林木扦插繁殖研究进展

赵 瑞，沈永宝

(1.南京林业大学，南方现代林业协同创新中心，江苏 南京 210037；2.国家林业局南方林木种子检验中心，江苏 南京 210037)

扦插育苗是指根据植物细胞的全能性，选用植物的营养器官，如根、叶、枝等的一部分作为繁殖材料，插入土壤、泥炭、蛭石等基质中，生长成独立、完整个体的无性繁殖方法。根据扦插季节，扦插分为春插、夏插，秋插、冬插；根据插条的木质化程度不同，又可分为硬枝扦插和嫩枝扦插。木本植物由于细胞的幼嫩程度及其分裂能力的差异，嫩枝扦插的成活率往往高于硬枝扦插[1]。与嫁接、组织培养等其他无性繁殖方法相比，扦插具有繁殖速度快、质量高，能有效调节和利用树木的阶段发育规律等特点[2]，因此扦插繁殖对林木种苗生产有极其重要的意义。

随着无性系林业的发展及对无性繁殖技术研究的不断加深，扦插繁殖这一无性繁殖技术逐渐得到世界各国的关注[3]。本文论述了影响扦插繁殖的内外因素，内部因素包括树种遗传差异、插穗的生理年龄、插穗规格等，外部因素如扦插时间、插穗处理方法、扦插基质、光照、湿度等。分析了扦插生理生化研究如营养物质、酶活性等与扦插生根的关系。最后，分子生物学方面，论述了基因组学、比较基因组学、蛋白质组学等学科发展对扦插的影响。

1 影响扦插生根的因素

1.1 树种遗传差异

决定扦插生根难易程度的重要因素是树种本身的遗传性差异[1]。Almehdi等研究表明，扦插成活率与树种的遗传特性密切相关[4]。不同树种由于遗传差异，其在基因组成、形态构造、生长发育规律、抗逆性等方面均可能有所不同。因此不同树种根据生根的难易程度，可分为极易生根类、易生根类、较难生根类、极难生根类[5]。

树种本身的基因差异是决定遗传差异的根本因素。不同树种生根能力差异很大，即使同一树种，不同品种、无性系间扦插生根也存在差异。难生根树种，如沉香(Aquilariaagallocha)[6]、蒙古栎(Quercusmongolica)[7]等扦插生根相对困难，需要采取其他促根措施辅助生根，但对于易生根树种，如柳树(SalixbabylonicaLinn.)、木槿(HibiscussyriacusLinn.)，则容易成活。不同椴树扦插生根差异迥异，椴树(Tiliatuan)、糠椴(Tiliamandshurica)为较难生根树种，而蒙椴(Tiliamongolica)生根较易[8-9]。李晓欣等[10]认为，榆属(Ulmus)植物不同种源之间扦插生根能力差异明显，家榆(UlmuspumilaL.)生根最易，而旱榆(Ulmusglaucescens)属于难生根树种。唐强等[11]通过对红毛椿(Toonaciliatavar.pubesens)十个无性系的扦插繁殖研究发现，毛红椿以TC 01无性系生根率最高，达93%，根系效果指数最好，达36.5(根系效果指数R=(Lmr)/n，L不定根平均根长，m不定根数量，r生根率，n生根插条数)。油橄榄[12](Oleaeuropaea)不同主栽品种间的根系生长状况及生根率也存在显著差异。

1.2 插 穗

1.2.1插条生理年龄

插条的生理年龄是影响扦插的生根关键因素之一，包括采穗母树的年龄和插条自身的年龄。随着树木年龄的增加插穗内促进不定根发生的内源激素水平、非结构碳水化合物含量及细胞再生能力等都大大降低，生根抑制剂含量也会随着树龄的增加而增加，这种现象被称为年龄效应[13]。

国内外研究发现，随着母树年龄的增加，插穗生根率呈现下降趋势[14-16]。Browne等[15]在不同树龄加拿大叶松(Pinusbanksiana)扦插繁殖中发现，十年生母树插穗成活率远低于二或三年生的。树龄越小的日本落叶松[17](Larixjaponica)插穗愈伤组织形成和幼根出现的时间越早，生根率越高，根系后期发育也越好。Husen研究表明，一年生扁担杆(Grewiabiloba)插穗生根率明显高于五年生的[18]。李俊南等认为，薄壳山核桃(Caryaillinoinensis)扦插繁殖的母树年龄为二年生最佳，大于二年生扦插生根率显著下降[19]。欧洲刺柏(Juniperuscommunis)[20]、香樟(Cinnamomumplatyphyllum)[21]、青海云杉(Piceacrassifolia)[22]等也表现出类似的结果。大部分木本植物都表现出随着母树年龄的增加，插穗生根能力越差，即使相同的树种、品种，不同树龄采集的嫩枝，其生理年龄也有极大的差异。因此应注意插穗的生理年龄问题，生理年龄越小，越容易扦插成活。实际情况中，不同树龄、每株植株的不同部位、乃至每条半木质化插条的上下段，其生理年龄都会存在不同程度差异，但并没有明确的划分方式。

1.2.2插穗规格

插穗规格对扦插生根也有一定的影响，包括插穗的长短、粗度及插穗上的留叶量、留芽量等。不同树种，插穗长短、粗度要求也不同。插穗越长其内部所含营养物质越多，一般来说可更好地促进扦插成活，但插穗越长蒸腾就越大，极有可能导致在未生根前便失水死亡。Schuler研究发现，东方杨木(Populusdeltoides)插穗长度对其地下部生根量影响显著，随着插穗长度的增加，生根总数也显著提高[23]。Singh[24]指出，长度为50 cm的紫薇(Lagerstroemiaindica)插穗的生根质量优于20 cm、35 cm的。但对于平欧杂种榛(Corylusheterophylla×avellana)来说，随着嫩枝插穗长度增加，生根率逐渐降低[25]。由此可见，虽然较长插穗营养物质含量多利于生根，但不适用于所有树种。因此根据不同树种需要合理控制插穗长度是扦插成活的关键。

一定范围内，随着插穗的加粗，形成层的幼嫩细胞层变厚，生活能力和生根能力越强。较粗的榉树插穗(1.0～1.2 cm)，其愈伤组织出现期及生根始发期均早于榉树细插穗(0.6～0.8 cm)[26]。薄壳山核桃[19]在扦插中也表现出类似的结果。这可能是由于较粗的插穗内含物丰富，养分集中，抗逆性较强，有利于愈伤组织及不定根的形成。

插穗上预留的叶和芽的数量是成活的关键因素之一。扦插时预留的叶片和芽可以通过光合作用为插穗生长提供能量，但是留叶量过多则会导致蒸腾作用过强而不利于插穗成活。曹琴等研究发现，留3片叶扦插的欧李(Cerasushumilis)嫩枝扦插成活率最高，不留叶的欧李插穗均无生根[27]。而钟樱花(Cerasuscampanulata)扦插时留半片叶成活率高于留全叶及不留叶处理，可达56.67%[28]。

掌控好适宜的插穗规格可为扦插成活提供良好的基础，不同树种扦插时可以通过对插穗长短、粗度、留叶量的试验来进行筛选，以选出更利于生根的插穗条件。

1.3 扦插时间

根据季节差异，扦插可分为春插、夏插、秋插、冬插。扦插时间、插穗生长状况及扦插地区气候特点，对扦插成活均有很大影响。对大多树种而言，春季是适宜扦插的最好季节。但对于部分树种，冬季有保暖措施的情况下亦可进行扦插。研究发现，钟樱花在各季节的扦插成活率及生根率顺序大小为春插>冬插>秋插>夏插[28]。6月中旬扦插银杏可获得最好的生根效果[29]。曾炳山等[30]认为，柚木(Tectonagrandis)最适宜扦插的时间为5—8月份，最高成活率可达93%。对南方红豆杉而言，11月末最适宜其扦插，成活率可高达78%[31]。而香樟5月份扦插的生根效果优于6、9月份[21]。在实际扦插中，应根据植物特性及扦插地地域特点，灵活选择扦插时间。四季扦插优缺点如表1所示。

1.4 插穗处理方法

扦插成活的关键在于生根，而生根的难易除与植物本身特性有关，还与插穗的处理方法紧密相关，插穗处理方式主要有物理方法和化学方法2种。物理方法主要有黄化处理、环割、机械刻伤等。黄化处理是指在采穗前用不透光的材料对枝条进行遮光处理，使其在黑暗条件下生长一段时间，从而促进扦插生根的一种方式。早有学者指出黄化处理是通过提高插穗多胺含量，改变插穗内生长素、有关酶、生根辅促因子和抑制因子的含量及分布以促进生根[32]。榛子(Ostryopsisdavidiana)[33]和文冠果(Xanthocerassorbifolium)[34]经基部黄化处理后扦插生根率均得到了显著提高。环割和机械刻伤是常用的物理方法，其通过阻断光合产物的正常运输，在处理区积累大量利于生根的营养物质和内源激素，来促进扦插生根[1]。如经刻伤处理的圆柏(Juniperuschinensis)嫩枝插穗较不刻伤的生根率可提高26.5%～36.8%[35]，而对臭柏(Juniperussabina)，刻伤处理结合ABT1生根粉更能有效提高其插穗愈伤诱导率[36]。因此在不同树种、不同材料进行扦插时，要合理选择处理措施，考虑组合多种处理方法以促进扦插生根。

表1 不同季节扦插的适用材料及优缺点

表2 部分木本植物化学处理方法的应用

化学方法从树皮水、KMNO4溶液处理再深入到各种植物生长调节剂处理。经过植物生长调节剂处理后的插穗，尤其对难生根树种，其生根率往往高于不做处理的插穗。营养元素中的大量元素、稀土元素、蔗糖溶液等也以不同形式不同程度地促进各种植物生根。目前使用化学方法进行扦插促根处理的应用也越来越多，如：南京椴(Tiliamiqueliana)、天竺葵(Pelargoniumhortorum)、银杏(Ginkgobiloba)、美国黑胡桃(Juglansnigra)、柳树(Salixbabylonica)等。部分植物扦插化学处理应用见表2。

1.5 扦插基质

基质的组成及其理化性质是影响插穗生根的重要因素之一。保水透气性好、理化性质佳的基质可为扦插生根提供优良条件。扦插基质根据其物理状态可分为气态基质、液态基质、固态基质[5]。目前较常用的为固态基质，有蛭石、珍珠岩、泥炭、河沙、土壤、草炭、椰糠、岩棉等。

King等研究发现，落羽杉(Taxodiumdistichum)扦插于珍珠岩中愈伤组织形成率可达85%，高于泥炭藓作基质的32%[45]。谌振等研究表明，椰糠有利于提高朱槿(Hibiscusrosa-sinensis)扦插成活率，而椰糠混合定量的河沙则有助于朱瑾扦插苗后续的生长[46]。

表3 扦插基质优缺点及应用

用珍珠岩做基质扦插大叶黄杨(Buxusmegistophylla)，生根率可达100%[47]。泥炭∶珍珠岩=1∶1混合的基质配方最有利于楸树(Juglansmandshurica)嫩枝扦插成活[48]。对于美国红枫(Acerrubrum)而言，选用蛭石和珍珠岩的组合基质效果最佳[49]。在实际的扦插育苗中，应根据植物自身的光合特性与解剖构造来选择适宜的扦插基质，必要时混合不同类型的基质以提高扦插生根的概率。比如杜鹃红山茶属于旱生性的中生植物，扦插基质保水性过高反而不利于其扦插生根[50]。现总结常用基质特性如表3所示以供参考。

1.6 光照和温度

光照和温度也是影响扦插生根的重要环境因子。扦插初期，插穗刚离开母体，强烈的光照会导致插穗迅速失水，不利于扦插生根。可在初期适度使用遮阴网进行处理，保持50%左右的透光率，随着生根进程的发展，逐渐加大透光率。而光照的强弱也间接影响着扦插温度变化。研究表明，温度对植物插穗生根速度有密切关系[62]，尤其是插穗切口基部的温度。适当的提高插床温度有利于扦插生根，生产上有通过在插床内铺置电热丝、使用加热温床等来提高插穗下部的温度。李金平等[63]研究发现，使用28 ℃的电热温床对无花果进行催根处理可促进插穗的生根进程。美国山核桃硬枝扦插时，保持(25±2)℃的基质温度及(13±2)℃的空气温度最利于其插穗生根[64]。大部分树种的扦插生根都需要有一个最适宜温度，一般插穗生根需要的温度比栽培母株高 2～3 ℃。在一定范围内，随着光照及温度的升高，插穗呼吸作用增强，消耗掉大量的养分，反而不利于插穗成活。此外，高温环境下容易发生病害，影响生根进程。低温则有相反的效果，如使生理活动减弱，延迟愈合生根等。因此，掌握适宜的扦插温度的同时也要采取相应的解决措施，以获得这2种作用间的平衡，获取最适宜的温度。

1.7 湿 度

基质湿度和空气湿度同样可以影响扦插的成活率。插穗从母体分离后水分容易失衡，要保证插条不在发根前死亡需要及时供给枝穗和叶片水分。所以扦插时应保持插床湿润，土壤水分一般保持在田间持水量的60%～80%，以保证插穗正常吸水[65]。同时也要注意排水通畅，以防积水导致插穗腐烂。在实际生产中，人们为了美观，水泥砌造扦插池，甚至用瓷砖铺装扦插池，大大忽略了扦插池的正常排水功能，导致积水时有发生。这便大大增加了插穗腐烂的可能，使之前的种种准备付诸东流。所以实际应用中扦插池的建造要以实用便捷为主。对于生根所需时间较长的难生根树种，在注意排水通畅的同时要保持适宜的插床湿度，以保持插穗基部活力[66]。

在关注基质水分的同时也应该注意保持适宜的空气湿度，这可以通过使用喷雾来实现。如果空气湿度过低，插穗切口及叶片容易迅速失水，不能保证插穗内的水分平衡，容易造成插穗失水萎蔫；但湿度也不宜太大，否则容易导致插穗腐烂。扦插初期要求空气相对湿度较大的环境，也要避免湿度的急剧性变化，空气相对湿度保持90%以上最好[67]。而扦插初期基质的湿度过大则会在生根前导致插穗腐烂变质。在实际生产中，控制好适宜的基质湿度和空气湿度至关重要。

2 林木扦插生理生化及分子生物学研究

随着林木扦插繁殖的相关研究不断深入，研究重点逐渐从细胞水平深入到分子生物学水平。从生根解剖学试验如石蜡切片的制作来探究扦插生根类型，到对植物激素相关基因、细胞周期相关基因、细胞壁组成相关基因的鉴定分析。植物基因组学、比较基因组学、蛋白质组学等学科的迅速发展及分子生物学试验技术的不断突破，为植物扦插中不定根形成机理的研究提供了有效手段和新依据。

表4 部分涉及植物生根的基因

2.1 插穗内营养物质与扦插生根的相关性

扦插生根是一个高耗能的过程，其主要受到碳水化合物及氮素化合物的影响。碳水化合物作为插穗体内重要的基本能量来源除了维持插穗的生存外，其氧化分解代谢所产生的大量能量能有效促进细胞的分裂与分化，影响不定根的形成[68]。众多学者研究发现，当植物体内碳水化合物，尤其是可溶性糖含量相对提高时，可显著利于插穗生根[69-71]。也有学者指出，碳水化合物和氮素化合物的比值(C/N比)可以更好地反映插穗生根能力[72]。在柚木、榉树等物种扦插进程中发现，较高的C/N比有利于插穗扦插生根[73-74]。但吴落军[75]对落羽杉的扦插研究表明不定根形成不需要高的碳氮比，杨秀莲[76]的扦插研究发现，较低的碳氮比利于朱砂丹桂的生根。每种植物都有适宜的C/N比浓度，传统的碳氮比理论在一定程度上可以解释部分植物生根规律，但并不适用于所有树种。

2.2 插穗内激素水平与扦插生根的相关性

插穗内激素水平是影响扦插生根的重要因素之一。植物激素如生长素IAA、细胞分裂素CTK、赤霉素GA、脱落酸ABA等对扦插生根都有不同程度的影响。IAA主要的生理功能之一是促进插穗不定根的生成，其所含水平也是影响植物生根的主要因素。迟彦等[77]研究发现，在不定根诱导过程中，高浓度IAA会诱导根原基形成，从而促进生根。吴文浩等[78]指出，插穗扦插后0～20 d，即处于根原基诱导期时生长素水平升高，根原基形成后生长素含量降低，表明高浓度IAA有助于薄壳山核桃不定根的形成。麻文俊等[79]在对日本落叶松扦插研究中发现，IAA与不定根形成并无太大相关性，而是取决于IAA/Z的比值。可见，IAA虽然与扦插生根的难易密切相关，可促进插穗形成不定根[80]，但并不是独立于其他内源激素而作用的，而是和其他激素协同作用共同决定着不定根的发生。CTK是诱导扦插不定根形成的重要激素，可以促进细胞分裂、诱导芽的形成，在一定浓度范围内随着含量的升高促进生根，过高的浓度反而会有抑制作用。GA对扦插生根也有一定的影响[81]，如GA可以抑制插穗根原基分裂从而抑制不定根的形成[78]。脱落酸有引起植物休眠、抑制植物生长等作用，是植物体内一种负调控激素，在薄壳山核桃愈伤组织、不定根形成期，ABA含量呈下降趋势[78]。

2.3 插穗内酶活性与扦插生根的相关性

酶活性方面主要集中于探究吲哚乙酸氧化酶IAAO、多酚氧化酶PPO和过氧化物酶POD与扦插生根的关系。POD通过对植物体内IAA的氧化，来消除插穗体内过多的内源IAA，进而影响插穗生根[82]。张锦春等[83]在沙生柽柳(Tamarixtaklamakanensis)扦插酶活性变化研究中发现，扦插后至插穗生根期POD活性高度表达，随着根系表达结束，POD活性逐渐降低。表明高活性POD利于沙生柽柳不定根的发生。吲哚乙酸氧化酶(IAAO)可以降解调节植物体内IAA含量从而影响插穗生根[84]。经IBA处理的四倍体刺槐(TetraploidRobiniapseudoacacia)体内IAAO含量呈现“升高—降低”的变化曲线，在根源基诱导期达到最大值，不定根表达期的活性大幅度下降，从而使植物体内IAA升高，利于不定根表达[85]。这与Yan等[86]的在禾本科扁穗牛鞭草(Hemarthriacompressa)中提出的低活性IAAO促进插穗生根的结果一致。但在沙生柽柳[83]嫩枝扦插中的研究结果显示，插穗中IAAO活性在不定根诱导期高度稳定表达，使插穗中IAA活性降低，从而利于插穗根原基的生长。周祥明研究发现，高活性的PPO可以加速“IAA-酚酸复合物”合成，可以促进不定根发生等，有利于插穗生根[87]。橄榄树[88](Oleaeuropaea)扦插研究中发现，经水杨酰羟肟酸处理的插穗内表现低活性的PPO，生根率较低，而生根率较高的IBA处理的插穗显示出较高的PPO活性，表明高活性的PPO有利于插穗生根。此外，超氧化物歧化酶SOD、过氧化物酶CAT等也不同程度的影响着扦插生根。

2.4 扦插生根的分子生物学研究

分子生物学技术日益更新、突破。目前对植物扦插生根的研究已深入到分子水平，已经有许多相关诱导基因和蛋白质被分离、鉴定出来，如，生长素响应因子(auxin responsive factor，ARF)[89]、植物生长素/吲哚-3-乙酸(auxin/indole-3-acetic acid，Aux/IAA)[90]、转运抑制应答因子1/F-box蛋白(transport inhibitor resistant 1/auxin signaling F-box，TIR 1/AFB)[91]、生长素结合蛋白1(auxin-binding protein 1，ABP 1)、乙烯响应因子(ethylene response factor，ERF)[92]等。欧洲山杨[93](Populustremula)中发现在根中特异表达的基因涉及生长素调控、泛素降解、过氧化物酶、细胞周期等相关基因，具体与生根相关的基因如表4所示。

植物激素在植物生根中发挥着重要作用，生长素、乙烯等植物激素相关基因在植物生根机理中起到关键作用。ARF转录因子是调控植物生长素基因表达的关键转录因子，通过对植物生长素合成的调控影响着植物生长发育的各个阶段[104-105]。TIR 1/AFB、Aux/IAA等生长素受体蛋白也通过介导IAA实现与植物间信号的感知与转导[95,106]。研究发现，Aux 1对促进侧根原基的发生有重要影响[107]，过量表达AUX 1等基因的对侧根发育有促进作用。在桑树中，还鉴定分析出通过影响植物体内IAA含量来调节不定根发生的基因ILL5、GH3.1、80SAUR2，以及分别以影响细胞周期和为新陈代谢提供能量来调控扦插生根的基因Cacybp和ANT1[108]。乙烯响应因子(ERFs)是乙烯信号通路的下游转录因子，在介导乙烯反应和果实成熟中发挥作用[109,110]。而植物的生长发育很大程度上取决于不同植物激素之间复杂的互作关系[111]。刘明春等[112]研究发现，乙烯响应因子SI-ERF.B 3通过调控生长素信号因子Aux/IAA27，进而介导乙烯与生长素之间的交互作用，乙烯和生长素可以协同或拮抗地相互作用，以控制植物的各种发育过程，如根的形成、下胚轴伸长[113-115]。

此外，NACs基因家族在植物生根方面的研究也较多。NAC转录因子基因家族是植物中最大的基因家族之一，也是植物所特有的[116]。NAC 1在植物不同部位中均有表达，如根尖、子叶和叶片，但以根中表达最为活跃，可被生长素诱导并参与生长素转导来促进侧根发生[117-118]。日本落叶松、茶树等树种中还发现除植物激素相关基因外的因伤诱导类基因、细胞壁组织合成等过程基因[118-119]。由此可见，扦插生根是一个异常复杂的过程，其中植物激素相关基因起到关键作用，同时其它类别基因也发挥一定作用。

3 展 望

如今扦插繁殖技术日益成熟，其具有提早开花结实、繁殖材料来源广、繁殖系数高、苗木初期生长快等优点[2]，这促使扦插技术应用范围越来越广，规模化育苗也成为一种趋势。当前，扦插繁殖的众多研究集中于扦插繁殖技术，如基质类型的选择、生根剂浓度的配比、扦插环境因子的调控等；生根机理的研究，生根抑制物、酶活性、激素测定等；生根解剖学研究这几个方面。这些研究初步探明了与扦插繁殖相关的技术、生根机理及解剖学研究。然而影响林木插条生根的内部因子以及各内部因子的互作机制的研究，仍存在很多问题。问题及建议主要总结为以下几点：

1)插穗的生理幼嫩程度的把控不当。理论上讲，越幼嫩的插穗越容易扦插成活，但对于母株生理年龄问题仍有待探究，如不同树龄、同一株树不同采穗部位、甚至同一枝条的哪部分生理年龄最适宜扦插生根仍需进行大量试验来证实。

2)实际生产中，往往对自身可控的因素上把握不严谨。如环境因素中湿度的把控，为了追求便利美观，建造水泥铺装甚至铺装瓷砖的扦插池，大大忽略了透气透水性，极易造成插穗腐烂。

3)加强良种采穗圃的营建、管理工作对大量扦插繁殖意义重大，特别是采穗圃建立后的水肥、修剪、管理过程，是决定采穗圃所产穗条是否优良的关键因素之一。

4)虽然部分易生根树种已实现优良无性系造林，但对难生根树种仍是一个难题。在加强基础性研究的基础上，进一步探究生根抑制物质是否为影响难生根树种插穗生根的主要因素并给出进一步证实。