アグロバクテリウム

アグロバクテリウムとは

アグロバクテリウムは、土壌中に広く生息するグラム陰性の細菌群で、リゾビウム属に分類される細菌のうち、植物に対して病原性を示す種の総称です。かつては「アグロバクテリウム属」として独立した属とされていましたが、遺伝子解析に基づく系統分類が進んだ結果、その多くはリゾビウム属に含まれることになりました。その他の菌株も、ルエゲリア属やシュードロドバクター属などに再分類されています。しかしながら、研究や実用の現場では、便宜的に従来からの「アグロバクテリウム」という呼称が現在でも広く用いられています。

この細菌群の最も注目すべき性質は、植物の細胞に感染し、自身の遺伝情報を送り込む（形質転換）能力を持つことです。この特性が、植物の遺伝子工学やバイオテクノロジー分野で非常に重要なツールとして活用される理由となっています。

植物への病原性

根頭癌腫病

特に腫瘍原性アグロバクテリウム（かつて _Agrobacterium tumefaciens_ と呼ばれ、現在は主に _Rhizobium radiobacter_ とされる種）は、多くの双子葉植物に加え、一部の裸子植物や単子葉植物に、根元などに腫瘍状の塊（根頭癌腫、またはクラウンゴール）を形成させます。

この病気の原因となるアグロバクテリウムは、Tiプラスミド（tumor-inducing plasmid、腫瘍誘導プラスミド）と呼ばれる巨大な環状DNAを細胞内に持っています。Tiプラスミドの一部にはT-DNA（transfer DNA）と呼ばれる特定のDNA断片が存在し、アグロバクテリウムはこのT-DNAを植物細胞の内部に送り込みます。送り込まれたT-DNAは、植物細胞のゲノムDNAに組み込まれます。

T-DNAには、植物ホルモンであるオーキシンとサイトカイニンを合成する酵素の遺伝子が含まれています。これらの遺伝子が植物細胞内で働くことで、過剰な植物ホルモンが生産され、その結果として細胞が異常に増殖し、腫瘍（クラウンゴール）が形成されるのです。さらに、T-DNAはオパインと呼ばれる特殊なアミノ酸を植物に合成させる酵素の遺伝子も含んでいます。オパインはアグロバクテリウムにとって栄養源となりますが、他の多くの細菌は利用できません。このように、アグロバクテリウムは植物に一方的に遺伝子を送り込み、自身の増殖に有利な環境を作り出すことから、「植物に対する遺伝的植民地化」と喩えられることもあります。

Tiプラスミド自体は非常に大きく（約20万塩基対）、T-DNAだけでなく、T-DNAを植物細胞へ効率的に輸送するための多数の遺伝子群（vir領域）や、オパインを分解・利用するための遺伝子なども備えています。研究が最も進んでいる菌株の一つに _Agrobacterium tumefaciens_ C58がありますが、この菌株のゲノムは興味深い構造をしており、一般的な環状染色体に加えて、直線状の染色体と、病原性に関わるpTiC58、オパイン代謝に関わるpAtC58という2つの環状プラスミドから構成されています。

なお、植物にできる腫瘍はアグロバクテリウムによるものだけでなく、昆虫が作る虫こぶや、他の病原体（例: ネコブカビ、ネコブセンチュウ）によっても引き起こされることがあります。

ひげ根病

発根性アグロバクテリウム（かつて _Agrobacterium rhizogenes_ と呼ばれていた種）も同様にプラスミド（pRiプラスミド）上にT-DNAを持ちますが、こちらのT-DNAは植物に腫瘍ではなく、異常な量の不定根を発生させる性質があります。この病気はひげ根病として知られ、多数の細かい根が高密度に分岐して増殖するのが特徴です。この性質は、植物の根を大量に培養する毛状根培養という手法に応用されています。

バイオテクノロジーへの利用

アグロバクテリウムの持つT-DNAを植物細胞のゲノムに組み込む能力は、植物遺伝子工学において非常に強力なベクターとして利用されています。この能力を活用することで、目的とする遺伝子を植物の核ゲノムに導入し、遺伝子組み換え植物（トランスジェニック植物）を作製することが可能です。

具体的には、まずT-DNAの領域にある腫瘍形成遺伝子などを取り除き、そこに目的の遺伝子配列と、遺伝子が組み込まれた細胞を選び出すための選択マーカー遺伝子を挿入します。T-DNAが植物ゲノムに組み込まれる際に必須となるのは、T-DNAの両端にある非常に短いDNA配列（RBとLB）のみであり、その内側の配列には特に制限がありません。

遺伝子組み換え植物を作製する一般的な方法としては、目的の遺伝子を導入したアグロバクテリウムを植物の組織や細胞に感染させ、感染した細胞を培養して植物体へと再生させる方法があります。また、シロイヌナズナなどの植物では、蕾の段階でアグロバクテリウムの懸濁液に浸すフローラル・ディップ法を用いることで、稔性の高い種子に目的遺伝子を導入することが可能になっています。

アグロバクテリウムを用いた遺伝子導入技術は、ホタルのルシフェラーゼ遺伝子を導入した「光る植物」のような基礎研究から、病害抵抗性や除草剤耐性を持たせた作物の開発まで、幅広く応用されています。自然界では主に双子葉植物に感染しますが、技術改良によりイネなどの単子葉植物や真菌への遺伝子導入も可能になっており、実験的にはヒト細胞へのT-DNA転移も報告されています。

その他の性質

アグロバクテリウムが植物細胞へT-DNAを送り込むメカニズムは、タイプIV分泌系と呼ばれるタンパク質輸送システムを介して行われます。このシステムは、ヒトに病原性を示す細菌が宿主細胞へ病原因子などを注入するタイプIII分泌系と類似した構造や機能を持つことが知られています。

また、多くのアグロバクテリウムは、周囲の同種菌が分泌するシグナル物質を感知して集団で応答するクオラムセンシングという細胞間コミュニケーションシステムを有しており、病原性の発現などに関与していると考えられています。

もう一度検索