蔬菜嫁接愈合過程及其光環(huán)境調(diào)控機(jī)制研究進(jìn)展

范玉龍，李興群，宋金修,2*，李雨竹，黃 鑫，莫吾乙

（1.江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.江蘇大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

設(shè)施蔬菜育苗是蔬菜生產(chǎn)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，工廠化育苗現(xiàn)已成為我國種苗生產(chǎn)的主要方式。因反季節(jié)生產(chǎn)或土壤連作障礙，設(shè)施蔬菜常出現(xiàn)生理性病害或土傳病害，嚴(yán)重影響了蔬菜的產(chǎn)量和品質(zhì)。嫁接育苗可以有效增強(qiáng)蔬菜抗逆性，提高蔬菜的產(chǎn)量和品質(zhì)。在設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)的荷蘭，番茄嫁接苗已占到蔬菜育苗量的95%以上，而我國嫁接苗僅占1%，與發(fā)達(dá)國家相比還有很大的差距。在嫁接育苗過程中，影響嫁接苗質(zhì)量的主要因素包括砧木與接穗之間的親和性、苗齡和愈合期環(huán)境等。有研究表明，適宜的嫁接愈合環(huán)境可以有效提高嫁接苗的愈合速率，縮短愈合時(shí)間。

光是植物生長發(fā)育的原初動(dòng)力，參與到植物光合作用、光形態(tài)建成、物質(zhì)和能量代謝等過程。有研究顯示，光照可以通過調(diào)控植物內(nèi)源激素合成、愈傷組織再生和維管組織連接來影響嫁接苗的質(zhì)量，但具體的作用機(jī)制還不是十分清楚，尤其關(guān)于愈合期日累計(jì)光照量（Daily Light Intergral，DLI）對嫁接苗愈合過程影響的研究較少。另外，在嫁接苗愈合期，紅、藍(lán)光對調(diào)節(jié)嫁接苗愈合具有重要作用，但LED紅藍(lán)光配比、綠光和遠(yuǎn)紅光等的光質(zhì)組分需求也不是十分明確，劉文科等提出的基于光配方的光環(huán)境動(dòng)態(tài)調(diào)控技術(shù)還無法在嫁接苗愈合期實(shí)現(xiàn)。因此，如何實(shí)現(xiàn)可控環(huán)境下蔬菜嫁接苗愈合光環(huán)境調(diào)控技術(shù)的研究對培育壯苗、降低植物工廠系統(tǒng)能耗具有重要意義。

1 砧木接穗嫁接切面愈合機(jī)制研究

1.1 嫁接愈合的形態(tài)學(xué)進(jìn)程

嫁接育苗是設(shè)施蔬菜栽培的重要環(huán)節(jié)，已被廣泛應(yīng)用于設(shè)施蔬菜的抗病促產(chǎn)上。嫁接可以顯著增強(qiáng)蔬菜根系的水肥吸收能力，提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量，改善品質(zhì)，增強(qiáng)蔬菜對不良環(huán)境的抗逆性。常規(guī)的嫁接方法有靠接法、插接法（頂插接）、貼接法、劈接法和斷根嫁接法。各種嫁接方法所適用的蔬菜種類不同，但嫁接成活過程基本相同。親和嫁接愈合過程通?？煞譃?個(gè)階段：砧木與接穗之間隔離層出現(xiàn)、愈傷組織形成與分化、維管組織連接。非親和嫁接體因病原微生物、遺傳特性和外界環(huán)境條件不同，嫁接愈合過程略有差異。嫁接前期，由于嫁接切口創(chuàng)傷，在嫁接切面形成由受損細(xì)胞殘留物質(zhì)組成的致密性隔離層結(jié)構(gòu)和蠟質(zhì)物質(zhì)，以防止物質(zhì)外滲和外界微生物侵染；隔離層附近薄壁細(xì)胞經(jīng)過脫分化恢復(fù)分裂能力，形成軸向生長的愈傷組織，并吸收隔離層的壞死細(xì)胞成分；隨著隔離層的消失，愈傷組織進(jìn)行增殖和再分化，在接穗和砧木之間形成新的功能性維管組織，即嫁接愈合過程結(jié)束。

有研究發(fā)現(xiàn)，溫室番茄嫁接苗愈傷組織分化出現(xiàn)在嫁接后6 d，嫁接后12 d切面隔離層消失，21 d后維管組織開始連接；而拱棚中黃瓜嫁接隔離層的形成發(fā)生在嫁接后2 d，4 d后出現(xiàn)愈傷組織，6 d后愈傷組織分裂抱合，8 d后維管組織連接，12 d后形成新的維管束。由于外界環(huán)境條件和嫁接體親和性的不同，植物嫁接愈合各過程的時(shí)間階段不同。同種植物嫁接愈合的形態(tài)學(xué)過程也有較大爭議，例如，Yin等研究發(fā)現(xiàn)擬南芥嫁接后3 d，嫁接切面的木質(zhì)部和韌皮部已經(jīng)形成大量的維管組織，而Melnyk等發(fā)現(xiàn)，擬南芥首先完成韌皮部重連，在嫁接后7 d才完成木質(zhì)部重連。

1.2 嫁接愈合的生理生化機(jī)制

嫁接愈合伴隨著復(fù)雜的生理生化過程，并產(chǎn)生大量代謝產(chǎn)物，進(jìn)而影響到嫁接體的成活。在切面愈合過程中，參與衰老、激素分泌和愈合關(guān)鍵酶表達(dá)的基因上調(diào)，以促進(jìn)薄壁細(xì)胞脫分化、細(xì)胞間信號傳導(dǎo)和維管組織連接。

激素主要通過影響切面愈傷組織生長和分化調(diào)控砧木與接穗的愈合過程，例如，高濃度的生長素（IAA）可以誘導(dǎo)形成層恢復(fù)和薄壁細(xì)胞脫分化，促進(jìn)維管組織連接；細(xì)胞分裂素（CTK）可以促進(jìn)導(dǎo)管細(xì)胞分化，對韌皮部連接的作用不明顯；赤霉素（GA）濃度過高會(huì)抑制維管束的形成，但可以促進(jìn)下胚軸切面愈傷組織連接。有研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞分裂發(fā)生在嫁接后的2～4 d，而IAA濃度在嫁接后1 d就達(dá)到了最高，隨后GA濃度增高，促進(jìn)了愈傷組織的形成。通常，IAA/GA作為調(diào)控形成層分化形成木質(zhì)部或韌皮部的有效指標(biāo)，丙二醛（MDA）可在一定程度上顯示嫁接愈合過程中植物的受損程度。

嫁接切面處抗氧化酶包括過氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶（SOD）和多酚氧化酶（PPO），這些酶的激活有利于切面愈合。番茄和甜瓜嫁接切面的SOD和POD濃度都較高，其被用于調(diào)節(jié)木質(zhì)素的合成和細(xì)胞壁多糖的連接；PPO主要參與隔離層的形成，其初期活性表征了接穗的木質(zhì)化程度。

2 嫁接愈合過程影響因素研究

植物嫁接愈合過程受到內(nèi)外因素的影響，包括品種親和性、苗齡和切面大小等內(nèi)部因素和溫度、空氣濕度、光照強(qiáng)度、CO濃度和微量元素等外部因素。在愈合期，適宜的溫度可以加速愈傷組織的形成，溫度過高或過低都會(huì)抑制生長素的調(diào)控作用，溫度過高還會(huì)導(dǎo)致植株代謝過于旺盛，物質(zhì)消耗過多、過快，并且造成植株因蒸騰作用加強(qiáng)而發(fā)生萎蔫，影響嫁接成活。有研究表明，17～23 ℃范圍內(nèi)番茄嫁接成活率隨著溫度的升高而增加。變溫管理有利于愈傷組織的分化，適宜的番茄嫁接溫度為白天22 ℃、夜間18 ℃?？諝鉂穸日{(diào)節(jié)一直是嫁接成活的關(guān)注重點(diǎn)，濕度過高會(huì)滋生病菌，造成嫁接切面潰爛，濕度過低會(huì)因蒸騰量大導(dǎo)致接穗萎蔫失水。Kim認(rèn)為愈合初期的相對濕度應(yīng)保持在95%，但Venema等發(fā)現(xiàn)濕度控制在70%～90%的嫁接苗沒有明顯差異。在愈合期，高CO濃度不僅可以抑制接穗葉片蒸騰，提高接穗的水分利用效率和光能利用效率，還可以促進(jìn)砧木根系生長；另外，砧木根系吸收的礦質(zhì)元素也會(huì)對嫁接愈合起到積極作用，鋅、硼、猛等元素可以調(diào)節(jié)切面周圍多糖水解酶的活性，促進(jìn)細(xì)胞伸長。光照是影響植物生理生化的重要因素之一，也是影響植物嫁接愈合過程的重要因素之一。光環(huán)境可以調(diào)控嫁接過程的隔離層、愈傷組織的形成，進(jìn)而影響嫁接愈合的速度和質(zhì)量；同時(shí)，某些愈合和物質(zhì)能量代謝相關(guān)酶的活性也受到光環(huán)境的調(diào)控。

3 嫁接愈合過程的光環(huán)境調(diào)節(jié)機(jī)制研究

光作為植物葉片的能量來源和信號，在砧木與接穗之間的隔離層形成、愈傷組織分化和維管組織連接中都發(fā)揮了重要作用，植物生長的苗期更是對光照強(qiáng)度和光質(zhì)高度敏感，但光照環(huán)境因光照強(qiáng)度、光照周期和光質(zhì)不同，對嫁接愈合的影響不同。在實(shí)際生產(chǎn)上，為了減少接穗水分蒸騰，?？刂茰囟?，如在愈合期采用避光處理。現(xiàn)在對光照在嫁接愈合過程中作用的研究越來越多，因?yàn)楣猸h(huán)境調(diào)控不僅能降低植物種植或培養(yǎng)的能耗，而且綠色環(huán)保、無污染，是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)突破的重要技術(shù)。

3.1 光照周期

光作為信號，可以調(diào)節(jié)內(nèi)源激素合成與愈傷組織再生，影響嫁接切面愈合過程。光周期對于植物的生長發(fā)育和生理代謝具有重要的調(diào)控作用，光、暗的周期變化是愈傷組織形成的重要影響因素。有研究表明，嫁接愈合過程中補(bǔ)充短期光照可以有效提高嫁接苗的光合作用，提高嫁接苗的成活率。束秀玉等研究證明，西瓜嫁接苗在經(jīng)過短時(shí)間弱光處理的成活率高于黑暗處理的成活率，但持續(xù)光照或長時(shí)間黑暗處理均不利于愈傷組織再生。因此，光照周期是影響愈傷組織分化的重要因素，但針對光照周期對嫁接苗愈合過程影響的報(bào)道較少。

3.2 光照強(qiáng)度

光照強(qiáng)度對植物的生長發(fā)育和產(chǎn)量具有重要調(diào)控作用。光照能通過調(diào)節(jié)植株的激素水平調(diào)控愈傷組織再生，植物激素IAA等的誘導(dǎo)能力也受到光照強(qiáng)度的巨大影響。在一定光照強(qiáng)度范圍內(nèi)，嫁接苗的生理活性隨著光照強(qiáng)度的增加而增加。Nobuoka研究發(fā)現(xiàn)，77 lx光照強(qiáng)度下，葉片氣孔開放度低，葉片蒸騰量小，有利于嫁接愈合；當(dāng)采用100 lx光照強(qiáng)度時(shí)，可以增強(qiáng)基因轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)節(jié)，增加氨基酸代謝蛋白，促進(jìn)維管組織連接。Jang等研究發(fā)現(xiàn)，與光照強(qiáng)度為142 lx的黃瓜相比，光照強(qiáng)度為237 lx的黃瓜嫁接苗葉片的CO交換量提高了1.5倍；當(dāng)光照不足時(shí)，愈傷組織生長緩慢，葉片的凈光合速率較低，不利于嫁接苗的愈合和后期生長。陳文明等通過弱光脅迫試驗(yàn)，證明了西瓜嫁接苗在弱光脅迫條件下莖粗變細(xì)、嫁接苗徒長、葉面積變小、總?cè)~綠素含量下降的現(xiàn)象；但是，光照過強(qiáng)會(huì)增加PPO的活性，導(dǎo)致過多酚類物質(zhì)被氧化成醌，造成愈合切面褐化壞死。綜上所述，可以在植物嫁接愈合期的前期采用低光照強(qiáng)度、后期高光照強(qiáng)度的光環(huán)境調(diào)控手段，不僅可以促進(jìn)嫁接苗愈合，還能提高嫁接苗的光能利用效率。

3.3 光質(zhì)

除了光照周期和光照強(qiáng)度外，光質(zhì)也會(huì)影響嫁接愈合效果，這主要與植物體內(nèi)的光受體有關(guān)。光敏色素（Phytochrome）和隱花色素（Cryptochrome）是感受紅光和藍(lán)光的主要感受器。光敏色素能夠調(diào)節(jié)植物對光的反應(yīng)，在光照的作用下，紅光和黃光可以促進(jìn)光敏色素由Pr型轉(zhuǎn)換為Pfr型，影響愈傷組織中與分化相關(guān)的酶的活性，促進(jìn)愈傷組織形成。紅光有利于提高番茄嫁接苗體內(nèi)的IAA含量，促進(jìn)導(dǎo)管細(xì)胞分化和維管組織連接；同時(shí)，紅光還可以促進(jìn)砧木根系發(fā)育，但嫁接苗干物質(zhì)量降低，CO交換量降低。隱花色素是存在于植物中的藍(lán)光受體，可以調(diào)節(jié)植物對藍(lán)光的響應(yīng)，如擬南芥中的隱花色素可以在綠光的刺激下逆轉(zhuǎn)藍(lán)光的誘導(dǎo)狀態(tài)，從而影響基因表達(dá)。紅光和藍(lán)光均有利于誘導(dǎo)愈傷組織形成，但單一光質(zhì)的藍(lán)光或紅光會(huì)引起接穗水分失衡，不利于愈合。利用LED進(jìn)行不同光質(zhì)組合處理可以促進(jìn)嫁接愈合期維管束連接和氣孔保護(hù)，因此多數(shù)研究人員建議在生產(chǎn)中采用不同組分的光，特別是紅光、藍(lán)光或白光的組合。與白色熒光燈、紅外光、黑暗條件下相比，紅藍(lán)LED光源能提高辣椒嫁接苗的成活率和質(zhì)量。有學(xué)者認(rèn)為，西瓜嫁接苗在紅藍(lán)比為7∶3時(shí)可獲得較好的壯苗指數(shù)和成活率，但不同作物或同一作物不同愈合期適宜的紅藍(lán)光配比尚沒有定論。除此之外，其他光質(zhì)如遠(yuǎn)紅光、綠光等對嫁接愈合的影響還不清楚。

也有研究人員在愈合期內(nèi)進(jìn)行了光環(huán)境的變化管理，但結(jié)果存在較大差異。不同時(shí)段的光照強(qiáng)度變化是通過日累計(jì)光照量（Daily Light Intergral，DLI）來影響植物的嫁接愈合過程，但現(xiàn)在針對DLI對嫁接苗愈合過程的研究較少，大部分研究者將光照環(huán)境與其他環(huán)境要素結(jié)合作為研究重點(diǎn)。綜上所述，現(xiàn)在針對光環(huán)境調(diào)控對嫁接苗愈合過程的影響機(jī)制還不是十分清楚，尤其是DLI影響嫁接愈合的作用機(jī)制，LED紅藍(lán)光配比、綠光和遠(yuǎn)紅光等不同光質(zhì)組分對嫁接愈合的影響都不明確?？蛇M(jìn)一步研究可控環(huán)境下蔬菜嫁接苗愈合過程的光環(huán)境調(diào)控技術(shù)，以促進(jìn)培育壯苗、縮短愈合周期和降低植物工廠系統(tǒng)能耗。

4 問題與展望

首先，研究光質(zhì)對嫁接苗的影響時(shí)，不同的LED光源的紅藍(lán)光配比存在爭議，故不同作物或同一作物嫁接愈合期最合適的紅藍(lán)光比例尚無定論，同時(shí)其他光質(zhì)如綠光、遠(yuǎn)紅光對嫁接苗的愈合影響機(jī)制還不清楚。值得進(jìn)一步開展試驗(yàn)，探究不同的LED光源的紅藍(lán)光配比和其他光質(zhì)對嫁接苗愈合的影響機(jī)制。

其次，針對不同嫁接苗得到的光環(huán)境調(diào)控策略只存在于植物的形態(tài)建成表面，鮮有深入研究內(nèi)部機(jī)理的；因此，明確嫁接苗光環(huán)境調(diào)控策略的內(nèi)部機(jī)理，是揭示嫁接苗光環(huán)境對植物嫁接成活機(jī)理的必然途徑，也只有充分闡明嫁接苗光環(huán)境調(diào)控策略的內(nèi)部機(jī)理，才能更好地為嫁接育種提供有力支持。

再次，嫁接苗的品種不同，所需要的光環(huán)境調(diào)控條件也不同，針對不同嫁接苗品種的研究暫時(shí)還不清楚，未來可進(jìn)行深入研究。