Ti质粒是什么？

Ti 质粒（Tumor-inducing Plasmid）是在根瘤土壤杆菌细胞中存在的一种染色体外能够自主复制的环形双链DNA分子，作为植物根癌农杆菌（Agrobacterium tumefaciens）菌株中存在的一种质粒，它在农杆菌侵染植物细胞并导致冠瘿瘤（Crown Gall Tumor）的形成过程中起着关键作用。

Ti质粒的发现

1974年，科学家在根癌农杆菌内发现并分离出了一种与肿瘤诱导有关的大型质粒，这种质粒被命名为Ti质粒（Tumor-inducing plasmid）。Ti质粒的发现是植物基因工程领域的一个重大突破，它揭示了农杆菌诱导植物产生冠瘿瘤的分子机制。

Ti质粒的大小和结构

Ti 质粒的大小通常在 150 - 250kb 之间，其结构主要包括以下几个部分：

1.T-DNA区（Transfer-DNA Region）：

这是Ti质粒中最重要的区域，长度约为20kb左右。T-DNA区能够从Ti质粒上切割下来，并整合到植物细胞的基因组中。它携带了一些与植物激素合成和肿瘤形成相关的基因，这些基因通常被称为onc基因（Oncogenes）。当T-DNA 整合到植物基因组中后，这些onc基因会表达，导致植物细胞过度生长和分裂，形成冠瘿瘤。

2.Vir 区（Virulence Region）：

Vir区位于T-DNA区之外，长度约为35kb。它编码了一系列与 T-DNA转移和整合相关的蛋白，这些蛋白统称为Vir蛋白。Vir蛋白能够识别植物细胞表面的信号分子，并通过一系列复杂的过程将T-DNA转移到植物细胞中。

3.Con区（Region of Replication and Conjugation）：

Con区包含了Ti质粒复制和接合转移所需的基因。它负责控制Ti质粒在农杆菌细胞中的复制，以及在农杆菌之间的接合转移。

4.Ori区（Origin of Replication）：

Ori区是Ti质粒复制的起始位点，它确保了Ti质粒能够在农杆菌细胞中自主复制。

在自然条件下，根癌农杆菌通过伤口感染植物细胞。当农杆菌与植物细胞接触时，Vir蛋白会感知植物细胞表面的信号分子，从而激活 T-DNA的转移过程。T-DNA被切割下来后，通过一种称为T4SS（Type IV Secretion System）的结构被输送到植物细胞中。在植物细胞中，T-DNA整合到基因组中，并表达其中的onc基因，导致植物细胞形成冠瘿瘤。

由于Ti质粒能够将外源基因整合到植物基因组中，因此它在植物基因工程中被广泛应用。科学家们通过对 Ti 质粒进行改造，去除其中的onc基因，保留T-DNA区和Vir区等关键部分，并将目的基因插入到T-DNA区中，构建成重组Ti质粒。然后，利用根癌农杆菌将重组Ti质粒导入植物细胞中，实现目的基因的转移和表达。这种方法被称为农杆菌介导的植物转化技术，它具有操作简单、转化效率高、遗传稳定性好等优点，是目前植物基因工程中最常用的方法之一。

Ti质粒的应用与未来发展

应用：

植物基因工程：Ti质粒因其独特的T-DNA转移和整合机制，成为植物基因工程中广泛使用的载体系统。通过构建携带目标基因的Ti质粒，并将其导入根癌农杆菌中，再利用农杆菌的感染能力将目标基因导入植物细胞，从而实现植物的遗传转化。这种方法具有高效、稳定、易操作等优点，已广泛应用于作物改良、生物反应器构建等领域。

基础科学研究：Ti质粒的研究也为深入理解细菌与植物之间的相互作用提供了重要线索。通过对Ti质粒的结构和功能进行深入解析，可以揭示细菌如何识别并侵染植物细胞、如何调控T-DNA的转移和整合等生物学过程。

未来发展：

随着基因工程技术的不断发展和完善，Ti质粒在植物基因工程中的应用也将不断拓展与深化。未来我们可以期待更多基于Ti质粒的载体系统的出现，以满足不同领域和不同需求的研究和应用。同时，随着对Ti质粒结构和功能认识的不断深入，我们也将能够更好地利用这一重要工具来推动植物生物学和农业科学的发展。