古樹(shù)扦插繁育研究進(jìn)展

■杜常健 江澤平 史勝青

歷經(jīng)千百年的洗禮而頑強(qiáng)生存下來(lái)的古樹(shù)名木，是大自然賜予人類(lèi)的寶貴遺產(chǎn)和不可復(fù)制的“活”歷史文物，有“活化石”“古文化”“國(guó)寶”之稱(chēng)，具有重要的科學(xué)、文化價(jià)值，也是園林綠化和旅游資源的重要組成部分。古樹(shù)不僅能使我們更好地了解千百年來(lái)環(huán)境的演化過(guò)程、自然和歷史現(xiàn)狀，還是一座優(yōu)良種源基因?qū)殠?kù)，為林木育種提供優(yōu)良材料。但長(zhǎng)期以來(lái)，由于年齡的增長(zhǎng)、自然環(huán)境惡化以及人為干擾破壞等原因，我國(guó)古樹(shù)資源遭受到嚴(yán)重的破壞，數(shù)量急劇減少。

眾多的古樹(shù)在進(jìn)化中具有了獨(dú)特的抗逆性狀，已成為寶貴的遺傳資源。隨著樹(shù)齡增大，古樹(shù)生長(zhǎng)勢(shì)衰弱日趨明顯、根系擴(kuò)張能力萎縮、死枝數(shù)目增多。雖然古樹(shù)衰亡的趨勢(shì)不可逆轉(zhuǎn)，但是引起古樹(shù)衰亡的客觀(guān)原因卻是可以通過(guò)保護(hù)工作來(lái)解決的。因此，保護(hù)和利用古樹(shù)資源已迫在眉睫。目前，無(wú)性繁殖被認(rèn)為是完整保護(hù)古樹(shù)遺傳資源的有效手段之一。但古樹(shù)年齡和成熟度較高，無(wú)性繁殖時(shí)其不定根的再生能力很差。迄今為止，我國(guó)古樹(shù)方面的研究大部分處于基礎(chǔ)階段，主要包括在古樹(shù)資源調(diào)查、保護(hù)與復(fù)壯技術(shù)、健康評(píng)估、古樹(shù)衰老的生理學(xué)特征研究等方面，但古樹(shù)扦插的研究報(bào)道也逐漸增多。因此，本文在古樹(shù)保護(hù)價(jià)值的基礎(chǔ)上，概述古樹(shù)扦插繁殖研究進(jìn)展情況，以期為今后古樹(shù)復(fù)壯與保護(hù)以及不定根發(fā)生機(jī)理研究提供參考。

古樹(shù)保護(hù)價(jià)值

古樹(shù)的歷史文化價(jià)值主要表現(xiàn)在它所承載的民族文化和記錄的歷史事實(shí)等方面，是歷史長(zhǎng)河的見(jiàn)證，民族文化的積淀。例如，我國(guó)有軒轅柏、掛甲柏、秦檜、漢槐、隋梅、唐杏之說(shuō)。古樹(shù)記錄著周?chē)h(huán)境變遷的信息，它的年輪結(jié)構(gòu)，就像一面歷史的明鏡，向人們展示著漫長(zhǎng)歲月中氣候、水文、地質(zhì)、地理、生物、生態(tài)等的變化情況。例如，通過(guò)古樹(shù)年輪的寬窄和結(jié)構(gòu)能夠推算出其所在地區(qū)的氣候以及地質(zhì)的變化。這在植物生態(tài)學(xué)和生物氣象學(xué)等方面有很高的研究?jī)r(jià)值。

珍貴物種基因有著不可估量的作用，與人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展息息相關(guān)。古樹(shù)基因圖譜具有特殊性，其中抗衰老、抗蟲(chóng)、抗病等有價(jià)值的基因，是植物遺傳改良的重要材料，已成為一座優(yōu)良種源基因?qū)殠?kù)。

古樹(shù)是皇家陵園、名勝古跡的特色之一，它們莊重自然、蒼勁古雅、姿態(tài)奇特，把祖國(guó)的山川湖海裝點(diǎn)得更加莊嚴(yán)秀麗。經(jīng)過(guò)千百年的風(fēng)雨雕刻的古樹(shù)，常有著蒼勁外觀(guān)和古樸的形態(tài)，可作為城市綠化的重要素材。

古樹(shù)扦插生根過(guò)程

古樹(shù)繁殖中，不定根的形成是一個(gè)復(fù)雜的發(fā)育過(guò)程，可以分根原基的啟動(dòng)和誘導(dǎo)、不定根的形成和不定根的生長(zhǎng)發(fā)育3個(gè)階段，如圖1。根原基的啟動(dòng)和誘導(dǎo)階段：在生長(zhǎng)素的誘導(dǎo)下分生組織細(xì)胞分化形成不定根原基的初始細(xì)胞群，它具有細(xì)胞核大、細(xì)胞質(zhì)濃、排列緊密的特點(diǎn)。形成階段：根原基初始細(xì)胞不斷分裂，其頂端形成穹頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)，皮層細(xì)胞程序化死亡從而使不定根原基穿過(guò)皮層、表皮，形成不定根。生長(zhǎng)發(fā)育階段：不定根伸出表皮繼續(xù)生長(zhǎng)，前期呈白色、較為脆弱，移苗容易損傷。從組織結(jié)構(gòu)解剖學(xué)角度看，古樹(shù)插穗解剖結(jié)構(gòu)與生根關(guān)系密切，如皮層中存在環(huán)狀厚壁組織時(shí)，受到物理限制較大，所以較難形成不定根。樹(shù)木的幼年組織功能更旺盛，根原基啟動(dòng)階段更容易，突破表皮受到的物理限制更少。林木自身的遺傳性狀是扦插生根難易的重要因素，古樹(shù)能夠歷經(jīng)百年洗禮與其自身的遺傳性狀密不可分，其莖段結(jié)構(gòu)有良好的韌性，同時(shí)也是形成不定根較為困難的原因之一。

圖1 側(cè)柏和銀杏扦插生根觀(guān)察及不定根的形成過(guò)程模式圖

影響古樹(shù)扦插生根的因素

古樹(shù)無(wú)性繁殖困難，主要是因?yàn)椴欢ǜ纬赡芰εc年齡、成熟度成負(fù)相關(guān)關(guān)系。

隨著年齡的增長(zhǎng)，古樹(shù)在分生細(xì)胞活性、愈傷組織的誘導(dǎo)和生長(zhǎng)、內(nèi)源激素水平、礦質(zhì)元素吸收等方面表現(xiàn)出衰老的生理特征，而這同樣影響著古樹(shù)扦插不定根的形成，如圖2。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞能否成功誘導(dǎo)不定根發(fā)生、如何提高生根率等方面進(jìn)行了大量的研究，但關(guān)于古樹(shù)不定根發(fā)生機(jī)理的研究相對(duì)較少。

圖2 影響古樹(shù)不定根形成的因素

古樹(shù)衰老對(duì)分生細(xì)胞的活性和細(xì)胞生長(zhǎng)速度的影響不容忽視，而不定根的形成是一個(gè)再分化的過(guò)程，與分生細(xì)胞和分裂細(xì)胞的活性密切相關(guān)。古樹(shù)的生長(zhǎng)主要由于分生組織細(xì)胞的季節(jié)活動(dòng)，但生長(zhǎng)速度隨著古樹(shù)年齡的增長(zhǎng)而發(fā)生變化。分生組織細(xì)胞分裂、伸長(zhǎng)、細(xì)胞壁形成、代謝過(guò)程，會(huì)受到衰老的影響，形成層細(xì)胞的敏感性隨著樹(shù)齡的增長(zhǎng)而下降。這說(shuō)明，古樹(shù)衰老導(dǎo)致了分生細(xì)胞的活性降低，造成了古樹(shù)不定根分化困難。

分生能力古樹(shù)不定根的分化與愈傷組織形成率密不可分。大多數(shù)林木樹(shù)種，愈傷組織的形成和不定根的產(chǎn)生是彼此獨(dú)立的，不定根由形成層、維管薄壁細(xì)胞等母細(xì)胞直接分化形成，即沒(méi)有通過(guò)誘導(dǎo)愈傷組織形成不定根。愈傷組織與根系的形成沒(méi)有直接關(guān)系，其主要功能可能是防止病原菌的侵入和插條中有效物質(zhì)的流失，并作為營(yíng)養(yǎng)和水分運(yùn)輸?shù)臉蛄?。但也有研究表明，老化愈傷組織含有較高的細(xì)胞分裂素，而生長(zhǎng)素含量卻很低，導(dǎo)致過(guò)度形成愈傷組織占用插穗基部的營(yíng)養(yǎng)資源，抑制不定根的形成。

生長(zhǎng)素植物激素與植物的生長(zhǎng)、發(fā)育和衰老之間有復(fù)雜的關(guān)系。其中，生長(zhǎng)素依然被認(rèn)為是影響不定根發(fā)生的主要因素。許多學(xué)者認(rèn)為，在植物再生過(guò)程中成熟組織或生根能力較低組織對(duì)生長(zhǎng)素的響應(yīng)可能會(huì)比幼嫩組織更差一些，即生長(zhǎng)素生物合成和感知能力降低可能是隨著樹(shù)齡越大不定根發(fā)生越困難的主要原因之一。

不定根形成是響應(yīng)外界各種因素刺激的結(jié)果，剪切、脅迫、激素處理等造成生長(zhǎng)素極性運(yùn)輸中斷，導(dǎo)致吲哚-3-乙酸在其莖基部積累，被認(rèn)為是誘導(dǎo)根原基的必要條件。施加外源激素會(huì)促進(jìn)不定根的形成，但是不同激素在植物體內(nèi)發(fā)生作用的機(jī)制不同。母樹(shù)年齡是影響扦插生根的重要因素，隨著年齡的增加，IAA含量越來(lái)越低，ABA含量越來(lái)越高，IAA促進(jìn)生根，ABA抑制生根，IAA/ABA的比值可以用來(lái)衡量枝條的生根能力。在翅果油樹(shù)的扦插研究中同樣發(fā)現(xiàn)，母樹(shù)年齡與插條生根率呈極顯著的線(xiàn)性負(fù)相關(guān)關(guān)系，而且隨著母樹(shù)年齡的增加，插條的生長(zhǎng)素、玉米索及赤霉素含量有明顯下降趨勢(shì)，而脫落酸的含量上升。IAA作為植物內(nèi)源生長(zhǎng)素對(duì)不定根的形成和生長(zhǎng)起著關(guān)鍵的調(diào)控誘導(dǎo)作用：在根分生組織形成之前需要較高濃度，但在根伸長(zhǎng)時(shí)相對(duì)較低的濃度，原因是在不定根發(fā)生的第一階段期生長(zhǎng)素可作為誘導(dǎo)，但卻抑制不定根的后期發(fā)育。因此生長(zhǎng)素與古樹(shù)不定根形成密切相關(guān)。

碳氮含量碳氮化合物不僅能夠提供能量，還可以作為結(jié)構(gòu)和存儲(chǔ)化合物、滲透調(diào)節(jié)劑。非結(jié)構(gòu)碳水化合物是參與植株生命代謝的重要能量物質(zhì)（如葡萄糖、果糖、蔗糖、果聚糖、淀粉），是維持植物自身生長(zhǎng)發(fā)育及響應(yīng)環(huán)境調(diào)控的重要因子。古樹(shù)年齡成熟度較高，其枝條中的碳水化合物含量相對(duì)較少。有研究表明，高齡銀杏葉片中有11個(gè)與光合作用、蛋白質(zhì)及氨基酸代謝有關(guān)上調(diào)表達(dá)的蛋白，有8個(gè)與植物的能量及碳水化合物代謝相關(guān)的蛋白下調(diào)表達(dá)?？扇苄蕴穷?lèi)和淀粉與不定根發(fā)育的關(guān)系復(fù)雜，而含氮化合物在一定范圍內(nèi)與扦插生根存在顯著關(guān)系，如氮含量過(guò)高可能抑制插穗生根。碳/氮值（C/N）是判斷生根難易的一個(gè)重要生理指標(biāo)。研究認(rèn)為， C/N比值高的插穗容易生根。可見(jiàn)插條內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)水平對(duì)于不定根發(fā)生有重要意義。此外，“糖信號(hào)”在國(guó)際上已成為植物學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)，能夠誘導(dǎo)或抑制影響植物發(fā)育和生長(zhǎng)過(guò)程中的各種基因，但是否參與不定根的發(fā)生目前還沒(méi)見(jiàn)報(bào)道。古樹(shù)衰老與碳氮有著密切的聯(lián)系，碳氮又是不定根形成的重要因素。

礦質(zhì)元素外部環(huán)境因素對(duì)古樹(shù)的生長(zhǎng)和衰老起著關(guān)鍵的作用，古樹(shù)在固定的環(huán)境內(nèi)生長(zhǎng)數(shù)百年，土壤中及自身的礦質(zhì)元素的不足會(huì)影響古樹(shù)的生理狀態(tài)。礦質(zhì)元素水平可能是影響古樹(shù)不定根再生能力的一個(gè)重要因素，但影響機(jī)理尚不清楚。有研究表明，雪松針葉中Mg和S元素隨著年齡增加有減少的趨勢(shì)；衰弱的白皮松針葉中Mg、Fe、Zn元素缺失嚴(yán)重；古槐樹(shù)葉片中N、P、Mg元素含量明顯低于幼槐；香樟古樹(shù)葉片中N、P、K營(yíng)養(yǎng)元素含量明顯低于年幼香樟。Fe元素在不定根的發(fā)育過(guò)程中起到了重要的作用，能夠促進(jìn)不定根原基中的細(xì)胞分裂而提高生根率。雖然特定礦質(zhì)元素的局部感應(yīng)具體的分子機(jī)制還有待完全闡明，但有研究表明，植物激素，特別是生長(zhǎng)素，作為營(yíng)養(yǎng)依賴(lài)性修飾中的信號(hào)調(diào)控不定根的形成。礦質(zhì)元素在古樹(shù)衰老和不定根的形成中如何發(fā)揮作用還需深入的探討。

展望

古樹(shù)再生可以很好地保存其遺傳資源，但古樹(shù)不定根生發(fā)困難，這是一個(gè)世界性的難題。不定根的生發(fā)是脫分化和再分化的過(guò)程，涉及外源信號(hào)感知與內(nèi)外信號(hào)級(jí)聯(lián)耦合，影響因素涉及遺傳特性、古樹(shù)年齡、內(nèi)源激素和外源激素、營(yíng)養(yǎng)條件等。目前，從解剖學(xué)、生理、生化水平逐漸發(fā)展到基因和蛋白水平來(lái)解析不定根的形成機(jī)制，但對(duì)于古樹(shù)生根機(jī)制的研究還很少。因此，結(jié)合本課題組近十年來(lái)在古樹(shù)扦插研究方面的經(jīng)驗(yàn)，我們認(rèn)為，古樹(shù)無(wú)性繁殖方面應(yīng)關(guān)注以下幾個(gè)方面：第一，建立古樹(shù)資源嫁接采穗圃，為扦插繁殖研究提供相對(duì)一致的材料；第二，隨著年齡增長(zhǎng)，扦插生根與內(nèi)源激素（尤其是生長(zhǎng)素）、次生代謝物積累的關(guān)系；第三，扦插生根過(guò)程中解剖結(jié)構(gòu)變化及愈傷組織過(guò)量產(chǎn)生與不定根發(fā)生的關(guān)系；第四，古樹(shù)扦插繁殖技術(shù)體系的優(yōu)化和建立。對(duì)這個(gè)問(wèn)題的研究，不僅可為古樹(shù)資源收集與保護(hù)、扦插生根機(jī)制的研究提供理論基礎(chǔ)，也可為助力文化旅游與鄉(xiāng)村振興提供技術(shù)支撐。