毛状根在植物基因工程领域的应用研究进展
摘要：药用植物次生代谢产物在医药和食品行业有广泛的应用前景,但天然次生代谢产物利用率较低,近些年出现的毛状根培养技术为药用植物生产次生代谢产物提供了全新的有效途径。毛状根（hairy roots）是发根农杆菌所含Ri质粒的T-DNA片段在植物细胞基因组中插入、整合并表达，诱导植物细胞形成的不定根。能够在不含有植物激素的培养基上快速生长、且遗传稳定性高并能合成和积累次生代谢物质，因此，毛状根可作为生物反应器生产植物的药用活性成分目前利用毛状根培养技术已经生产了皂苷类、黄酮类、生物碱类和醌类等次生代谢产物。
关键词：毛状根；温郁金；基因工程
- 文献综述
- 发根农杆菌与毛状根
发根农杆菌侵染植物细胞会产生许多不定根，这种不定根生长迅速、呈发状，故称毛状根，Ri质粒为诱导质粒。与Ti质粒相比，Ri质粒转化具有很多优点：（1）Ri质粒可以不经“解除武装”进行转化，并且转化生产的毛状根能够再生植株；（2）毛状根是一个单细胞克隆，可以避免嵌合体；（3）可直接作为中间载体；（4）Ri质粒和Ti质粒可以配合使用，建立双元载体，拓展了两类质粒在植物基因工程中的应用范围；（5）毛状根适用于离体培养，而且很多植物的毛状根在离体培养的条件下都表现出原植株次生代谢产物的合成能力。因此，Ri质粒不仅可以作为转化的优良载体，而且可以生产用于有价值的次生代谢产物的生产。
- 毛状根诱导的分子机理
目前普遍认为，Ri质粒转化植物细胞的过程大致包括一系列复杂的生物学过程：（1）发根农杆菌识别受伤植物细胞释放的信号分子，如：双子叶植物在伤口愈合过程中形成的乙酰丁香酮等酚类物质，与宿主洗白发生粘结并附着在植物细胞上；（2）信号分子诱导Ri质粒Vir区域基因群活化；（3）在活化的Vir区域基因群产物作用下T-DNA被切下，并引导T-DNA穿过农杆菌的细胞膜进入宿主细胞核，进而是T-DNA整合到植物基因组中；（4）T-DNA基因在宿主细胞中转录与翻译，发挥其机能并是宿主细胞形成毛状根。
- 毛状根的应用
植物中含有大量的医药、保健的化学成分，比如春花碱、类黄酮，若通过传统的工艺方法不仅需要周期相当长的时间，并且产量不能得到稳定，都会受到植物年龄、病虫害、环境等方面的影响。毛状根培养次生代谢物适用于工业化大量生产。过去的研究认为植物细胞培养可以代替传统农业来生产次生代谢物，但是植物细胞生长缓慢，次生代谢物的合成量叶不高，无菌条件不稳定等带来了很多的制约。这些制约因素加大了生产成本，无法实现工业化。目前只有如黄连素等很少种类的植物次生代谢物才可通过工业化的细胞培养技术合成。
利用发根农杆菌介导的转基因方法获得毛状根，诱导毛状根获得转基因再生植株，从而培育新品种。转基因再生植株表现出一系列稳定遗传的性状，比如植物形状，降低了顶端优势，促进生根影响开花与育性等，这是植物转基因育种的基础。然而，在发根农杆菌介导的转基因育种中，常出现育种目标不利的性状，即发根农杆菌在转基因育种中，对植物遗传性状的改造具有不可控制性。因此，如何做到有选择的控制rol系列基因的表达，抑制不良效应，促进表达有利性状，已成为转基因作物育种中亟待解决的问题。虽然发根农杆菌介导的转基因策略在实际操作和生产应用中还存在一些问题，但其在植物基因工程和遗传改良上的应用价值已得到重视，随着分子生物学的迅速发展、rol系列基因机理的进一步阐明，可预见在不久的将来可以实现精确有效的转化和调控，达到定向改造性状的目的。
农杆菌诱导的毛状根培养通过其固有的酶资源进行化学转化，进入了生成药物先导化合物的功能研究的新阶段。合理利用毛状根培养作为一种高效的生物转化系统是近二十年来出现的，涉及到多种植物系统、外源基质和多种化学反应。迄今为止，毛状根培养由于其遗传/生化稳定性、激素自养性、模仿亲本植物的多酶生物合成潜力以及相对低成本的培养要求而优于植物细胞/愈伤组织和悬浮培养作为生物催化剂。有机化学难以合成生物转化分子，但其物理化学性质、生物利用度、低毒性和广泛的治疗特性使其具有显著的实用效果。
毛状根生长迅速、遗传稳定性高，在许多与相关的理论研究中，毛状根就成了理想的实验材料。比如，在植物的次生代谢途径的研究方面，可以通过对毛状根进行激素或环境因素的诱导处理，来分析次生代谢产物的合成途径以及其中关键酶基因的表达问题，从而揭示代谢机理，从而揭示代谢机理。研究腐胺的作用时就发现腐胺在烟草毛状根中的代谢过程中涉及到一种关键酶——精氨酸脱羧酶（ADC），但ADC介导的腐胺合成途径并不像以往学者所认为的会有限合成烟碱。
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