毛狀根（hairyroot）又稱發根，是整體植株或植物的某一器官、組織（包括愈傷組織）、單個細胞甚至原生質體受發根農杆菌（Agrobacteriumrhkogenes）的感染所產生的一種病理現象（形成多分枝的、迅速生長的、向地性消失的不定根），它起源於單個細胞。毛狀根具有生長迅速、遺傳穩定、起源於單細胞（有利於高效表達克隆或變異克隆的篩選）、培養時不需添加外源激素、擁有親本植株特征的次生代謝途徑等特點，尤其是它的穩定性和生長迅速是植株次生代謝物工業化生產所夢寐以求的，也是細胞培養和一般器官培養所不能兼備的，因此毛狀根培養技術被認為是生產植物次生代謝物的一條新途徑。毛狀根的培養對中草藥非常重要，因為約1/3的傳統中草藥是植物的根部，故可用毛狀根的培養生產次生代謝產物。目前利用發根農杆菌已在200多種植物上成功誘導出了毛狀根，已在長春花、煙草、紫草、絞股藍、人參、曼陀羅、顛茄、丹參、黃芪、黃芩、甘草和青蒿等多種植物材料中建立了毛狀根的培養係統。
一、毛狀根培養的基本概念
(一)毛狀根培養
毛狀根培養（hairyrootsculture）亦稱發根培養，是指利用致病農杆菌感染植物的外植體使其產生毛狀根，並對所產生的毛狀根進行無菌培養的技術。致病農杆菌包括根癌農杆菌（Agrobacteriumtumefaciens）和發根農杆菌（Agrobacteriumrhizogenes）等微生物。
(二)發根
發根（hairyroot）是發根農杆菌感染整體植株或其某一器官、組織、單個細胞甚至原生質體後，其Ri質粒（Ri質粒是在發根土壤杆菌細胞中存在的一種染色體外自主複製的環形雙鏈DNA分子。它控製不定根的形成,可作為基因工程的載體）上的T-DNA片斷整合進植物細胞核基因組中誘導產生的一種特殊表現型（形成多分枝的、生長迅速的不定根）。
(三)發根農杆菌的生物學特性
發根農杆菌是一種寄主非常廣泛的土壤細菌，能侵染大多數雙子葉植物和少數單子葉植物。發根農杆菌中存在著能夠誘發植物產生發根的質粒，稱為Ri質粒（rootinducingplasmid）。質粒是指染色體外能夠自主複製遺傳單位，包括真核生物的細胞器和細菌細胞中染色體以外的DNA分子，現在習慣上專指細菌、放線菌等生物中染色體以外的DNA分子，絕大多數細菌質粒都是閉合環狀的DNA分子。
不同的Ri質粒間有很大的相似性，都具有T-DNA區、Vir區及分解冠癭堿的功能區和複製起始區。T-DNA區長轉化過程中插入到寄主植物基因組中，表達決定發根生長和冠癭堿合成的基因。T-DNA上的冠癭堿合成基因在轉化完成以後，在轉化的植物組織中可表達合成冠癭堿。因此，冠癭堿的檢測是評價植物轉化是否成功的證據之一。冠癭堿的作用是為發根農杆菌提供唯一的碳源和氮源營養供其利用。Vir區不插入寄主植物基因組DNA中，但與T-DNA的轉移有關，它的缺失或突變不能使感染的植物出現發根。
Vir區基因的活化轉錄是在接受了植物細胞產生的創傷信號後開始的。Ri質粒感染過程：
1.發根農杆菌感染植物傷口後，受傷的植物細胞合成一種特殊的小分子化合物，如酚類化合物等，從而誘導Ri質粒的Vir區基因群活化；
2.在Vir區基因表達產生的酶作用下T-DNA被切下；
3.T-DNA轉移到植物細胞並整合到植物基因組DNA中；
4.T-DNA在植物細胞中得到轉錄和轉譯，發揮其機能並使宿主植物產生發根。二、發根培養的特點及優點
(一)生長迅速
毛狀根具有大量的分枝和根毛，具有生長迅速、激素自養、分化程度高、遺傳性狀穩定等特點。尤其是其穩定性和生長迅速的特點是工業化生產夢寐以求的，也是細胞培養和一般器官培養所不能兼備的。例如金蕎麥（Fagopyrumcymosgm）的毛狀根液體培養25d可增殖1861倍而其細胞培養物隻增殖26.7倍。很多次生代謝產物僅在特定的器官或組織中形成，即隻有分化才伴隨次生代謝過程的進行，大量的實驗結果表明發根中含有相應的次生代謝物含量明顯比培養的細胞高，而且近三分之一傳統藥材的藥用部位是根，發根培養係統在傳統藥材生產中具有更重要的意義。
(二)合成能力強且穩定
因為外源生長激素能夠抑製次生代謝產物的產生，而毛狀根中含有的T-DNA片段上有生長素合成酶基因，所以毛狀根表現為激素自養性，有利於產生次生代謝產物。毛狀根的次生代謝物的含量一般比愈傷組織和懸浮培養的細胞高，並且能夠合成某些愈傷組織和懸浮培養細胞不能合成的次生代謝物，例如長春新堿和長春堿是存在於長春花（Catharanthusroseus）中的具有抗癌作用的萜類吲哚類生物堿，通過長春花細胞培養一直未能獲得這兩種生物堿，但在長春花的毛狀根中檢測到了這兩種生物堿；短葉紅豆杉（Taxusbrevifolia）的毛狀根中紫杉醇的含量是其愈傷組織中的近8倍；毛狀根中某些次生代謝物的含量甚至可能比原植物還高，例如人參（Panaxginseng）天然栽培根的人參皂苷含量為1.403％（幹重），而人參的毛狀根在無外源激素的條件下，人參皂苷的含量可達幹重的2.486％，比天然栽培根高出近1倍。
由於毛狀根是由單個細胞分化而來的根組織，屬於單個克隆，具有遺傳穩定性，它不僅染色體數目與親本保持一致，而且合成能力、合成模型及生長速度也很穩定，這對工業化生產十分重要。例如曼陀羅（Daturastramomum）毛狀根繼代培養5年以上仍保持合成托晶烷生物堿的穩定性。
三、發根的誘導及培養
(一)發根農杆菌感染植物的方法主要有以下幾種。
1.向植物體直接注射法
用活化好的新鮮菌液對植物的無菌幼苗反複注射（2～3次），兩周後即可在注射部位產生發根。
2.對植物外植體進行接種感染
將外植體（如胚軸、子葉、幼葉、子葉節、未成熟胚等）用刀片或剪刀切成小塊或小段，用活化好的菌液進行注射，在傷口處塗抹或與菌液共培養。這種感染方法最常用，且效果很好。
3.與原生質體共培養法
通常將植物的葉肉細胞獲得的原生質體培養3～5d後，加入活化的菌液進行共培養，該感染方法常常是為獲得愈傷組織而采用的方法。
(二)建立植物發根培養係
經農杆菌轉化產生的發根，首先要進行除菌，將發根分離，轉移到含抗生素的培養基上繼代培養。繼代間隔不宜過長，一般10～15天，反複進行除菌直至將農杆菌除掉為止。經發根農杆菌誘導產生的發根，生長迅速、多分枝、無向地性，但由於農杆菌轉化中性細胞時Ri質粒上的T-DNA片段整合到植物基因組中是隨機的，因此，克隆的發根其生長迅速、分枝形態也有差異。建立植物發根培養係要選擇那些生長速度較快、分枝較多的發根進行擴大培養，對生長緩慢的根要篩除。
(三)發根的增殖培養
常在低鹽濃度的液體培養基（如White培養基）中於黑暗、恒溫條件下進行懸浮、振蕩培養，適當通入氧氣將有利於根的生長，而在高鹽濃度培養基中，發根生長緩慢甚至停止生長。由於植物種類和培養條件不同，發根的生長速度也不一樣，一般為每月增殖數十倍，最高可達上千倍（如天仙子發根每月增值2500～5000倍）。
(四)誘導出的毛狀根是否確為轉基因產物的鑒定
1.毛狀根可以從形態水平上給予鑒定，它不依賴於激素快速生長，根多叢生，多分枝，多根毛，無向地性。這些表型的特征與未轉化的根不同，可區分開。
2.可以通過毛狀根中GUS（β-葡萄糖酸酶）活性的測定或NPTII（卞那黴素抗性基因）酶的檢測從組織水平來證明Ri質粒中的T-DNA是否轉移整合到植物細胞的核基因組上。
3.冠癭堿的測定，可作為細胞水平的毛狀根鑒定方法，因為冠癭堿合成酶基因在發根農杆菌中並不能表達，它隻能在植物細胞中表達。冠癭堿的存在可作為植物細胞轉化的指標。
4.SouthernBlot方法的使用，從分子水平提供更為準確而有力的轉基因證據。SouthernBlot是把DNA從瓊脂糖凝膠轉移到一個適合雜交水稻中介物上，對DNA進行檢測的方法。
(五)影響發根農杆菌轉化的因素
1.菌株
常用菌株有LBA9402、R1601、ATCC15834、TR105、A41027和A42659型。
2.植物及外植體
對Ri質粒的敏感性為雙子葉植物＞單子葉植物，草本植物＞木本植物；在感染轉化的受體選擇上，傾向於將葉片、子葉、子葉柄、胚軸作為外植體。將菌株、植物、外植體進行不同的組合，會導致發根誘導率的變化。不同菌株對同一種植物的發根誘導率不同；同一種菌株對不同植物和同一植物不同外植體的誘導率也有所不同。
3.理化因子的影響
使用低分子酚類化合物處理農杆菌可以促進基因轉化。現已發現同激活Vir區基因表達有關的植物細胞釋放分子有9種，均為水溶性酚類化合物。其中，乙酰丁香酮（As）和羥基乙酰丁香酮（OH-As）作用最強，兒茶酚、原兒茶酚、沒食子酸、焦性沒食子酸、二羥基苯甲酸、香草酚和對羥基苯酚等7種化合物共同處理農杆菌時，也可使Vir區基因高水平表達，單獨使用則弱的多。這兩類酚類化合物激活毒性基因表達機理不一樣。As或OH-As通過VirA和VirG兩個基因調節表達係統，激活毒性區的其它毒性基因表達；而其它各酚類化合物則分別激活各毒性基因表達。這些酚類化合物是促進T-DNA向植物細胞轉移、加工和整合所必需的。
農杆菌之所以不能感染大多數單子葉植物，可能是由於某些單子葉植物不能形成足量誘導Vir基因表達的信號分子，或是這些化合物處在不擴散或失活狀態所致。很多實驗表明光照可以促進發根農杆菌的轉化。另外，感染前高滲處理、誘導培養時添加生長素等因素也有利於發根農杆菌的轉化。