植物嫁接融合過程中砧木對(duì)接穗的影響研究進(jìn)展

鄒 薛，徐 艷，鄭炳松，閆道良

(浙江農(nóng)林大學(xué)省部共建亞熱帶森林培育國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江杭州 311300)

嫁接是利用植物受傷后能夠自我修復(fù)傷口的原理，將接穗的枝條或者芽嫁接到砧木的根或者莖上，使砧、穗兩個(gè)創(chuàng)面的形成層相吻合，進(jìn)而通過細(xì)胞增生，形成新的維管組織，最后長成一個(gè)完整植株的育種方法，是一項(xiàng)在農(nóng)業(yè)中被廣泛應(yīng)用的生產(chǎn)技術(shù)。嫁接能夠保持接穗固有的優(yōu)良性狀，在蔬菜(黃瓜、番茄、南瓜、冬瓜、絲瓜等)、觀賞園藝(月季、芍藥、玫瑰、菊花等)和果樹(蘋果、李、櫻桃、梨、柿、柑橘等)[1]上均獲得了廣泛的應(yīng)用。通過嫁接多年生園藝樹種，可減少營養(yǎng)生長并縮短幼年期。同時(shí)，嫁接可以矮化樹結(jié)構(gòu)，以增加單位面積的種植密度，從而提高生產(chǎn)力。砧木的選擇對(duì)于培育優(yōu)良嫁接體植株十分重要，因此，嫁接成活的關(guān)鍵點(diǎn)就是選擇與砧木具有良好親和力的接穗?？傊?，砧木和接穗之間的相互作用有著十分復(fù)雜的生理生化和分子機(jī)制。該研究從水分代謝和酶活性、礦質(zhì)營養(yǎng)代謝、內(nèi)源激素影響和相關(guān)基因表達(dá)等方面綜述了砧木對(duì)接穗影響的研究現(xiàn)狀，為進(jìn)一步深入研究嫁接成活機(jī)理及更好地應(yīng)用嫁接技術(shù)提供參考。

1 砧木對(duì)接穗水分代謝和酶活性的影響

植物體生長不可或缺的就是植物體內(nèi)的水分，砧、穗互作的內(nèi)在效應(yīng)使不同的砧、穗組合在水分輸導(dǎo)能力上存在差異，進(jìn)而整個(gè)植物體的營養(yǎng)生長都受到影響，這種影響在蘋果矮化樹中表現(xiàn)更為明顯。研究發(fā)現(xiàn)，在相同的水分條件下，喬化樹跟矮化樹相比，喬化樹的葉比導(dǎo)水率(葉比導(dǎo)水率為導(dǎo)水率與本枝條所有葉片面積的比值)更高，矮化樹葉比導(dǎo)水率比較低。Atkinson等[2]的研究結(jié)果表明，嫁接區(qū)域水分阻力占整個(gè)植株水分阻力的2.09%～6.60%，并認(rèn)為嫁接區(qū)域水分阻力并不是整個(gè)植株水分阻力的主要來源，整個(gè)植株水分阻力來源取決于砧木根系。砧木能通過一系列的活動(dòng)變化對(duì)接穗的水分代謝產(chǎn)生一定的影響。徐美隆等[3]以山葡萄為砧木嫁接“黑比諾”，與“黑比諾”自接苗相比顯著提高了“黑比諾”接穗葉片的含水量，嫁接苗的耐旱性得到改善。另外，在對(duì)一些蘋果、柑橘等的研究中也發(fā)現(xiàn)砧木可以通過調(diào)節(jié)植物體內(nèi)的水分來影響接穗的生長發(fā)育，如綦偉等[4]的研究結(jié)果表明，嫁接植株的抗旱性主要是由砧木所決定的，地下部的水分吸收會(huì)影響地上部的水分吸收。

由于嫁接使得植物承受巨大的壓力，植物受到外界刺激和創(chuàng)傷后會(huì)發(fā)生很多反應(yīng)，比如會(huì)有活性氧(ROS)的產(chǎn)生，某些抗逆性的基因上調(diào)，酶和其他化學(xué)物質(zhì)的合成積累等，而這些物質(zhì)的增加也會(huì)刺激砧、穗傷口處愈傷組織的形成。嫁接過程中酶的活性會(huì)發(fā)生變化，陳晨[5]在嫁接的番茄葉片和果實(shí)中發(fā)現(xiàn)谷氨酸合成酶活性、植物氮含量顯著比自根苗高，說明嫁接通過影響酶活性、植物氮代謝，從而提高吸收利用無機(jī)氮的效率，促進(jìn)番茄體內(nèi)氮同化及有機(jī)氮的合成。劉夢夢等[6]的研究也表明，以本砧嫁接的砂糖橘過氧化物酶(POD)活性最高，香橙和酸橘砧木次之，而以其他品種為砧木的砂糖橘POD活性較小，并且明顯比本砧砂糖橘低。并且同時(shí)發(fā)現(xiàn)以枸頭橙為砧木的砂糖橘生長素氧化酶(IOD)活性最高。同樣，翟晨等[7]對(duì)8種抗性砧木與“赤霞珠”組合，研究接穗葉片中相關(guān)酶活性代謝的變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)抗性砧木能顯著提高葡萄接穗葉片代謝酶肉桂酸酶-4-羥化酶(C4H)、4-香豆-輔酶A連接酶(4CL)活性。G?kbayrak等[8]對(duì)15個(gè)葡萄(Vitisvinifera)品種和12個(gè)美國砧木嫁接中3個(gè)同工酶系統(tǒng)(過氧化物酶、酯酶、酸性磷酸酶)和總蛋白脯氨酸研究發(fā)現(xiàn)，不同品種砧木組合間存在不親和性，品種和砧木組合的酸性磷酸酶和總蛋白含量可用于預(yù)測嫁接不親和性。Kazaliev等[9]研究得出，嫁接后的不親和性與過氧化物酶活性和總酚有關(guān)，而通過砧、穗之間的蛋白質(zhì)譜分析，砧、穗間的相容性也可以被預(yù)測。

2 砧木對(duì)接穗礦質(zhì)營養(yǎng)代謝的影響

礦質(zhì)元素對(duì)于植物體內(nèi)正常生長發(fā)育十分重要。砧木的根系在很大程度上影響接穗礦質(zhì)營養(yǎng)的吸收，如不同蘋果品種嫁接時(shí)，其中“紅冠”“紅玉”種類嫁接到喬木砧上，其N、Mg含量比接在矮化砧的果樹高，而P、Ca比接在矮化砧的果樹上低。砧、穗互作會(huì)影響嫁接體內(nèi)水分運(yùn)輸，也勢必影響溶解在其中的礦質(zhì)營養(yǎng)的運(yùn)輸與分配。季新月等[10]對(duì)油橄欖嫁接中研究發(fā)現(xiàn)，以油橄欖砧木“田園一號(hào)”嫁接“阿波桑娜”，嫁接樹葉片中N、Mg、Ca、Mn含量顯著得到提高。氮元素對(duì)于植物生長十分重要，Ruiz等[11]在煙草研究中發(fā)現(xiàn)砧木對(duì)氮素利用效率會(huì)影響接穗的氮素利用效率。另外，砧木控制樹體生長，部分是通過砧木對(duì)營養(yǎng)的吸收，從而影響接穗的營養(yǎng)狀況來實(shí)現(xiàn)的。砧、穗復(fù)合體的耐鹽性主要取決于砧木，而不是接穗。王海寧等[12]研究表明，砧木能夠調(diào)控一些離子吸收和向地上部運(yùn)輸進(jìn)而改變接穗地上部的礦質(zhì)營養(yǎng)水平及抗逆性。嫁接苗的地下部分對(duì)Na+、K+向上運(yùn)輸具有選擇性，通過減少地上部分的Na+含量和Na+/K+比值提高接穗的耐鹽性[13]。Niu等[14]已證明南瓜屬砧木通過從接穗葉片葉肉細(xì)胞中排除Na+，并將其隔離在葉脈中，將K+保留在葉肉細(xì)胞中以及通過早期脫落酸(ABA)誘導(dǎo)提高了接穗對(duì)鹽脅迫的耐受性。但是也有一些特例，砧木的耐鹽性也會(huì)受接穗的影響。郭學(xué)民等[15]研究發(fā)現(xiàn)，以毛桃(Prunuspersica)為砧木，“21世紀(jì)”桃為接穗進(jìn)行嫁接，發(fā)現(xiàn)砧木由于根系導(dǎo)管分子的類型與直徑受接穗影響而發(fā)生改變，進(jìn)而導(dǎo)致砧木吸收礦質(zhì)營養(yǎng)和運(yùn)輸都受到影響。嫁接過程中由于砧、穗互作從而導(dǎo)致礦質(zhì)元素的流動(dòng)，進(jìn)而改變砧、穗復(fù)合體的性狀表現(xiàn)。Edelstein等[16]在蔬菜研究中發(fā)現(xiàn)嫁接影響礦質(zhì)元素吸收和運(yùn)輸?shù)臋C(jī)制也受砧木基因型或砧木-接穗相互作用的控制，這可以提高嫁接蔬菜對(duì)高/低礦質(zhì)元素水平的耐受性。因此，選擇合適的砧木與接穗進(jìn)行嫁接組合是克服有毒重金屬影響的策略之一。然而，目前還需要進(jìn)一步的試驗(yàn)來鑒定調(diào)節(jié)嫁接蔬菜中有毒離子的吸收、排除和運(yùn)輸?shù)幕蚝偷鞍踪|(zhì)。

3 砧木對(duì)接穗內(nèi)源激素的影響

植物激素調(diào)節(jié)著植物個(gè)體發(fā)育的整個(gè)過程，調(diào)節(jié)砧木與接穗結(jié)合部位發(fā)生的生理過程。經(jīng)過轉(zhuǎn)基因以改變長距離信號(hào)分子(如激素)的砧木可以影響接穗的表型[17]。研究表明，植株的性狀表達(dá)均受赤霉素、生長素、脫落酸等內(nèi)源激素的影響，而砧木會(huì)影響嫁接種類中內(nèi)源激素的代謝水平，從而影響其嫁接植物的生長發(fā)育。比如植物激素通過含量的變化促進(jìn)植物抵御嫁接引起的脅迫，從而去適應(yīng)植物發(fā)育的各個(gè)方面以及對(duì)生物和非生物的脅迫反應(yīng)。Ghanem等[18]的研究表明，在番茄砧木中過度表達(dá)且對(duì)細(xì)胞分裂素生物合成起到關(guān)鍵作用的異戊烯基轉(zhuǎn)移酶(IPT)能夠增加接穗的細(xì)胞分裂素含量，從而整個(gè)嫁接體對(duì)鹽度脅迫的抗性增強(qiáng)。Tworkoski等[19]研究表明，在某些情況下，蘋果砧木可以改變接穗中赤霉素的濃度，調(diào)控植物體的生長發(fā)育。閆樹堂等[20]研究發(fā)現(xiàn)，不同的矮化砧木可能通過影響植物復(fù)合體內(nèi)幾種內(nèi)源激素(IAA、GA3、ZR)含量影響花芽質(zhì)量和果實(shí)大小。除此之外，砧木和接穗互作過程中嫁接體會(huì)出現(xiàn)非生物脅迫狀況，包括受傷，能夠觸發(fā)ABA的積累。IAA、CKs和JA在砧木和接穗之間存在極性運(yùn)輸，例如，郭華軍[13]研究發(fā)現(xiàn)，正常番茄接穗的葉片感知到的紅光激活了IAA的合成，該合成物向下運(yùn)輸并促進(jìn)了非根系(diageotropica，DGT)突變體，砧木的側(cè)根正常發(fā)育，而側(cè)枝的器官發(fā)生被抑制。另外在滲透脅迫下，嫁接植物棉花砧木根部誘導(dǎo)接穗葉片合成大量的JA并將其轉(zhuǎn)運(yùn)到根部，增加了砧木根部中PIP蛋白的含量，從而增強(qiáng)了其砧、穗復(fù)合體的吸水能力。此外，JA的生物合成是由接穗葉片損傷引起的，該損傷導(dǎo)致了JA從接穗到砧木的轉(zhuǎn)運(yùn)；相反，可將內(nèi)酯(CL)從砧木上移到接穗，然后在接穗中轉(zhuǎn)化為活性內(nèi)酯(SL)。還有番茄砧木中的ABA可以向上運(yùn)輸以調(diào)節(jié)接穗的氣孔關(guān)閉。除此之外，在干旱脅迫下，GA可能產(chǎn)生于番茄的砧木和接穗。

4 砧木對(duì)接穗遺傳物質(zhì)的調(diào)控

嫁接過程中除了一些小分子如水、氨基酸和激素外，還有一些大分子，如mRNAs、蛋白質(zhì)這些遺傳物質(zhì)在砧、穗間進(jìn)行傳遞交流，引起遺傳物質(zhì)的改變?？缃狱c(diǎn)的mRNA和小RNA傳輸目前正在成為控制種群/接穗通訊的重要機(jī)制，同時(shí)可能在植物移植的生理過程中起著至關(guān)重要的作用。早在1970年，Kollmann等[21]研究發(fā)現(xiàn)，大量的蛋白質(zhì)和RNA大分子存在于植物的韌皮部中，并且在后續(xù)的研究中也發(fā)現(xiàn)在植物韌皮部有許多內(nèi)源蛋白和RNA分子調(diào)控著植物新陳代謝等過程。Kim等[22]在番茄嫁接試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，砧木中特異性表達(dá)的一種mRNA長距離轉(zhuǎn)移至接穗，從而導(dǎo)致接穗葉形向砧木葉形變異。在梨嫁接體中發(fā)現(xiàn)PbwoxT1mRNA可以通過韌皮部遠(yuǎn)距離傳遞，并對(duì)樹形發(fā)育、樹勢平衡進(jìn)行調(diào)控。近年來，研究者們已獲取了葡萄、蘋果、柑橘等果樹的韌皮部轉(zhuǎn)錄組信息，數(shù)據(jù)表明果樹韌皮部內(nèi)存在眾多參與各個(gè)生理過程的mRNA，還存在許多非編碼RNA。它們的功能涉及植物營養(yǎng)代謝、激素、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、脅迫反應(yīng)等調(diào)控過程，并發(fā)現(xiàn)了一些miRNA可能影響嫁接親和性。目前的研究發(fā)現(xiàn)，長距離運(yùn)輸RNA分子可作為系統(tǒng)信號(hào)分子介導(dǎo)果樹生長發(fā)育的調(diào)控，如GAI mRNA在嫁接后可長距離運(yùn)輸并可以引起蘋果、梨等的葉片表型及接穗性狀改變。

在嫁接過程中除了一些編碼蛋白質(zhì)外，還有一些非編碼蛋白質(zhì)(比如miRNA、siRNA等)。這些非編碼蛋白質(zhì)通過嫁接可以進(jìn)行長距離運(yùn)輸，進(jìn)而調(diào)控接穗植株的性狀。比如Bhogale等[23]的研究發(fā)現(xiàn)，控制馬鈴薯塊莖形成的非編碼mRNA分子，如mi-RNA172通過嫁接中砧、穗互作部位，進(jìn)行長距離運(yùn)輸，通過調(diào)節(jié)控制塊莖發(fā)育的基因的表達(dá)，進(jìn)而促進(jìn)塊莖膨大。這些miRNA分子能夠響應(yīng)砧、穗互作過程中各種生理活動(dòng)，通過調(diào)控一些植物靶基因和相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)調(diào)控植物生長發(fā)育過程。miRNAs在砧木與接穗之間單向運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育。Thieme等[24]研究發(fā)現(xiàn)，大量的miRNA在特定組織中移動(dòng)，從而調(diào)節(jié)植物組織發(fā)育。miRNA作為信號(hào)分子，控制著嫁接植物花、葉片形狀等性狀，Corbesier等[25]研究發(fā)現(xiàn)，一些嫁接植物開花機(jī)制受到miRNA調(diào)控。植物地上部可通過韌皮部miR399的長距離移動(dòng)調(diào)控地下部無機(jī)磷酸鹽(Pi)響應(yīng)關(guān)鍵因子PHO2的表達(dá)，從而對(duì)環(huán)境中的Pi水平做出響應(yīng)。在此基礎(chǔ)上，有學(xué)者建議在不改變接穗(砧木)基因的情況下，通過改造砧木(接穗)，利用砧、穗間遠(yuǎn)程信號(hào)的調(diào)控，來獲取所需要的農(nóng)藝性狀。

另外，在植物嫁接過程中，砧木和接穗中一些物質(zhì)相互運(yùn)動(dòng)能夠形成自我保護(hù)，比如Waterhouse等[26]研究表明，siRNA在嫁接時(shí)的販運(yùn)，它誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后水平的基因沉默，以觸發(fā)植物對(duì)病毒的適應(yīng)和防御。Molnar等[27]在擬南芥研究中發(fā)現(xiàn)，從接穗到砧木有24個(gè)核苷酸sRNAs移動(dòng)，并且介導(dǎo)DNA甲基化，并指導(dǎo)受傷細(xì)胞的表觀遺傳修飾。長距離傳遞的信號(hào)物質(zhì)在植物砧木抵抗病害以及調(diào)控植株發(fā)育等方面也可能起到重要的作用，如聚半乳糖醛酸酶抑制蛋白(PGIPs)在細(xì)胞壁中起防御作用，葡萄接穗嫁接到轉(zhuǎn)pPGIP基因砧木，可以檢測到PGIP，表明PGIP在嫁接過程中具有移動(dòng)功能。

綜上所述，砧木和接穗之間通過嫁接能夠形成完整的維管組織，并在嫁接植物體生長發(fā)育中，存在于韌皮部中的蛋白質(zhì)、mRNA、miRNA等一些大分子會(huì)選擇性的從伴胞經(jīng)胞間連絲到篩管，并在砧木和接穗之間進(jìn)行長距離運(yùn)輸?shù)较鄳?yīng)的靶細(xì)胞進(jìn)行調(diào)控相關(guān)基因的表達(dá)，來調(diào)控植物器官發(fā)育。這些研究成果對(duì)嫁接植物生長發(fā)育的機(jī)制研究具有重要的推動(dòng)作用。

5 展望

研究砧、穗互作對(duì)于植物包括果樹和蔬菜的影響，有助于更好地培育新品種，為砧木育種和實(shí)踐上的應(yīng)用提供更多的學(xué)習(xí)和參考依據(jù)。由于砧、穗之間的組合多樣化，目前關(guān)于砧、穗互作機(jī)制還需要進(jìn)一步根據(jù)植物種類加深研究。從對(duì)于蘋果等果木的研究中可以看出，砧、穗互作中內(nèi)源激素的作用機(jī)制研究的比較少，內(nèi)源激素不僅影響植物生長發(fā)育，而且對(duì)砧木和接穗的表型變化起到調(diào)節(jié)作用。由于從生長、生理角度研究存在太多的不確定性，所以可以轉(zhuǎn)換研究思路，借助一些生化和分子手段開展研究，激素合成酶和相關(guān)信號(hào)調(diào)控因子在砧、穗互作中的表達(dá)變化是值得考慮的。

另外，研究砧、穗互作的機(jī)制，可以應(yīng)用在水果、蔬菜的培育生產(chǎn)上：①如果可以對(duì)砧木進(jìn)行改良，使其變成轉(zhuǎn)基因植株，轉(zhuǎn)基因植株只在砧木中進(jìn)行表達(dá)，并且對(duì)接穗不會(huì)產(chǎn)生影響，接穗仍然用野生植株，砧木則用轉(zhuǎn)基因植株，通過嫁接手段，這樣得到的植株不僅能嫁接出能為人類所用的植株，同時(shí)還可以消除消費(fèi)者的安全疑慮，并且對(duì)環(huán)境友好，是一種可持續(xù)發(fā)展的生產(chǎn)方式，是值得深入研究的方向。②有很多研究表明，在果蔬作物育種中，砧木和接穗嫁接，可以顯著提高接穗光合作用的能力，并且能提高整個(gè)完整植株的產(chǎn)量，這在果蔬生產(chǎn)中是具有很高的效益。③在嫁接過程中，砧、穗互作中引起遺傳信息發(fā)生改變，引起遺傳變異，這可以提供一個(gè)思路，在植物育種中具有很大的利用價(jià)值，但目前關(guān)于嫁接引起遺傳變異的機(jī)理的研究并不是十分清楚，關(guān)于一些非編碼蛋白質(zhì)在砧、穗間長距離運(yùn)輸以及運(yùn)輸?shù)教囟ǖ陌悬c(diǎn)的功能和作用機(jī)理有待深入研究。