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说到番薯，大家一定不会感到陌生。当然，在我国的不同地区，它还有甘薯、红苕、红薯、地瓜等不同名称，显示了它在我国有着广泛的“群众基础”。这也难怪，我国是世界番薯产量第一大国，每年生产的红薯产量高达1.2亿吨，占到全世界总产量的80%左右[1]。
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尽管我国番薯产量在世界上占据头号地位，但番薯却并非我国原产。番薯（Ipomoea batatas）是旋花科番薯属中的一种，原产地在遥远的大洋彼岸——美洲中南部。对于当地土著而言，番薯的栽培有着数千年的历史。但直到15-16世纪地理大发现时代，西班牙殖民者才第一次将番薯带出美洲。而到距今400多年的明朝时期，它才通过东南亚地区传入我国——番薯的“番”字就由此而来。
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自番薯在世界各地广泛种植以来，它就成为了我国乃至世界最为重要的薯类作物之一，其重要性仅次于马铃薯。番薯含有大量的淀粉，除了能直接烤、煮、蒸食外，还能被加工为多种类型的食品——我们所吃的粉条和粉丝，就主要由番薯加工而来。此外，还有大量的番薯被用作饲料饲喂牲畜。
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尽管我国番薯产量在世界上占据头号地位，但番薯却并非我国原产。番薯（Ipomoea batatas）是旋花科番薯属中的一种，原产地在遥远的大洋彼岸——美洲中南部。对于当地土著而言，番薯的栽培有着数千年的历史。但直到15-16世纪地理大发现时代，西班牙殖民者才第一次将番薯带出美洲。而到距今400多年的明朝时期，它才通过东南亚地区传入我国——番薯的“番”字就由此而来。
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自番薯在世界各地广泛种植以来，它就成为了我国乃至世界最为重要的薯类作物之一，其重要性仅次于马铃薯。番薯含有大量的淀粉，除了能直接烤、煮、蒸食外，还能被加工为多种类型的食品——我们所吃的粉条和粉丝，就主要由番薯加工而来。此外，还有大量的番薯被用作饲料饲喂牲畜。
番薯基因组中的“细菌DNA片段”
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在对番薯基因组进行分析的过程中，来自比利时根特大学（Ghent University）、国际薯类研究中心（International Potato Center, IPC）、中国农业大学以及美国农业部植物遗传资源研究室（Plant Genetic Resources Unit）的联合研究组发现，番薯的基因组中存在有2段基因片段，与土壤细菌农杆菌内被称为T-DNA的序列高度相似。这两段片段被分别称为IbT-DNA1和IbT-DNA2（Ib是番薯学名的缩写）。这两段番薯基因组中的序列和农杆菌DNA序列相似度之高，足以让研究者们确信它们的确是由农杆菌转移到番薯基因组中的。
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为了确定这种转移发生的时间，研究者分析了从南美洲、中美洲、非洲、亚洲及大洋洲的不同地区采集的数百个番薯样品。这些样品包括栽培番薯、野生番薯和番薯属的近缘种。结果发现，研究者所收集的291个栽培番薯无一例外地含有IbT-DNA1片段，而这一片段在其他野生番薯或近缘种中则不存在。此外，IbT-DNA2片段则存在于部分的栽培番薯、野生番薯和近缘种中[2]。
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这一结果表明，至少对于IbT-DNA1片段来说，它向番薯转移的发生时间和栽培番薯开始选育的时间具有高度一致性——只有如此才能解释为何它会存在于所有的栽培番薯中，而不存在于它的野生“祖先”中。此外，在栽培番薯中的农杆菌DNA片段上，还存在几个完好的、可以表达的基因。通过检测，研究者发现这些基因可以在番薯的不同组织中进行表达。他们推测，这一基因转移事件很可能为番薯的选育提供了某些“特征”，使其能够通过选择而被保存和扩散开来。
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在对番薯基因组进行分析的过程中，来自比利时根特大学（Ghent University）、国际薯类研究中心（International Potato Center, IPC）、中国农业大学以及美国农业部植物遗传资源研究室（Plant Genetic Resources Unit）的联合研究组发现，番薯的基因组中存在有2段基因片段，与土壤细菌农杆菌内被称为T-DNA的序列高度相似。这两段片段被分别称为IbT-DNA1和IbT-DNA2（Ib是番薯学名的缩写）。这两段番薯基因组中的序列和农杆菌DNA序列相似度之高，足以让研究者们确信它们的确是由农杆菌转移到番薯基因组中的。
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为了确定这种转移发生的时间，研究者分析了从南美洲、中美洲、非洲、亚洲及大洋洲的不同地区采集的数百个番薯样品。这些样品包括栽培番薯、野生番薯和番薯属的近缘种。结果发现，研究者所收集的291个栽培番薯无一例外地含有IbT-DNA1片段，而这一片段在其他野生番薯或近缘种中则不存在。此外，IbT-DNA2片段则存在于部分的栽培番薯、野生番薯和近缘种中[2]。
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这一结果表明，至少对于IbT-DNA1片段来说，它向番薯转移的发生时间和栽培番薯开始选育的时间具有高度一致性——只有如此才能解释为何它会存在于所有的栽培番薯中，而不存在于它的野生“祖先”中。此外，在栽培番薯中的农杆菌DNA片段上，还存在几个完好的、可以表达的基因。通过检测，研究者发现这些基因可以在番薯的不同组织中进行表达。他们推测，这一基因转移事件很可能为番薯的选育提供了某些“特征”，使其能够通过选择而被保存和扩散开来。
农杆菌——基因转移的好手
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那么，农杆菌的DNA片段为何会进入番薯的基因组？这还得从农杆菌的特性说起。
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虽然农杆菌在土壤中广泛存在，但它更喜欢寄生在植物组织内部——毕竟在植物体内获取营养，比分解有机物要容易多了。当它们寄生于植物组织内时，还会使植物组织为它们长出诸如瘤或毛状根等特殊结构。这些结构能产生一类特殊的、植物本身不能合成的氨基酸衍生物（称为冠瘿碱）供农杆菌享用。根据这些结构的不同，农杆菌可以被分为两大类，根瘤农杆菌（也叫根癌农杆菌）和发根农杆菌。
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科学家们发现，一旦植物开始形成瘤和毛状根，这些结构的后续生长及冠瘿碱的合成都不需要农杆菌的菌体存在就能继续进行。这意味着，农杆菌是依靠改变组织细胞生长的调控机制来达到诱导特殊结构发育和冠瘿碱合成的目的。相关实验证明，农杆菌体内含有一个巨大的、独立于细菌本身基因组的环状DNA。它被称为致瘤质粒（Tumour Inducing plasmid，Ti质粒，发根农杆菌中则称为发根质粒，Root hair Inducing plasmid，Ri质粒），上面包含有一段可以移动的DNA序列。而这段序列上，恰恰包含了刺激植物细胞分分裂、合成冠瘿碱等功能的多个基因。当农杆菌侵染植物后，这段DNA序列就能被转移到植物细胞内，并整合到植物基因组中，从而刺激植物形成瘤或毛状根，并合成冠瘿碱。因此，这段DNA被称为转移DNA（Transfer DNA，T-DNA），这就是番薯中那两段片段名称的来历。
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那么，农杆菌的DNA片段为何会进入番薯的基因组？这还得从农杆菌的特性说起。
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虽然农杆菌在土壤中广泛存在，但它更喜欢寄生在植物组织内部——毕竟在植物体内获取营养，比分解有机物要容易多了。当它们寄生于植物组织内时，还会使植物组织为它们长出诸如瘤或毛状根等特殊结构。这些结构能产生一类特殊的、植物本身不能合成的氨基酸衍生物（称为冠瘿碱）供农杆菌享用。根据这些结构的不同，农杆菌可以被分为两大类，根瘤农杆菌（也叫根癌农杆菌）和发根农杆菌。
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科学家们发现，一旦植物开始形成瘤和毛状根，这些结构的后续生长及冠瘿碱的合成都不需要农杆菌的菌体存在就能继续进行。这意味着，农杆菌是依靠改变组织细胞生长的调控机制来达到诱导特殊结构发育和冠瘿碱合成的目的。相关实验证明，农杆菌体内含有一个巨大的、独立于细菌本身基因组的环状DNA。它被称为致瘤质粒（Tumour Inducing plasmid，Ti质粒，发根农杆菌中则称为发根质粒，Root hair Inducing plasmid，Ri质粒），上面包含有一段可以移动的DNA序列。而这段序列上，恰恰包含了刺激植物细胞分分裂、合成冠瘿碱等功能的多个基因。当农杆菌侵染植物后，这段DNA序列就能被转移到植物细胞内，并整合到植物基因组中，从而刺激植物形成瘤或毛状根，并合成冠瘿碱。因此，这段DNA被称为转移DNA（Transfer DNA，T-DNA），这就是番薯中那两段片段名称的来历。
参考资料：
1，http://www.fao.org/docrep/004/ad452e/ad452e0y.htm
2，Tina Kyndtet. al.The genome of cultivated sweet potato contains Agrobacterium T-DNAs with expressed genes: An example of a naturally transgenic food crop, PNAS, 2015，doi/10.1073/pnas.1419685112
3，王洽 等，水平基因转移在生物进化中的作用，科学通报，2014，59（21），2055-2064
1，http://www.fao.org/docrep/004/ad452e/ad452e0y.htm
2，Tina Kyndtet. al.The genome of cultivated sweet potato contains Agrobacterium T-DNAs with expressed genes: An example of a naturally transgenic food crop, PNAS, 2015，doi/10.1073/pnas.1419685112
3，王洽 等，水平基因转移在生物进化中的作用，科学通报，2014，59（21），2055-2064
