关关系。 3冠瘿发生的相关基因研究 土壤农杆菌在多种双子叶植物及一些单子叶植物上能引起肿瘤疾病(即冠瘿瘤),在感染植物时农 杆菌的致瘤Ti质粒,即T—DNA就被转移到植物细胞中,并整合到植物的基因组中去。T—DNA在被转 化植物细胞中的表达就会导致植物组织不依赖于生长素的肿瘤性生长及农杆菌特定氨基酸衍生物和生 物碱的合成。 3.I冠瘿发生的相关基因 人们最早研究的农杆菌株系为胭脂碱型株系C58,C58的T—DNA含有2个基因区:右手区,这是许 多农杆菌株系所共有的保守区域,约i0 kb,这一保守T—DNA片段就称为“共同T—DNA”,它包括5,i— aaM,ipt,6a,tml,tm2,tmr.acs,nos和6b等基因;左手区,含有一串功能未知的基因。保守区含有许多冠 瘿瘤诱导所必须的基因,tm1和tm2编码生长素IAA生物合成过程中所需要的一些酶,而tmr则负责 细胞分裂素的合成,这些激素就促进了瘤的生长,基因5和6b与瘤的形态有关,基因acs(:l:壤杆菌素碱 合成酶基因)和nos(胭脂碱合成酶基因)分别编码生物碱合成过程中的一些酶。另外基因6a还与生物碱 的分泌有关[1 9 。 维普资讯 http://www.cqvip.com 5期 张丽华等:植物冠瘿生长调控及相关基因研究进展 1285 对一些胭脂碱型农杆菌进行研究表明.转录产物a、b、C、d、e是由左手T—DNA区所编码的,它们的 具体功能还不清楚。许多研究者的研究工作表明C58和T37虽然都有自己特定的T—DNA结构,但它们 仅在左手区T—DNA的EcoR I酶切片段l4处相差一1.6 kb的缺失小片段。C58或T37 T—DNA的左手 区域是胭脂碱型株系所特有的,Willmitzerd等[273对该片段进行的转录分析发现有6个功能未知的区域 (a—f)。Joos等[28]对a—f区进行突变分析初步认为该片段不参与瘤的形成。但Broer等[29]鉴定了土壤农杆 菌C58 T—DNA基因e、f及它们对冠瘿瘤形成的影响,并报道基因e在诱导番茄茎产生瘤中是必须的, 且能促进其它植物瘤的形成,并发现基因e所编码的蛋白与发根农杆菌rolB基因及土壤农杆菌基因5 的产物很相似。 Broer等cz。]认为e和f这2个基因的功能是调节植物对生长素的反应。基因e的突变农杆菌株系只 能诱导产生少量的冠瘿,甚至不能诱导冠瘿的产生,所以他们认为基因e的产物与冠瘿瘤的形成有关。 用基因f的突变农杆菌株系去感染作物及其在转基因烟草中的表达都没有产生形态上的变化,与基因e 相比,基因f在冠瘿瘤的形成中似乎是非必须的。为了确定基因f是否为活性基因,又研究了基因f在植 物及农杆菌中的表达,结果发现在植物中基因f的启动子介导的是一种组织特异性表达,尽管f基因在 农杆菌和植物中都能表达,但该位点的功能还不清楚,对f基因位点的DNA相似性分析表明该位点是 一类似于嵌合体的DNA结构,说明此位点可能是农杆菌在进化过程中不同株系间基因互换的结果。0t— ten等[22 对C58 T—DNA的左半部分(a—d区)及acs—iaaM片段进行测序,并评价了胭脂碱型农杆菌株系 特定T—DNA片段(a—f)在瘤形成中的作用。结果表明,基因C编码一种新的未知T—DNA蛋白,基因a与 土壤杆菌素合成酶基因是同系物,基因b、C、d、e是一大家族的一部分,它们与T—DNA基因5、rolB、lso 和3,相联系,基因5、rolB、lso能够诱导或改变植物的生长,被称为T—DNA癌基因,基因3 (位于章鱼碱 型株系的TR—DNA上)也是一癌基因,来源于C58的b-e T—DNA片段。其单个基因缺乏生长诱导活性。 C58 e基因缺失突变型在所有被实验的植物上都表现出充分的烈性。C58和T37的T—DNA结构见图 1C29]。 T37 二二二二二二二] △1 6№ 上 C58 上 14 墅上上上上鱼盟盥● E E 图1 C58和T37的T—DNA结构 Fig.1 T—DNA structure of C58 and T37 C58能诱导多种寄主植物产生非分化状态的瘤,尽管C58与T37仅在f基因区相差 一1_6 kb的序列,但是T37诱导产生的瘤是能分化芽的。Broer等m 的研究结果表明, . 1.6 kb的缺失片段与C58、T37诱导产生的瘤不同无关,而C58、T37诱导产生瘤不同的 原因尚不清楚。 维普资讯 http://www.cqvip.com 西北植物学报 3.2激素合成的相关基因 植物病源菌所产生的激素是在冠瘿形成过程中产生的。病原菌Er'wi ia herbi 。 D . gypsophilae能诱导Gypsophila植物产生冠瘿,这种病原菌具有IAA特异性生产基因,也 具有负责细胞分裂素生物合成的位点[3o]。在病原菌中细胞分裂素生物合成的关键酶为异 戊烯转移酶(Ipt),在所有能诱导产生冠瘿的菌中发现都有编码Ipt的基因。另一个同源基 因为来源于胭脂型菌的tzs基因,它受vir调节子的调控。在Pseudomonas syri gae pv. Savastanoi中细胞分裂素是由ptz基因编码的,它在结构上与农杆菌基因相似。与tzs植 物酚类化合物诱导下的表达相比,ptz基因能够高效表达并有一个与E.coli相类似的启 动子。另外一个细胞分裂素合成基因与前两个不同,是从Rhodococcus fascians中分离到 的。细胞分裂素生物合成基因在冠瘿形成中的作用已有报道,ipt基因诱导产生的是生根 型冠瘿,IAA缺陷型突变菌诱导产生的是出芽型冠瘿。Surico等[3 ]在对IAA或细胞分裂 素生物合成突变菌进行分析的基础上提出P.Syringae pv.savastanoi的ptz基因与冠瘿 的大小有关。Lichter等[30]报道E.Herbicola pv.gypsophilae能分泌玉米素、玉米素核苷 等,他们还研究了E.Herbicola pv.gypsophilae细胞分裂素合成基因的特点及其在冠瘿形 成中的作用,研究发现,细胞分裂素合成基因位于pPATH质粒上专门生产IAA的基因 群处,对该位点进行的序列分析表明,细胞分裂素生物合成基因etz与其他人报道的细胞 分裂素合成基因同源。etz标记交换突变体在Gypsophila剪枝上诱导产生的冠瘿较小,用 完整的etz基因与交换突变体进行互补能诱导细胞分裂素的大量产生,诱导出的冠瘿个 较大,这证明etz基因与细胞分裂素的生产和冠瘿的大小有关。pre—etz的插入突变体分析 表明,在该突变体中etz特定转录物产量及细胞分裂素的产量都大大降低,说明pre—etz 基因与etz基因具有协同作用,共同调节细胞分裂素的含量及冠瘿的形成与大小。 3.3序列分析及检测 Suzuki等_26 对一种胭脂碱型Ti质粒(pTi—SAKURA)的核苷酸序列进行了测定,在长206 479 bp 的核苷酸序列上共有195个开放阅读框(ORFs)。在该质粒的2/3部分中发现共有22个结合基因,3个 复制基因,22个致病基因,37个寄主植物遗传克隆基因,这些基因形成7个功能基因群。在质粒的另外 1/3部分发现有一些新基因,其中包括rout T.Rhizo ̄um nod Q和Sphingomonas lig E基因,这些基因 可能与寄主植物的更广范围有关。 PCR已被用于纯组织、土壤及被感染植物中农杆菌的鉴定和检测,但关于用PCR及其它技术检测 多种寄主植物瘤组织中农杆菌相对有效性的文献还较少。Cubero等E323建立了一种检测植物瘤组织中农 杆菌的简单而有效的方法.他们在实验中共使用了来自不同材料的38个农杆菌株系。在反应中共使用 了三对引物:来源于T—DNA区的FGP tmr 530和FGP tmr 701,来源于pTi vir区位于virB和virG之 间的FGP vir B11+21和FGP vir G15 ,另外一个引物为VCR/VCF(由Vawada根据pTi virC设计而 成)。用tmr引物对38个农杆菌株系进行扩增,有34个株系中获得172 bp的目的片段。用vir B—G引物 进行扩增,在32个株系中获得246 bp和730 bp的目的片段,而用vir C引物在33个株系中获得适宜大 小的条带。对于农杆菌株系B6和550—2PA8,用virB—G引物进行扩增没得到任何产物。对于360—1株系 和阴性对照,用3对引物都没有得到扩增产物 可见.对于一定的农杆菌株系,只有选择适宜的引物才能 得到PCR产物。 4 小结 在冠瘿的研究方面主要着重于其组织内部成分和与冠瘿发生有关的基因研究.而对冠瘿生长影响 维普资讯 http://www.cqvip.com 塑 张丽华等:植物冠瘿生长调控及相关基因研究进展 1287 因素的研究还比较少。在冠瘿的利用方面,利用冠瘿生产某种有用物质的报道也很少。今后,应从下面3 个方面着重研究:①研究基本培养基中主要成分对冠瘿生长的影响;②研究适合于检测冠瘿的通用引 物,以便于对冠瘿进行检测;③应加强利用冠瘿生产具有重要价值的有用物质的研究。 参考文献: [1]王关林.方宏筠.植物基因工程原理与技术[M].北京:科学出版社,1998. 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