农杆菌转化法

转基因技术

农杆菌转化法是一种将目的基因导入植物细胞的方法。

简介

根癌农杆菌和发根农杆菌中细胞中分别含有Ti(Tumour inducing)质粒和Ri质粒，其上有一段T-DNA(Transferring DNA)，农杆菌通过侵染植物伤口进入细胞后，可将T-DNA插入到植物基因组中，并且可以通过减数分裂稳定的遗传给后代，这一特性成为农杆菌介导法植物转基因的理论基础。

科研人员将目的基因插入到经过改造的T-DNA区，借助农杆菌的感染实现外源基因向植物细胞的转移与整合，然后通过细胞和组织培养技术，再生出转基因植株。农杆菌介导法起初只被用于双子叶植物中，近年来，农杆菌介导转化在一些单子叶植物（尤其是水稻）中也得到了广泛应用。

原理

选择一种特制的空质粒载体（如PBI121质粒载体），其上要求含有T-DNA边界序列（此处可参见词条双元表达载体系统），在序列之间含有复制原点、抗性基因、GUS报告基因、Hind Ⅲ和BamH I 等酶切位点（以上这些构成了一个T-DNA区）。先通过双酶切反应酶切空质粒载体和目的基因，再通过酶连反应连接空质粒载体和目的基因，从而构建成完整的重组质粒。此时重组质粒的T-DNA区包括T-DNA边界序列、复制原点、突变启动子片段、GUS报告基因、抗性基因。我们称这段T-DNA区为目的片段。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植物细胞基因组中。随着愈伤组织的形成，使得新生细胞均含有该目的片段的基因。

步骤

转化：目的基因插入Ti质粒的T-DNA上——进入农杆菌——导入植物细胞——目的基因整合到植物染色体的DNA上——目的基因得以稳定维持和表达

1、获取目的基因：用限制性核酸内切酶切割下目的基因。

2、基因表达载体的构建：将目的基因与载体（大多数选用质粒）用DNA连接酶连接起来。

3、将目的基因导入受体细胞：将含目的基因的重组质粒导入农杆菌（农杆菌为受体细胞）。

4、目的基因的检测与鉴定：用DNA分子杂交技术/分子杂交技术/抗原-抗体杂交/个体生物学水平鉴定（这个方法需要导入重组后的细胞的植物体，详见第五步）几种方法进行检验（根据要求选取不同方法）。

5、最后将成功表达的细胞导入植物体内，对植物体进行个体生物学水平鉴定。

整个转基因体系的建立步骤大致可以归纳为：目的载体的构建---载体的农杆菌转化---农杆菌与植株共培养---转化植株的筛选---转化植株的鉴定。

在每一步中都涉及到很多的方法与技术。目的载体的构建，包括目的基因的克隆、载体的酶切、连接（用限制性核酸内切酶与DNA连接酶），以及测序分析。载体的农杆菌转化，目前有很成熟的方法，试验中应注意热激和冷激的时间。农杆菌与植株的共培养，即为植株转化实验，在溶液中加入促进植株愈伤生长的激素能一定程度提高转化率。转化植株的筛选，大多是利用抗生素进行筛选的，抗生素的选择则需根据目的载体确定，设置不同梯度的抗生素对植株进行筛选。转化植株的鉴定，一般采用PCR法。以上所有的操作，都应该在无菌环境下进行，无菌是植物组培的一项基本，但是重要的要素。

优点

农杆菌Ti质粒转化系统与其他基因转化体系相比，具有许多突出的优点：①该转化体系是模仿或称之为利用天然的转化载体系统，成功率高，效果好；

②农杆菌Ti质粒转化系统的机理研究得最清楚，方法最成熟，应用也最广泛；

③农杆菌Ti质粒转化系统转化的外源基因以单拷贝为多数，遗传稳定性好，并且多数符合孟德尔遗传规律，因此转基因植株能较好地为育种提供了中间选育材料；

④农杆菌Ti质粒转化系统操作比较容易，需要的仪器设备简单，易于推广。

作用

农杆菌是一种在土壤中生活的微生物，能在自然条件下感染双子叶植物和裸子植物，而对大多数单子叶植物没有感染能力。当植物体受到损伤时，伤口处的细胞会分泌大量的酚类化合物，吸引农杆菌移向这些细胞，这时农杆菌中的Ti质粒上的T-DNA（可转移的DNA）可转移至受体细胞，并且整合到受体细胞染色体的DNA上。根据农杆菌的这种特点，如果将目的基因插入到Ti质粒的T-DNA上，通过农杆菌的转化作用，就可以使目的基因进入植物细胞，并将其插入到植物细胞中染色体的DNA上，使目的基因的遗传特性得以稳定维持和表达。它是将目的基因导入植物细胞采用最多的方法。

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