植物遗传转化技术
生物学中的植物遗传转化与基因编辑技术
生物学中的植物遗传转化与基因编辑技术植物遗传转化与基因编辑技术在生物学中的应用植物遗传转化与基因编辑技术是生物学领域中的重要研究方向，它们可以用于改良植物品种、提高农作物产量和抵抗力、开发新型植物药物等。
一、植物遗传转化技术的原理和方法植物遗传转化是指将外源基因或DNA片段导入植物细胞，并使其稳定地遗传给后代。
常见的植物遗传转化方法包括农杆菌介导的遗传转化、基因枪法和凯南法等。
1. 农杆菌介导的遗传转化农杆菌介导的遗传转化是最常用的植物遗传转化方法之一。
该方法利用土壤中广泛存在的植物病原性农杆菌将外源基因导入目标植物细胞。
首先，将外源基因插入农杆菌质粒的T-DNA区域，然后将农杆菌通过注射或浸泡等方式导入植物细胞。
在遗传转化后，利用选择标记基因或报告基因进行筛选和检测。
2. 基因枪法基因枪法是将DNA载体以高速射击的方式直接导入植物细胞。
将外源基因负载在金粒等微粒表面，然后使用高压氦气或火药等加速器将其射入植物细胞。
在转化后，通过培养基中的选择性筛选剂来筛选转化的细胞。
3. 凯南法凯南法是一种基于物理和化学手段的遗传转化方法。
通过利用聚乙烯醇（PEG）或电击等方法，使DNA能够与植物细胞质融合，然后通过培养和筛选等步骤来获得转化的植物细胞。
二、基因编辑技术在植物遗传改良中的应用基因编辑技术是指通过精确地修改植物基因组中的特定位置，实现遗传改良的方法。
常见的基因编辑技术包括CRISPR-Cas9系统、TALENs和ZFNs等。
1. CRISPR-Cas9系统CRISPR-Cas9系统是一种高效、快速和精确的基因编辑技术。
它利用CRISPR RNA（crRNA）和转录单元RNA（tracrRNA）组成的复合物与Cas9蛋白结合，以形成靶向特定基因序列的复合物。
在植物中，CRISPR-Cas9系统被广泛应用于基因敲除、基因敲入和基因修饰等方面。
通过将CRISPR-Cas9系统导入植物细胞，可以实现对植物基因组的精确编辑。
植物生物技术中的组织培养与遗传转化
植物生物技术中的组织培养与遗传转化植物生物技术是一门通过应用生物学原理和技术手段，对植物进行改良和利用的学科。
其中，组织培养与遗传转化技术是植物生物技术中的重要内容。
本文将介绍植物组织培养和遗传转化的概念、原理及应用，并探讨其在农业、医药、园艺等领域的潜力。
一、植物组织培养植物组织培养是指将植物的组织、器官或细胞在无菌条件下培养与繁殖的技术。
它是一种有效的植物繁殖和繁衍方式，通过调控培养基、激素和营养物质的配比，可以促进植物组织的生长和分化，培养出大量的植株。
组织培养技术被广泛应用于植物繁育、种子无性繁殖、快速繁殖珍稀植物等方面。
在植物组织培养中，最常用的培养基是植物激素和营养物质的混合物。
不同植物所需的培养基成分和比例各异，因此在组织培养中需要对培养基进行优化和调整。
此外，培养过程中的温度、光照和湿度等因素也对植物的生长和分化起着关键作用。
二、遗传转化技术遗传转化技术是指将外源基因导入到植物细胞或组织中，并使其在植物体中表达出来的技术。
通过遗传转化，可以实现植物抗病虫害、耐逆性等性状的改良，提高作物的产量和质量。
遗传转化技术主要有基因枪法、农杆菌介导法和冷冻法等。
基因枪法是一种直接将外源基因通过高速微颗粒轰击进入植物细胞的方法，适用于多种植物。
农杆菌介导法则是将外源基因导入农杆菌中，再通过感染植物组织或细胞，使植物细胞中的农杆菌携带和表达外源基因。
冷冻法即将植物组织置于低温条件下，使细胞膜破裂，利用裂解的细胞膜将外源基因转移到植物细胞内。
三、植物生物技术的应用植物生物技术的应用具有广泛的前景和潜力。
在农业领域，通过植物组织培养和遗传转化技术，可以培育出抗虫、抗病、耐逆的转基因作物，提高作物产量和品质，为农业生产带来革命性的变化。
在医药领域，植物生物技术也被广泛应用于植物药物的研发和生产，通过植物组织培养和遗传转化技术，可以获得大量的高效、低成本的药物原料。
在园艺领域，植物生物技术可以用于珍稀植物的繁殖和保护，提高园艺植物的观赏价值。
植物遗传转化步骤
植物遗传转化步骤植物遗传转化是指通过外源DNA的导入，使植物细胞或组织发生基因改变，从而获得具有特定性状的转基因植物。
这一技术在农业、医学和工业等领域有着广泛的应用。
下面将介绍植物遗传转化的基本步骤。
步骤一：选择外源DNA在植物遗传转化中，首先需要选择外源DNA，也就是我们要导入到植物细胞中的目标基因。
这个目标基因可以来自于其他物种，也可以是人工合成的。
目标基因的选择取决于我们希望在转基因植物中表达的特定性状。
步骤二：构建转化载体将目标基因导入植物细胞需要使用载体。
载体是一种专门设计用于植物遗传转化的DNA分子。
通常，载体由多个组成部分组成，包括启动子、终止子、选择标记和目标基因。
这些组成部分的功能是确保目标基因能够在植物细胞中正确表达。
步骤三：转化载体导入植物细胞一旦构建好转化载体，接下来就需要将其导入到植物细胞中。
目前，有多种方法可以实现这一步骤，包括农杆菌介导转化、基因枪法和电穿孔法等。
这些方法都可以有效地将外源DNA导入植物细胞，使其成为转基因细胞。
步骤四：筛选转基因细胞一旦植物细胞被导入外源DNA，我们需要对其进行筛选，以确定哪些细胞成功地获得了目标基因。
为了实现这一步骤，常常会在转化载体中加入选择标记基因，如抗生素抗性基因。
只有携带了目标基因的细胞才能存活下来，而其他细胞则会被筛选掉。
步骤五：培养和再生转基因植物筛选出的转基因细胞可以通过培养和再生来获得完整的转基因植物。
这一过程通常需要在培养基上进行，通过提供适当的营养物质和激素来促进细胞分裂和分化。
经过一段时间的培养，转基因细胞可以发展成为转基因植物。
步骤六：鉴定转基因植物需要对获得的转基因植物进行鉴定，以确认其是否成功地获得了目标基因。
这一步骤通常需要使用分子生物学技术，如PCR和Southern blot等，来检测目标基因的存在和表达。
只有经过鉴定的转基因植物才能用于进一步的研究或应用。
总结：植物遗传转化是一项复杂的技术，需要经历多个步骤才能成功。
植物遗传转化步骤
植物遗传转化步骤
植物遗传转化是指通过人为手段，将外来基因导入植物细胞内，使其产生新的遗传特征。
植物遗传转化的步骤主要包括以下几个方面： 1. 基因载体构建：基因载体是将所需基因导入植物细胞内的载体，包括质粒、病毒、人工染色体等。
构建基因载体需要选择适当的载体和适合的启动子、终止子、选择标记等元件。
2. 转化体系建立：植物遗传转化需要建立一套合适的转化体系，包括培养基的配制、细胞培养和再生体系等。
转化体系的搭建需要考虑到不同物种、基因载体和转化方法的特点。
3. 基因导入：基因导入可以通过直接基因转移、基因炮击、农
杆菌介导转化等手段进行。
其中，农杆菌介导转化是最常用的基因导入方法。
在基因导入过程中，可以使用选择标记来筛选生产基因转化植株。
4. 识别和筛选：基因转化后的植物细胞需要进行识别和筛选。
常用的识别方法包括PCR检测、Southern杂交、Northern杂交等。
筛选方法可以通过细菌耐草酸和遗传标记等手段进行。
5. 品系选育：经过基因转化的植物需要进行品系选育，通过选
择有利的基因型和表型，后代将具有更好的遗传特征。
品系选育需要进行多代重复筛选，最终得到具有稳定表达和优良性状的转化植株。
6. 安全评价：基因转化后的植物需要进行安全评价，包括对植
物生长性状、代谢产物、土壤微生物等方面的评价。
安全评价是确保基因转化植物的生态安全性和食品安全性的重要环节。
植物组织培养：第十三章 植物遗传转化
• 接种时所用菌液浓度和侵染时间 是影响转基因植株再生的关键因素 之一。
• 共培养：接种菌体后的外植体培养 在诱导愈伤组织或不定芽固体培养基 上，在外植体细胞分裂、生长的同时， 农杆菌在外植体切口面也增殖生长， 两者共同培养的过程称为～。
• Horsch等(1985)首创叶盘法，用根 癌农杆菌感染烟草叶片外植体，获得 了转基因烟草。
（一）生物学特性与转 化原理
1.生物学特性
• 根癌农杆菌将Ti质粒的DNA片 段、发根农杆菌将Ri质粒的DNA 片段导入植物细胞的基因组中，导 致植物发生冠瘿瘤和毛状根。
• 根据携带不同Ti质粒的根癌农杆 菌诱导的冠瘿瘤所产生的冠瘿碱类 型，将根癌农杆菌分为章鱼碱型、 胭脂碱型和农杆碱型三种根癌农杆 菌。
一、农杆菌介导法
• Ackermann(1977)，Wullems等 (1981)，De Greve等(1982)和Spano 等(1982)首先在烟草和马铃薯中由Ri质 粒和Ti质粒转化的细胞再生出植株。
• Zambryski等(1983)和De Block等 (1984)以及Horsch等(1985)分别报道 了用切去癌基因的根癌农杆菌和发根 农杆菌进行遗传转化，获得了形态正 常的转基因植物。
第十三章 植物遗传转化
• 植物遗传转化（plant genetic transformation）：是指将外源基因 转移到植物体内并稳定地整合表达与 遗传的过程。
• 农杆菌介导法、基因枪法、植株原 位真空渗入法、电击法、聚已二醇法、 花粉管通道法、显微注射法、激光微 束法、超声波法、生殖细胞浸泡法、 脂质体法
（5） Vir区基因的活化
• 大多数双子叶植物受伤后，植物 细胞会分泌某些酚类化合物，这些 酚类化合物可诱导Vir区基因活化， 使农杆菌转化成为可能。
植物基因工程实验教案：遗传转化技术的应用和优化
植物基因工程实验教案：遗传转化技术的应用和优化植物基因工程是一种将目标基因移入植物细胞内的方法，以实现改良作物品种的过程。
这一技术可以应用于许多方面，如增强作物产量、提高作物品质、促进作物抗病抗虫能力等。
植物基因工程是一个极具潜力的领域。
本文将介绍植物基因工程实验教案中的遗传转化技术的应用和优化。
一、遗传转化技术遗传转化技术是一种将外源基因转移入植物细胞中的方法，该方法包括四个主要步骤：选择载体、制备载体、转化载体和鉴定基因。
选择载体：目前用于植物基因工程的两种载体是农杆菌和冷冻冻融法。
农杆菌转化法是最常用的方法之一，农杆菌以同源重组的方式在植物细胞中形成感染斑。
农杆菌将外源基因植入植物细胞中，目标基因将被插入植物细胞的染色体中。
制备载体：载体是一种可以将外源基因植入植物细胞内的DNA分子。
在制备载体的过程中，需要用到回收携带目标基因的载体。
常用的载体包括质粒和病毒，质粒是一种带有目标基因的圆形DNA分子，可以将目标基因直接植入质粒中。
转化载体：转化载体是指将目标基因输送至植物细胞内的过程。
转化方法主要有两种：物理转化和生物转化。
物理转化是指通过高斯粒子加速器等物理手段将目标基因输送至植物细胞内；生物转化是指使用农杆菌或病毒将外源基因输送至植物细胞内。
鉴定基因：鉴定基因是指确定转化后的植物细胞中是否成功植入了外源基因。
通常使用PCR和Southern杂交等方法对植物细胞进行鉴定。
二、遗传转化技术的应用1. 增强作物产量：遗传转化技术可以实现植物细胞的营养分配和代谢的调节，从而提高作物的生长速度和生产力；2. 提高作物品质：通过遗传转化技术，可以改善作物的色、香、味等特征；3. 促进作物抗病抗虫能力：外源基因的应用可以帮助作物提高其对病菌、虫害等的抵抗力；4. 创建新的生物技术：可以通过遗传转化技术创建新的生物技术，例如转基因药物、疫苗等。
三、遗传转化技术的优化虽然遗传转化技术在基因工程领域中应用较为广泛，但是该技术仍存在一些问题。
植物遗传转化
植物遗传转化植物遗传转化是指将一种基因从一种宿主植物移植到另一种植物中的过程。
这可以通过多种技术实现，包括蛋白质工程、病毒载体和质粒介导的遗传转化。
植物遗传转化的技术可以用来改变植物的性状，例如产量，耐旱性，抗病性，耐寒性，营养价值，等等。
它还允许转化植物中的基因，以改善其耐药性、耐酸碱性或其他性状。
植物遗传转化技术有着悠久的历史，最早可以追溯到使用放射性同位素来驯化植物的实验，其目标是改变植物的遗传特性，从而增加其产量。
今天，植物遗传转化的技术发展迅速，使得利用质粒介导的遗传转化技术来转移植物的基因变得越来越容易。
还有许多其他的方法，包括蛋白质工程，以及其他以病毒载体为媒介的形式，都在不断的发展和应用中。
植物遗传转化的应用在种植领域非常广泛。
这种技术可以用来增加植物抗病性，使得植物不容易受到病虫害、荒漠化或气候变化的侵袭；改善植物对营养元素的利用，改善植物的生长和发育；消除农业投入品，比如农药和化肥，使植物可以在较低的投入下获得较高的收入；改变植物的性状，比如口感、果实大小、颜色等，使得植物更受消费者欢迎；以及改变植物的耐寒性，以适应不同的气候条件，减少和消除对农作物收获量的不利影响。
随着植物遗传转化技术的发展，植物遗传转化在农业中的应用越来越广泛，许多农作物也在不断发展改造中。
植物遗传转化的技术已成为农业科学研究的重要组成部分，在当今的社会中得到了越来越多的应用，它不仅可以改善植物的效率，而且可以降低农作物的生产成本，最终提升农作物的抗病性、耐寒性、耐旱性和营养价值等性状，为世界人民提供健康、安全和有营养的生活所需。
如今，植物遗传转化技术已经成为人类运用自然环境生物资源的重要工具，但它仍然存在一定的风险。
因此，在开发和使用植物遗传转化技术之前，应当首先对技术进行全面的评估，确保它不会对自然生态、人类健康或其他有关部门造成不利影响。
同时，在开发和使用植物遗传转化技术的过程中，应当遵守有关法律法规，以确保植物遗传转化技术的安全、可靠和环保。
植物基因转化常用方法(植物遗传,农杆菌、病毒介导和基因枪转化法)
一. 植物遗传转化的方法植物遗传转化技术可分为两大类：一类是直接基因转移技术，包括基因枪法、原生质体法、脂质体法、花粉管通道法、电激转化法、PEG介导转化方法等，其中基因枪转化法是代表。
另一类是生物介导的转化方法，主要有农杆菌介导和病毒介导两种转化方法，其中农杆菌介导的转化方法操作简便、成本低、转化率高，广泛应用于双子叶植物的遗传转化。
二.农杆菌介导的基因转化方法（一）农杆菌的Ti质粒与T-DNA的整合机制几乎所有双子叶植物都容易受到土壤农杆菌感染，而产生根瘤。
它是一种革兰氏阴性土壤杆菌（A. tumefaciens）。
其致瘤特性是由Ti（tumor－inducing）质粒介导的。
农杆根瘤菌之所以会感染植物根部是因为植物根部损伤部位分泌出酚类物质乙酰丁香酮和羟基乙酰丁香酮，这些酚类物质可以诱导Vir（Virulence region)基因的启动表达，Vir基因的产物将Ti 质粒上的一段T－DNA单链切下，而位于根瘤染色体上的操纵子基因产物则与单链T－DNA 结合，形成复合物，转化植物根部细胞。
T－DNA 上有三套基因，其中两套基因分别控制合成植物生长素与分裂素，促使植物创伤组织无限制地生长与分裂，形成冠瘿瘤。
第三套基因合成冠瘿碱，冠瘿碱有四种类型：章鱼碱（octopine）、胭脂碱（nopaline）、农杆碱（agropine）、琥珀碱（succinamopine），使农杆菌生长必需的物质。
1. Ti质粒的结构在发现根瘤农杆菌诱发冠瘿瘤的本质是Ti 质粒后，Ti质粒便成为冠瘿瘤形成基因鉴定与分析的主要研究对象。
Ti质粒大约在160～240kB之间。
其中T-DNA大约在15kb-30kb。
Vir基因区在36kb 左右。
除此之外，Ti质粒上还存在Con区（region encoding conjugation)和Ori区（origin of replication)。
T-DNA上共有三套基因和左右两个边界，LB和RB是长为25bp的末端反复重复顺序，在切除及整合过程具有重要意义。
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binary vector
• 包括mini-Ti质粒（T-DNA边界，缺失Vir区）和 helper Ti质粒（含有Vir区缺失T-DNA边界，相当 于co-integrated vector 的disarmed Ti质粒） mini-Ti质粒：pBin19，pCAMBIA系列 helper Ti质粒：EHA105，LBA4404（pAL4404）
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Co-integration plasmid
• 一元载体系统A plasmid based on pBR322 used to clone gene of interest
• A Ti-based vector: pGV3850 (LB, RB, most of T-DNA replaced by pBR322)
Left border
Right border
12-24 kbp
vir genes
Opine
ori
catabolism
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3. 创伤诱导分子
• 是一类可溶性的小分子酚类化合物 • 乙酰丁香酮（acetosyringone，AS）、羟
基乙酰丁香酮（acetosyringone，OH-AS） • A.t: recognition and chemotaxis （趋化性）
• Left and right border (LB\RB):TDNA左右两侧各有一段25bp的重复 序列，在T-DNA的整合中起重要作用
• Ori区(origin of replication)：该区段 基因调控Ti质粒的自我复制，故称之 为复制起始区。
T-DNA region
Auxin Cytokinin Opine
• T-DNA和vir基因参与，T-DNA上的基因与 T-DNA的转移及整合有关，因为它不编码 T-DNA转移的产物。
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Transfer of T-DNA from Agrobacterium to plant cell
Agrobacterium wound
‘signal’
Plant cell
Nucleus
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二、转化载体Transformation vector
• Modified from Ti-plasmid • Ti质粒是约200~500kb的环状DNA分子，很
难用作DNA克隆载体进行操作。 • 根据Ti质粒的特点，现已构建成以下两套质
粒衍生的载体系统，广泛用作植物基因工 程中的载体 – 共整合载体Co-integration vector – 双载体Binary vector
• The former integrated into the latter
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2. 共整合载体
• 两个质粒，一个用作克隆外源基因，另一 个带有毒性基因。
• 与双元载体的主要区别是这两个质粒具有 一段同源序列，它们在根瘤土壤杆菌中经 过重组整合成一个载体，故称共整合载体。
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co-integrated vector的特点
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Elucidation of the TIP (tumor-inducing principle)
• It was recognized early that virulent strains could be cured of virulence, and that cured strains could regain virulence when exposed to virulent strains; suggested an extra-chromosomal element.
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But Nature’s Agrobacterium Has Problems
Infected tissues cannot be regenerated (via tissue culture) into new plants Why?
• Phytohormone balance incorrect regeneration Solution? Transferred DNA (T-DNA) modified by
• 包括两个质粒，一个是带有T-DNA的微型质粒 （双元Ti载体），一个是带有Vir区的辅助质粒。
• 将去除致瘤基因的T-DNA区从Ti质粒中分离，放 置在一个能在农杆菌和大肠杆菌中复制的穿梭质 粒中。这个穿梭载体称为双元Ti载体。vir区则存 在于一个已经除去T-DNA的Ti质粒中，在农杆菌 中作为辅助质粒，通过反式激活使T-DNA转移到 植物细胞基因组中。
• Large plasmids were found in A. tumefaciens and their presence correlated with virulence: called tumor-inducing or Ti plasmids.
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Structure of A. tumefaciens
• mini-Ti质粒可通过液氮速冻或电转化法转入含有 helper Ti质粒的农杆菌
- causes crown galls (tumors) on many dicots
- Infection occurs at wound sites
Infected Tobacco w/teratoma 7
Agrobacterium tumefaciens and crown galls
Gall on stem
toward AS • 高浓度AS可使农杆菌的vir活化及表达
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4. Vir (virulent) genes
• Transfer the T-DNA to plant cell • acetosyringone (AS) (a flavonoid) released by
wounded plant cells activates vir genes • 7 operons: virA,B,C,D,E,G, H (A-E are operons
with multiple ORFs), span about 30 kb of Ti plasmid, 24 genes, related to cutting and transfer of T-DNA
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How T-DNA is integrated into plant?
植物产生创伤信号分子
• Removing phytohormone genes • Retaining essential transfer sequences • Adding cloning site for gene of interest
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总结：Ti质粒特点
• Ti质粒具有5个主要功能区域：T-DNA、质粒转移 (plasmid transfer)、冠瘿碱代谢 (opine catabolism)、复制原点 (oir)和毒性区域 (vir)。
Single-stranded copy of T-DNA (protected by ssDNA binding protein)
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T-DNA into plant cells
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T-DNA integration implies
• Foreign genes can be transferred into plants if they were put in the region of TDNA
双因子调控体系
virA基因激活 virG基因激活
VirB2: provides energy VirD2/VirE2:有核靶毓，引导T-DNA进入植物基因组
virD1基因激活（松） virD2基因激活（T-链）
virE2基因激活
T-complex
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Tumor induction
• T-DNA transfer: T-DNA被加工切下、复制、 越过细菌膜及转移到植物细胞并整合植物 基因组的全过程。
• 由两个质粒（E.coli plasmid & Ti plasmid）重组 而成，分子量较大
• 共整合的形成频率与两个质粒的重组频率有关， 相对较低
• 必须用Southern 杂交或PCR对较大的共整合体质 粒进行检测
• 构建比较困难 • 中间表达载体通过结合转移法或三亲杂交转移法
导入农杆菌
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3. 双元载体系统
• 1907: 发现农杆菌是植物致瘤的起因 • 1974：发现农杆菌中有Ti或Ri质粒 • 1983：在Miami召开的“植物和动物分子遗传学”
冬季讨论会上，有三个报告：
– Van Montagu&Schell（比利时根特大学）、Fraley （Monsanto）：将T-DNA上的致瘤基因以外源基因取 代，转化得到可育植株
• T-DNA中直接参与转移并整合到植物染色体上的 序列，仅是T-DNA两端与其他序列交界处的25bp 不完全直接重复 (imperfect direct repeat)，右端 的这段序列称为右界，左端的序列称为左界。 TDNA内的致瘤细胞诱导根瘤细胞，由这类细胞不 能再生成植株。
• vir的毒性基因是T-DNA转移所必需的。
Gall on leaf
complex bacterium – genome has been sequenced; 4 chromosomes with ~ 5500 genes
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2. Why crown gall is formed ?
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Tumor characteristics
• hormone (auxin & cytokinin) levels altered, explains abnormal growth
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1. 卸甲载体Disarmed vector
• Ti-based plasmids lacking tumorigenic functions • T-DNA区域内的所有基因与转移无关，所以将致瘤基因全部