北京自然博物馆 殷学波

（1）小小杆菌，偏食何道

根癌农杆菌生活在土壤中，特别是农民耕种过的田地里最多，因为那里的土壤疏松，呼吸畅快。它棒状的身体，两三个微米长，靠几根鞭毛运动，鞭毛一般生在侧边。在显微镜下放大一千倍就能看得很清楚了。根癌农杆菌也有细胞壁，按以前的生物两界分类法，它当然属于植物界，就是说原来它曾被当作是一种低等的植物。

根癌农杆菌能在许多双子叶植物靠近地面的根茎交界处诱发一种帽状肿瘤，人们称之为冠瘿瘤病。这种病曾在法国、东欧和澳大利亚的葡萄以及其它果树上大面积发生，造成很大的危害。在其他地方，甚至城市园林树木中，也有不少这种情况。

通常，豆科植物根部的固氮根瘤细菌钻到植物细胞内部与植物细胞共生，根瘤细菌为豆科植物提供氮肥，而植物细胞供给根瘤细胞其他各种营养。可是人们发现，根癌农杆菌这种细菌诱发植物肿瘤却并不侵入到植物细胞里面去。这到底是怎么一回事呢？

原来，根癌农杆菌是一群特别偏食的家伙，最爱吃一类叫做冠瘿碱（一类氨基酸衍生物）的物质。因为对于根癌农杆菌来说，这种物质既是丰富的碳源，又含足够的氮元素，能够很好地满足它们的生活需要。可是到哪里去找冠瘿碱呢？一般地方，包括正常的植物体内是没有的。这一点也难不倒根癌农杆菌，因为它们是“没有神法宝，不敢吃天鹅肉”的。

农杆菌的细胞内除含通常的染色体外，还含有一种Ti质粒。质粒是许多原核生物细胞内具有的一类小型的环状DNA.，它们虽然对原核细胞本身并非是必需的，但却常常具有特殊的功能。农杆菌细胞内的Ti质粒上面就有一段能够专门指导合成冠瘿碱的基因。T 是tumor肿瘤，i是induce诱发的意思。Ti质粒就是诱发肿瘤的质粒。

Ti质粒就是农杆菌获取美食的魔圈法宝。

（二）设备简陋，草船借箭

可是由于根癌农杆菌自己属于原核生物，细胞内设备简陋落后，叶绿体、线粒体等各种细胞器缺乏，甚至连个象样的细胞核都没有，根本合成不了冠瘿碱这种特殊的食物，怎么办呢？别急，农杆菌可不发愁，大概它也听说过草船借箭的故事，正准备试一把呢。

通常，受伤的植物组织会产生酚类化合物，不远处一头牛刚好蹭破一棵小树的树皮，还有害虫也咬破了一棵幼苗的表皮细胞。万事俱备，正好东风吹来，一股一股的乙酰丁香酚的气息飘来。“哇，好香啊，一定是那里的植物细胞有隙可乘，让我们快快行动起来吧”，农杆菌们兴奋地喊到。

靠他们的鞭毛，没用几个小时，根癌农杆菌们就都在植物伤口的若干位点上附着了。附着好之后，根癌农杆菌们立刻拿出内部的魔圈法宝-Ti质粒挨近一个个植物细胞。Ti质粒上的virA, virG 基因首先活跃起来，接着激活了Vir区各个基因的表达，一些基因开始转录翻译生成一些酶，这些酶帮助从质粒环上复制出单链的T-DNA，这里的T是Transfer转移的意思，T-DNA链就是待转移的DNA链；T-DNA链又与virE2蛋白结合形成T复合物；T复合物由细菌细胞中分泌出来；T复合物进入植物细胞，接着又被摄入细胞核；奇妙的是，T-DNA一进入植物细胞核，就很容易地整合进植物染色体基因组中去了；然后，借用植物细胞内的各种细胞器，包括内质网、高尔基体等等先进设施，植物细胞基因组上这段T-DNA基因开始表达产生冠瘿碱，同时还生成许多植物激素。植物细胞在这些激素的作用下被迫加速分裂生长，结果形成了肿瘤，即冠瘿瘤。

由于每一个植物肿瘤细胞中也都含有指导冠瘿碱的那段基因，于是合成了更多的冠瘿碱，而根癌农杆菌在植物细胞外面守株待兔等着吃源源不断可口的美餐了。

有趣的是，根癌农杆菌还有一个同属兄弟，名叫发根农杆菌。它这兄弟也喜欢嗜食冠瘿碱类物质，但它使用的方法却不尽相同。发根农杆菌不是在植物根茎部诱发肿瘤，而是土壤深处的根部诱发毛状根。

但发根农杆菌细胞内的Ri质粒（Root Inducing plasmid）一样能向植物细胞中转移基因，诱发的植物毛状根细胞内一样能大量合成冠瘿碱，满足它们的需要。

（三）基因载体，屡立奇功

在许多植物基因工程中，都需要利用基因载体来转移目的基因。基因载体种类很多，比如向细菌，如大肠杆菌、酵母菌内转移基因，人们一般利用噬菌体；而向高等植物转移基因，最好的载体就是农杆菌了，包括根癌农杆菌和发根农杆菌。

人们把农杆菌Ti质粒（或Ri质粒）上指导合成冠瘿碱的那段基因替换成我们要转移的目的基因，比如某种抗虫基因，同时把诱导植物肿瘤（毛状根）的基因去掉，这样转基因的植物就能表现我们要求的性状，而不会产生冠瘿瘤（或毛状根）了。

过去棉花遭受着棉铃虫的危害，损失严重。另外一种名叫苏云金杆菌体内有一种杀虫蛋白基因Bt，其合成的杀虫结晶蛋白会让蚕食植物的害虫得厌食症饿死病死。这是多好的杀虫基因啊，要是能转到农作物中就好了。可是人们一度却不能把它的杀虫基因转到植物细胞里面。后来科学家想到了农杆菌。切掉魔圈上的冠瘿碱合成酶基因和植物激素合成基因，换上苏云金的杀虫基因，然后就能让农杆菌协助把杀虫基因转到棉花小苗中去了。等到棉花结铃，棉铃蛾飞来产下棉铃虫卵，棉铃虫孵化出来后，开始吃棉花的叶片和棉铃，就肚子疼起来了，然后滚落在地，一会儿死掉了。

“锄禾日当午，汗滴禾下土”，农民伯伯种地，最辛苦的事情莫过于为庄稼除草了。要是能发明一种除草剂，喷洒到地里，就能清除杂草而又不伤害庄稼，那该有多好啊。这不，科学家发现一种土壤潮湿霉菌体内有一个抗草丁膦这类除草剂的基因bar。科学家就找来农杆菌，请它帮助把土壤潮湿霉菌的基因bar转到烟草体内。土壤潮湿霉菌想到自己也能为人类作贡献，它非常高兴地把基因复制一份交给农杆菌，农杆菌也很快地把抗除草剂的基因转到了烟草体内。此外，在一种突变的鼠伤寒沙门菌体内发现了抗另一类除草剂草甘膦的基因aroA，农杆菌也可以帮助转移到一些作物中。自从种植了含有抗除草剂基因的庄稼，农民伯伯再也不用辛苦地除草了。

开始人们利用农杆菌只能对一些双子叶植物进行基因转移，经过不断地对农杆菌质粒进行改造，现在已经能够利用农杆菌对越来越多的双子叶植物和许多单子叶植物（包括粮食作物）进行基因转移了。

农杆菌作为天然的植物基因工程师，从而也就为人类作出了巨大的贡献。