stringtranslate.com

Агробактерия

Agrobacterium — это род грамотрицательных бактерий , созданный Х. Дж. Конном , который использует горизонтальный перенос генов , чтобы вызывать опухоли у растений. Agrobacterium tumefaciens — наиболее часто изучаемый вид этого рода. Agrobacterium хорошо известна своей способностью переносить ДНК между собой и растениями, и по этой причине она стала важным инструментом генной инженерии .

Номенклатурная история

До 1990-х годов род Agrobacterium использовался в качестве таксона мусорной корзины . С появлением секвенирования 16S многие виды Agrobacterium (особенно морские виды) были отнесены к таким родам, как Ahrensia , Pseudorhodobacter , Ruegeria и Stappia . [2] [3] Остальные виды Agrobacterium были отнесены к трем биоварам: биовар 1 ( Agrobacterium tumefaciens ), биовар 2 ( Agrobacterium rhizogenes ) и биовар 3 ( Agrobacterium vitis ). В начале 2000-х годов Agrobacterium был синонимом рода Rhizobium . [4] Этот шаг оказался спорным. [5] [6] Дебаты были окончательно разрешены, когда род Agrobacterium был восстановлен [7] после того, как было продемонстрировано, что он филогенетически отличается от Rhizobium [8] [9] и что виды Agrobacterium были объединены уникальной синапоморфией : наличием гена протеломеразы telA , который приводит к тому, что все представители рода имеют линейную хромиду . [10] Однако к этому времени три биовара Agrobacterium прекратили свое существование; биовар 1 остался с Agrobacterium , биовар 2 был переименован в Rhizobium rhizogenes , а биовар 3 переименован в Allorhizobium vitis .

Растительный патоген

Большие наросты на этих корнях представляют собой галлы , вызванные Agrobacterium sp.

Agrobacterium tumefaciens вызывает у растений коронково-галловую болезнь. Заболевание характеризуется опухолевидным наростом или галлом на зараженном растении, часто на стыке корня и побега. Опухоли индуцируются конъюгативным переносом сегмента ДНК ( Т-ДНК ) из бактериальной опухолеиндуцирующей (Ti) плазмиды . Близкородственный вид, Agrobacterium rhizogenes , индуцирует опухоли корня и несет отдельную плазмиду Ri (индуцирующую корни). Хотя таксономия Agrobacterium в настоящее время пересматривается, можно обобщить, что внутри рода существует 3 биовара: Agrobacterium tumefaciens , Agrobacterium rhizogenes и Agrobacterium vitis . Известно, что штаммы Agrobacterium tumefaciens и Agrobacterium rhizogenes могут содержать либо Ti-, либо Ri- плазмиду , тогда как штаммы Agrobacterium vitis , обычно встречающиеся в виноградной лозе, могут содержать Ti-плазмиду. Штаммы , не относящиеся к Agrobacterium, были выделены из образцов окружающей среды, которые содержат Ri-плазмиду, тогда как лабораторные исследования показали, что штаммы, не относящиеся к Agrobacterium , также могут содержать Ti-плазмиду. Некоторые экологические штаммы Agrobacterium не содержат ни Ti, ни Ri-плазмиды. Эти штаммы авирулентны. [11]

Плазмидная Т-ДНК полуслучайным образом интегрируется в геном клетки-хозяина [12] , и гены морфологии опухоли на Т-ДНК экспрессируются, вызывая образование галла. Т-ДНК несет гены ферментов биосинтеза, отвечающих за производство необычных аминокислот , обычно октопина или нопалина . Он также несет гены для биосинтеза растительных гормонов , ауксинов и цитокининов , а также для биосинтеза опинов , обеспечивая источник углерода и азота для бактерий, которые большинство других микроорганизмов не могут использовать, что дает Agrobacterium селективное преимущество . [13] Изменяя гормональный баланс в растительной клетке, растение не может контролировать деление этих клеток, и образуются опухоли. Соотношение ауксина и цитокинина, продуцируемого опухолевыми генами, определяет морфологию опухоли (корневидную, дезорганизованную или побеговидную).

В людях

Хотя Agrobacterium обычно рассматривается как инфекция растений, она может быть ответственной за оппортунистические инфекции у людей с ослабленной иммунной системой , [14] [15] , но не было доказано, что она является основным патогеном у здоровых людей. Об одной из самых ранних ассоциаций заболеваний человека, вызванных Agrobacterium radiobacter, сообщил д-р Дж. Р. Каин из Шотландии (1988). [16] Более позднее исследование показало, что Agrobacterium прикрепляется к нескольким типам клеток человека и генетически трансформирует их путем интеграции своей Т-ДНК в геном клеток человека. Исследование проводилось с использованием культивированных тканей человека и не позволило сделать никаких выводов относительно соответствующей биологической активности в природе. [17]

Использование в биотехнологии

Способность Agrobacterium переносить гены растениям и грибам используется в биотехнологии , в частности, генной инженерии для улучшения растений . Геномы растений и грибов можно сконструировать с помощью Agrobacterium для доставки последовательностей, содержащихся в бинарных векторах Т-ДНК . Можно использовать модифицированную плазмиду Ti или Ri. Плазмида «обезвреживается» путем удаления генов, индуцирующих опухоль; Единственными важными частями Т-ДНК являются ее два небольших (25 пар оснований) пограничных повторов, по крайней мере один из которых необходим для трансформации растений. [18] [19] Гены, подлежащие введению в растение, клонируются в растительный бинарный вектор, который содержит область Т-ДНК обезвреженной плазмиды вместе с селектируемым маркером (например, устойчивостью к антибиотикам ), чтобы обеспечить отбор растений, которые были успешно преобразованы. Растения после трансформации выращивают на средах, содержащих антибиотики, и те, у которых Т-ДНК не интегрирована в геном, погибнут. Альтернативный метод – агроинфильтрация . [20] [21]

Растение ( S. chacoense ) трансформируют с помощью Agrobacterium . Трансформированные клетки начинают образовывать мозоли на боковых частях листьев.

Трансформация с помощью Agrobacterium может быть достигнута несколькими способами. Протопласты или, альтернативно, листовые диски можно инкубировать с Agrobacterium , а целые растения регенерировать с использованием культуры тканей растений . При агроинфильтрации агробактерии можно вводить непосредственно в ткань листа растения. Этот метод трансформирует только клетки, находящиеся в непосредственном контакте с бактериями, и приводит к временной экспрессии плазмидной ДНК. [22]

Для трансформации табака обычно применяют агроинфильтрацию ( Никотиана ). Распространенным протоколом трансформации Arabidopsis является метод цветочного погружения: [23] соцветия погружают в суспензию Agrobacterium , и бактерия трансформирует зародышевые клетки, из которых образуются женские гаметы . Затем семена можно проверить на устойчивость к антибиотикам (или другому интересующему маркеру), и растения, которые не интегрировали плазмидную ДНК, погибнут при воздействии антибиотика в правильных условиях. [20]

Agrobacterium не заражает все виды растений, но существует несколько других эффективных методов трансформации растений, включая генную пушку .

Agrobacterium указан как переносчик генетического материала, который был перенесен в эти ГМО США: [24]

Трансформация грибов с помощью Agrobacterium используется в основном в исследовательских целях [25] [26] и использует те же подходы , что и трансформация растений. Плазмидная система Ti модифицирована и включает элементы ДНК для отбора трансформированных штаммов грибов после совместной инкубации штаммов Agrobacterium , несущих эти плазмиды, с видами грибов.

Геномика

Секвенирование геномов нескольких видов Agrobacterium позволило изучить историю эволюции этих организмов и предоставило информацию о генах и системах, участвующих в патогенезе, биологическом контроле и симбиозе . Одним из важных открытий является возможность того, что у многих из этих бактерий хромосомы развиваются из плазмид . Другое открытие заключается в том, что разнообразные хромосомные структуры в этой группе, по-видимому, способны поддерживать как симбиотический, так и патогенный образ жизни. Доступность последовательностей генома видов Agrobacterium будет продолжать расти, что приведет к существенному пониманию функций и истории эволюции этой группы микробов, связанных с растениями. [27]

История

Марк Ван Монтегю и Йозеф Шелл из Гентского университета ( Бельгия ) открыли механизм переноса генов между Agrobacterium и растениями, что привело к разработке методов превращения Agrobacterium в эффективную систему доставки для генной инженерии растений. [18] [19] Группа исследователей под руководством Мэри-Делл Чилтон была первой, кто продемонстрировал, что гены вирулентности могут быть удалены без отрицательного воздействия на способность Agrobacterium вставлять свою собственную ДНК в геном растения (1983). [28]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Бьюкенен RE (1965). «Предложение об отказе от родового названия Polymonas Lieske 1928». Международный бюллетень бактериологической номенклатуры и таксономии . 15 (1): 43–44. дои : 10.1099/00207713-15-1-43 .
  2. ^ Утино Ю., Ёкота А., Сугияма Дж. (август 1997 г.). «Филогенетическое положение морского подразделения видов Agrobacterium на основе анализа последовательности 16S рРНК». Журнал общей и прикладной микробиологии . 43 (4): 243–247. дои : 10.2323/jgam.43.243 . ПМИД  12501326.
  3. ^ Учино Ю, Хирата А, Ёкота А, Сугияма Дж (июнь 1998 г.). «Реклассификация морских видов Agrobacterium: предложения Stappia stellulata gen. nov., com. nov., Stappia aggregata sp. nov., nom. rev., Ruegeria atlantica gen. nov., com. nov., Ruegeria gelatinovora com. nov. ., Ruegeria algicola comb. nov. и Ahrensia kieliense gen. nov., sp. nov., nom. rev". Журнал общей и прикладной микробиологии . 44 (3): 201–210. дои : 10.2323/jgam.44.201 . ПМИД  12501429.
  4. ^ Янг Дж.М., Куйкендалл Л.Д., Мартинес-Ромеро Э., Керр А., Савада Х. (январь 2001 г.). «Пересмотр Rhizobium Frank 1889 с исправленным описанием рода и включением всех видов Agrobacterium Conn 1942 и Allorhizobium undicola de Lajudie et al. 1998 в качестве новых комбинаций: Rhizobium radiobacter, R. rhizogenes, R. Rubi, Р. undicola и Р. vitis». Международный журнал систематической и эволюционной микробиологии . 51 (Часть 1): 89–103. дои : 10.1099/00207713-51-1-89 . ПМИД  11211278.
  5. ^ Фарранд С.К., ван Беркум П.Б., Огер П. (сентябрь 2003 г.). «Agrobacterium — определяемый род семейства Rhizobiaceae». Международный журнал систематической и эволюционной микробиологии . 53 (Часть 5): 1681–1687. дои : 10.1099/ijs.0.02445-0 . ПМИД  13130068.
  6. ^ Янг Дж. М., Куйкендалл Л. Д., Мартинес-Ромеро Э., Керр А., Савада Х. (сентябрь 2003 г.). «Классификация и номенклатура агробактерий и ризобиумов». Международный журнал систематической и эволюционной микробиологии . 53 (Часть 5): 1689–1695. дои : 10.1099/ijs.0.02762-0 . ПМИД  13130069.
  7. ^ Флорес-Феликс Дж.Д., Менендес Э., Пейкс А., Гарсиа-Фрайле П., Веласкес Э. (2020). «История и современное таксономическое положение рода Agrobacterium ». Syst Appl Микробиол . 43 (1): 126046. doi :10.1016/j.syapm.2019.126046. hdl : 10174/28328 . PMID  31818496. S2CID  209164436.
  8. ^ Мусави С.А., Остерман Дж., Уолберг Н., Несме Икс, Лавир С., Виал Л., Полен Л., де Лажуди П., Линдстрем К. (2014). «Филогения клады Rhizobium - Allorhizobium - Agrobacterium подтверждает определение Neorhizobium gen. nov». Syst Appl Микробиол . 37 (3): 208–215. дои : 10.1016/j.syapm.2013.12.007. ПМИД  24581678.
  9. ^ Мусави С.А., Виллемс А., Несме Х, де Лажуди П., Линдстрем К. (2015). «Пересмотренная филогения Rhizobiaceae : Предложение по определению Pararhizobium gen. nov. и 13 новых комбинаций видов». Syst Appl Микробиол . 38 (2): 84–90. дои : 10.1016/j.syapm.2014.12.003. ПМИД  25595870.
  10. ^ Рамирес-Бахена М.Х., Виал Л., Лассаль Ф., Диль Б., Шапульо Д., Добен В., Несме Икс, Мюллер Д. (2014). «Единичное приобретение протеомеразы привело к образованию большой и разнообразной клады внутри сверхкластера Agrobacterium / Rhizobium , характеризующегося наличием линейной хромиды». Мол Филогенет Эвол . 73 : 202–207. doi :10.1016/j.ympev.2014.01.005. ПМИД  24440816.
  11. ^ Савада Х., Иеки Х., Ояизу Х., Мацумото С. (октябрь 1993 г.). «Предложение об отказе от Agrobacterium tumefaciens и пересмотренных описаниях рода Agrobacterium, а также Agrobacterium radiobacter и Agrobacterium rhizogenes». Международный журнал систематической бактериологии . 43 (4): 694–702. дои : 10.1099/00207713-43-4-694 . ПМИД  8240952.
  12. ^ Фрэнсис К.Э., Спайкер С. (февраль 2005 г.). «Идентификация трансформантов Arabidopsis thaliana без отбора показывает высокую частоту молчащих интеграций Т-ДНК». Заводской журнал . 41 (3): 464–77. дои : 10.1111/j.1365-313X.2004.02312.x . ПМИД  15659104.
  13. ^ Питцшке А, Хирт Х (март 2010 г.). «Новый взгляд на старую историю: образование опухолей у растений, вызванное агробактериями, путем трансформации растений». Журнал ЭМБО . 29 (6): 1021–32. дои : 10.1038/emboj.2010.8. ПМЦ 2845280 . ПМИД  20150897. 
  14. ^ Халс М., Джонсон С., Феррьери П. (январь 1993 г.). « Агробактериальные инфекции у человека: опыт одной больницы и обзор». Клинические инфекционные болезни . 16 (1): 112–7. doi : 10.1093/clinids/16.1.112. ПМИД  8448285.
  15. ^ Данн В.М., Тиллман Дж., Мюррей Дж.К. (сентябрь 1993 г.). «Выделение штамма Agrobacterium radiobacter с мукоидным фенотипом от ребенка с ослабленным иммунитетом и бактериемией». Журнал клинической микробиологии . 31 (9): 2541–3. doi : 10.1128/JCM.31.9.2541-2543.1993. ПМЦ 265809 . ПМИД  8408587. 
  16. ^ Каин-младший (март 1988 г.). «Случай септицемии, вызванной Agrobacterium radiobacter ». Журнал инфекции . 16 (2): 205–6. дои : 10.1016/s0163-4453(88)94272-7. ПМИД  3351321.
  17. ^ Куник Т, Цфира Т, Капульник Ю, Гафни Ю, Дингуолл С, Цитовски В (февраль 2001 г.). «Генетическая трансформация клеток HeLa агробактериями». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 98 (4): 1871–6. Бибкод : 2001PNAS...98.1871K. дои : 10.1073/pnas.041327598 . JSTOR  3054968. PMC 29349 . ПМИД  11172043. 
  18. ^ аб Шелл Дж., Ван Монтегю М. (1977). «Ти-плазмида Agrobacterium Tumefaciens, природный вектор для введения генов NIF в растения?». В: Холлаендер А., Беррис Р.Х., Дэй П.Р., Харди Р.В., Хелински Д.Р., Ламборг М.Р., Оуэнс Л., Валентайн Р.К. (ред.). Генная инженерия для фиксации азота . Фундаментальные науки о жизни. Том. 9. стр. 159–79. дои : 10.1007/978-1-4684-0880-5_12. ISBN 978-1-4684-0882-9. ПМИД  336023.
  19. ^ аб Йос Х, Тиммерман Б, Монтегю М.В., Шелл Дж (1983). «Генетический анализ переноса и стабилизации ДНК агробактерий в растительных клетках». Журнал ЭМБО . 2 (12): 2151–60. doi :10.1002/j.1460-2075.1983.tb01716.x. ПМК 555427 . ПМИД  16453483. 
  20. ^ аб Томсон Дж.А. «Генная инженерия растений» (PDF) . Биотехнология . 3 . Архивировано (PDF) из оригинала 17 января 2017 года . Проверено 17 июля 2016 г.
  21. ^ Лойзингер К., Дент М., Уртадо Дж., Станке Дж., Лай Х., Чжоу X, Чен Q (июль 2013 г.). «Эффективная агроинфильтрация растений для транзиторной экспрессии рекомбинантных белков на высоком уровне». Журнал визуализированных экспериментов . 77 (77). дои : 10.3791/50521. ПМЦ 3846102 . ПМИД  23913006. 
  22. ^ Шамлул М, Труса Дж, Метт В, Юсибов В (апрель 2014 г.). «Оптимизация и использование опосредованного Agrobacterium производства временного белка в Никотиане». Журнал визуализированных экспериментов (86). дои : 10.3791/51204. ПМЦ 4174718 . ПМИД  24796351. 
  23. ^ Клаф С.Дж., Бент А.Ф. (декабрь 1998 г.). «Цветочный соус: упрощенный метод агробактериальной трансформации Arabidopsis thaliana ». Заводской журнал . 16 (6): 735–43. дои : 10.1046/j.1365-313x.1998.00343.x. PMID  10069079. S2CID  410286.
  24. ^ Список завершенных консультаций FDA по биоинженерным продуктам питания, заархивированный 13 мая 2008 г., в Wayback Machine.
  25. ^ Michielse CB, Hooykaas PJ, ван ден Хондел CA, Ram AF (июль 2005 г.). «Агробактериальная трансформация как инструмент функциональной геномики грибов». Современная генетика . 48 (1): 1–17. дои : 10.1007/s00294-005-0578-0. PMID  15889258. S2CID  23959400.
  26. ^ Иднурм А., Бейли А.М., Кэрнс Т.К., Эллиотт С.Э., Фостер Г.Д., Янри Г., Чон Дж. (2017). «Агробактериальная трансформация грибов». Грибковая биология и биотехнология . 4 :6. дои : 10.1186/s40694-017-0035-0 . ПМЦ 5615635 . ПМИД  28955474. 
  27. ^ Сетубал Дж.К., Вуд Д., Берр Т., Фарранд С.К., Голдман Б.С., Гуднер Б., Оттен Л., Слейтер С. (2009). «Геномика агробактерий: взгляд на ее патогенность, биоконтроль и эволюцию». В Джексоне RW (ред.). Патогенные бактерии растений: геномика и молекулярная биология . Кайстер Академик Пресс. стр. 91–112. ISBN 978-1-904455-37-0.
  28. ^ Чилтон, Мэри-Делл (2001). «Агробактерия. Мемуары». Физиология растений . 125 (1): 9–14. дои : 10.1104/стр.125.1.9 . ISSN  0032-0889. ПМЦ 1539314 . ПМИД  11154285. 

дальнейшее чтение

Внешние ссылки