Agrobacterium tumefaciens và A. rhizogenes là hai loài vi khuẩn sống trong đất gây ra bệnh khối u hình chóp (crown gall) (Hình 1và hình 2 ) và bệnh lông rễ (hairy root) ở các vị trí tổn thương của thực vật hai lá mầm.
Chỉ rất ít thực vật một lá mầm thuộc họ Liliaceae và Amaryllidaceae là dễ bị bệnh khối u hình chóp. Lý do giới hạn vật chủ này hiện nay còn chưa được biết. Một lần khởi đầu, sự sinh trưởng khối u có thể tiếp diễn khi vắng mặt vi khuẩn và mô khối u có thể được sinh trưởng vô trùng bằng nuôi cấy mô trong các môi trường thiếu sự bổ sung auxin và cytokinin ngoại sinh mà bình thường là cần thiết để xúc tiến sự sinh trưởng của mô thực vật in vitro. Mô khối u tổng hợp amino acid mới và các dẫn xuất của đường được biết chung là opine. Loại opine tổng hợp trong khối u (ví dụ như nopaline, octopine, agrocinopine, mannopine và agropine) phụ thuộc vào dòng Agrobacterium khởi đầu sự hình thành khối u. Octopine và nopaline là hai loại opine có nguồn gốc từ arginine và dễ dàng phát hiện nhất trong mô khối u hình chóp. Do đó nhiều dòng Agrobacterium tumefacien phổ biến được thiết kế theo kiểu octopine hoặc nopaline. Agropine, một dẫn xuất của đường được tìm thấy phổ biến trong các khối u lông rễ gây ra bởi A. rhizogenes. Agrobacterium chịu trách nhiệm đối với sự hình thành khối u dị hóa một cách có chọn lọc opine mà nó tổng hợp được và sử dụng opine như là một nguồn cacbon và nitơ.
Cả việc gây ra khối u và tổng hợp opine liên quan với sự có mặt của một loại plasmid có kích thước lớn là Ti-plasmid (Tumour inducing =Ti= gây ra khối u) trong tế bào vi khuẩn A. tumefaciens và Ri-plasmid (Root inducing = Ri = gây ra lông tơ) ở A. rhizogenes.
Các khối u hình chóp ở cành táo
Sơ đồ cấu trúc tế bào vi khuẩn Agrobacterium tumefaciens
Ti-plasmid của Agrobacterium tumefaciens
Ti-plasmid được tìm thấy trong tất cả các dòng A.tumefaciens gây độc, có kích thước khoảng 200-250 kb. Chúng được duy trì ổn định trong Agrobacterium ở nhiệt độ dưới 30oC. Bằng phương pháp lai DNA-DNA và lập bản đồ chuỗi kép dị hợp (heteroduplex mapping), người ta đã xác định được Ti-plasmid có 4 vùng tương đồng. Kết quả phân tích di truyền cho thấy vùng T-DNA (transferred DNA) và vùng gây độc (virulence) liên quan đến sự hình thành khối u trong khi hai vùng khác liên quan đến sự tiếp hợp và sự tái bản của plasmid trong Agrobacterium.
Trong khi hình thành khối u, T-DNA được chuyển vào tế bào thực vật và hợp nhất với genome nhân. T-DNA ổn định trong genome nhân. Lai Ti-plasmid với DNA của khối u đã cho thấy T-DNA trong tế bào thực vật là tương ứng song song với T-DNA trong Ti-plasmid của Agrobacterium. Kết quả này chứng tỏ không có sự sắp xếp lại vị trí của T-DNA trong lúc khối u được tạo thành. Một hoặc nhiều bản sao của T-DNA có thể có mặt ở các đoạn lặp nối tiếp. Chúng cũng có thể tách ra và liên kết với các vùng khác nhau của DNA thực vật. Vị trí hợp nhất của T-DNA vào DNA thực vật là hoàn toàn ngẫu nhiên. Các vùng tương đồng với T-DNA đã được tìm thấy ở các Ti-plasmid khác nhau (Hình 1.21B ). Trong các dòng A.tumefaciens kiểu nopaline được sử dụng phổ biến. Vùng T-DNA có kích thước khoảng 24 kb. Ở một số khối u hình chóp kiểu octopine, hai đoạn không kề nhau đã được tìm thấy là TL và TR. TL có kích thước 14 kb, có mặt trong tất cả các dòng tế bào đã biến nạp và có chức năng tương đương với T-DNA ở các dòng tế bào nopaline. TR có kích thước 7 kb, được hình thành từ phía bên phải của TL-DNA trong Ti- plasmid, không phát hiện thấy trong tất cả các dòng khối u nhưng
khi số bản sao của nó khác với TL người ta giả thiết là đã xảy ra một quá trình chuyển độc lập.
T-DNA được phiên mã trong các tế bào khối u (Hình 4B), tạo ra nhiều mRNA polyadenyl. Các loại sản phẩm phiên mã của T-DNA tích lũy lại là tương đối thấp so với các mRNA của thực vật khác. Giải trình tự T-DNA kiểu nopaline đã cho thấy có 13 khung đọc mở lớn (open-reading frame) trong khi ở TL-DNA và TR-DNA kiểu octopine tương ứng là 8 và 6. Các sản phẩm phiên mã phía cánh phải của T-DNA kiểu nopaline có chức năng tương đương với các sản phẩm phiên mã phía cánh phải của TL-DNA (Hình4B). Toàn bộ sự tổ chức của các gen trên T-DNA và các vùng lân cận là tương tự với các gen của genome eukaryote mặc dù chúng không chứa intron. So sánh các trình tự, sự phát sinh đột biến mất đoạn và gen nhảy cũng như sự tăng sinh của các sản phẩm gen riêng lẻ ở E.coli đã được sử dụng để phát hiện ra chức năng một số sản phẩm gen được mã hóa bởi T-DNA. Một gen ở trong vùng TL octopine mã hóa enzyme octopine synthase. Ở Ti-plasmid nopaline, các gen opine synthase bao gồm nopaline synthase (nos) và agrocinopine synthase (acs). Trong Ti-plasmid octopine, vùng TR mã hóa hai protein chịu trách nhiệm đối với sự tổng hợp manopine và một sản phẩm của gen xúc tác cho sự biến đổi ngược manopine thành agropine. Locus tmr mã hóa một enzyme liên quan đến hệ thống cytokinin và sự đột biến ở đây dẫn đến sự tăng sinh rễ từ các khối u hình chóp đã gây ra ở một số loài (các thể đột biến rễ). Các locus tms 1 và tms 2 liên quan đến sự tổng hợp không điều hòa của auxin và sự đột biến một trong hai locus gây nên sự tăng sinh chồi từ các khối u hình chóp ở nhiều loại thực vật (các thể đột biến chồi). Vì vậy, T-DNA mang các gen (tms 1, tms 2 và tmr) mà sản phẩm của chúng không chịu sự điều hòa bình thường của các con đường chuyển hóa thực vật liên quan đến sự tổng hợp phytohormone và điều này gây ra kiểu hình ung thư. Do đó các gen tms 1, tms 2 và tmr được xem là các gen ung thư. Tuy nhiên cần lưu ý rằng các gen được mã hóa bởi T- DNA không đòi hỏi phải chuyển T-DNA vào tế bào thực vật và cũng không duy trì sự ổn định của nó trong genome thực vật.
Ri-plasmid của Agrobacterium rhizogenes
Sự khởi đầu của bệnh lông tơ do A.rhizogenes tương tự như sự biến nạp nhờ A.tumefaciens. Dưới sự kiểm soát của vùng gây độc, hai vùng phân tán của Ri-plasmid được chuyển vào genome thực vật (Huffman, 1984; De Paolis, 1985). Các vùng này có tên là TL (T-left T-DNA) và TR (T-right T-DNA). TR T-DNA chứa các gen sản xuất opine (mannopine hoặc agropine) và các dòng được định rõ đặc điểm nhờ các gen opine đặc trưng của chúng (De Paolis, 1985). Mặt khác TR T-DNA còn chứa hai gen mã hóa cho sự tổng hợp auxin. Các gen này tương đồng rất cao với các gen auxin của A.tumefaciens và cho thấy có thể bổ sung thêm các dòng mang các gen auxin đột biến của chúng (Offringa, 1986). TL T-DNA không tương đồng với T-DNA của A.tumefaciens (Huffman, 1984). Toàn bộ TL T-DNA của đã được giải trình tự và nó chứa tối thiểu 11 khung đọc mở, tương tự với các khung đọc mở đã được tìm thấy ở genome của eukaryote. Chúng có promoter và các yếu tố polyadenine hóa cần thiết để
thực hiện chức năng khi chuyển vào trong genome thực vật (Simpson, 1986). Các gen này không tương đồng với bất kỳ gen nào.
Cấu trúc và sự biểu hiện của Ti-plasmid kiểu octopine và nopaline
A. Bản đồ của Ti-plasmid kiểu octopine (pTiAch5) và kiểu nopaline (pTiC58) cho thấy vị trí tương đối và kích thước của các vùng chức năng chính.
Các vị trí tô đậm chí các vùng tương đồng lớn của 2 plasmid.
//: Các đoạn lặp trực tiếp 25 bp; CON: vùng mã hóa chức năng tiếp hợp
ORI: vùng mã hóa chức năng tái bản và khởi điểm tái bản
B. Bản đồ của vùng T kiểu nopaline và octopine cho thấy các vùng chức năng chính, các vùng tương đồng và các sản phẩm phiên mã.
Các sản phẩm phiên mã đã được biết là: 3(nos): nopaline synthase; 3 (ocs): octonopaline synthase; acs: agrocinopine synthase; 1(tms 1): tryptophan mono- oxygenase; 2(tms 2): indole-3-acetamide hydrolase; 4(tmr): DMA transferase; agr: 3 sản phẩm phiên mã cần cho sự tổng hợp agropine.
đã biết và cũng không có sự tương đồng có ý nghĩa nào đối với T-DNA (kiểu octopine) của A.tumefacien. TR T-DNA là không cần thiết đối với sự duy trì kiểu hình lông tơ. Tuy nhiên ở nhiều loài, các dòng Agrobacterium có cả TL và TR T-DNA là độc nhiều hơn so với các dòng chỉ mang một T-DNA (Vilaine và Case-Delbart, 1987).