植物嫁接融合过程中砧木对接穗的影响研究进展

邹 薛，徐 艳，郑炳松，闫道良

(浙江农林大学省部共建亚热带森林培育国家重点实验室,浙江杭州 311300)

嫁接是利用植物受伤后能够自我修复伤口的原理，将接穗的枝条或者芽嫁接到砧木的根或者茎上，使砧、穗两个创面的形成层相吻合，进而通过细胞增生，形成新的维管组织，最后长成一个完整植株的育种方法，是一项在农业中被广泛应用的生产技术。嫁接能够保持接穗固有的优良性状，在蔬菜(黄瓜、番茄、南瓜、冬瓜、丝瓜等)、观赏园艺(月季、芍药、玫瑰、菊花等)和果树(苹果、李、樱桃、梨、柿、柑橘等)[1]上均获得了广泛的应用。通过嫁接多年生园艺树种，可减少营养生长并缩短幼年期。同时，嫁接可以矮化树结构，以增加单位面积的种植密度，从而提高生产力。砧木的选择对于培育优良嫁接体植株十分重要，因此，嫁接成活的关键点就是选择与砧木具有良好亲和力的接穗。总之，砧木和接穗之间的相互作用有着十分复杂的生理生化和分子机制。该研究从水分代谢和酶活性、矿质营养代谢、内源激素影响和相关基因表达等方面综述了砧木对接穗影响的研究现状，为进一步深入研究嫁接成活机理及更好地应用嫁接技术提供参考。

1 砧木对接穗水分代谢和酶活性的影响

植物体生长不可或缺的就是植物体内的水分，砧、穗互作的内在效应使不同的砧、穗组合在水分输导能力上存在差异，进而整个植物体的营养生长都受到影响，这种影响在苹果矮化树中表现更为明显。研究发现，在相同的水分条件下，乔化树跟矮化树相比，乔化树的叶比导水率(叶比导水率为导水率与本枝条所有叶片面积的比值)更高，矮化树叶比导水率比较低。Atkinson等[2]的研究结果表明，嫁接区域水分阻力占整个植株水分阻力的2.09%～6.60%，并认为嫁接区域水分阻力并不是整个植株水分阻力的主要来源，整个植株水分阻力来源取决于砧木根系。砧木能通过一系列的活动变化对接穗的水分代谢产生一定的影响。徐美隆等[3]以山葡萄为砧木嫁接“黑比诺”，与“黑比诺”自接苗相比显著提高了“黑比诺”接穗叶片的含水量，嫁接苗的耐旱性得到改善。另外，在对一些苹果、柑橘等的研究中也发现砧木可以通过调节植物体内的水分来影响接穗的生长发育，如綦伟等[4]的研究结果表明，嫁接植株的抗旱性主要是由砧木所决定的，地下部的水分吸收会影响地上部的水分吸收。

由于嫁接使得植物承受巨大的压力，植物受到外界刺激和创伤后会发生很多反应，比如会有活性氧(ROS)的产生，某些抗逆性的基因上调，酶和其他化学物质的合成积累等，而这些物质的增加也会刺激砧、穗伤口处愈伤组织的形成。嫁接过程中酶的活性会发生变化，陈晨[5]在嫁接的番茄叶片和果实中发现谷氨酸合成酶活性、植物氮含量显著比自根苗高，说明嫁接通过影响酶活性、植物氮代谢，从而提高吸收利用无机氮的效率，促进番茄体内氮同化及有机氮的合成。刘梦梦等[6]的研究也表明，以本砧嫁接的砂糖橘过氧化物酶(POD)活性最高，香橙和酸橘砧木次之，而以其他品种为砧木的砂糖橘POD活性较小，并且明显比本砧砂糖橘低。并且同时发现以枸头橙为砧木的砂糖橘生长素氧化酶(IOD)活性最高。同样，翟晨等[7]对8种抗性砧木与“赤霞珠”组合，研究接穗叶片中相关酶活性代谢的变化，结果发现抗性砧木能显著提高葡萄接穗叶片代谢酶肉桂酸酶-4-羟化酶(C4H)、4-香豆-辅酶A连接酶(4CL)活性。Gökbayrak等[8]对15个葡萄(Vitisvinifera)品种和12个美国砧木嫁接中3个同工酶系统(过氧化物酶、酯酶、酸性磷酸酶)和总蛋白脯氨酸研究发现，不同品种砧木组合间存在不亲和性，品种和砧木组合的酸性磷酸酶和总蛋白含量可用于预测嫁接不亲和性。Kazaliev等[9]研究得出，嫁接后的不亲和性与过氧化物酶活性和总酚有关，而通过砧、穗之间的蛋白质谱分析，砧、穗间的相容性也可以被预测。

2 砧木对接穗矿质营养代谢的影响

矿质元素对于植物体内正常生长发育十分重要。砧木的根系在很大程度上影响接穗矿质营养的吸收，如不同苹果品种嫁接时，其中“红冠”“红玉”种类嫁接到乔木砧上，其N、Mg含量比接在矮化砧的果树高，而P、Ca比接在矮化砧的果树上低。砧、穗互作会影响嫁接体内水分运输，也势必影响溶解在其中的矿质营养的运输与分配。季新月等[10]对油橄榄嫁接中研究发现，以油橄榄砧木“田园一号”嫁接“阿波桑娜”，嫁接树叶片中N、Mg、Ca、Mn含量显著得到提高。氮元素对于植物生长十分重要，Ruiz等[11]在烟草研究中发现砧木对氮素利用效率会影响接穗的氮素利用效率。另外，砧木控制树体生长，部分是通过砧木对营养的吸收，从而影响接穗的营养状况来实现的。砧、穗复合体的耐盐性主要取决于砧木，而不是接穗。王海宁等[12]研究表明，砧木能够调控一些离子吸收和向地上部运输进而改变接穗地上部的矿质营养水平及抗逆性。嫁接苗的地下部分对Na+、K+向上运输具有选择性，通过减少地上部分的Na+含量和Na+/K+比值提高接穗的耐盐性[13]。Niu等[14]已证明南瓜属砧木通过从接穗叶片叶肉细胞中排除Na+，并将其隔离在叶脉中，将K+保留在叶肉细胞中以及通过早期脱落酸(ABA)诱导提高了接穗对盐胁迫的耐受性。但是也有一些特例，砧木的耐盐性也会受接穗的影响。郭学民等[15]研究发现，以毛桃(Prunuspersica)为砧木，“21世纪”桃为接穗进行嫁接，发现砧木由于根系导管分子的类型与直径受接穗影响而发生改变，进而导致砧木吸收矿质营养和运输都受到影响。嫁接过程中由于砧、穗互作从而导致矿质元素的流动，进而改变砧、穗复合体的性状表现。Edelstein等[16]在蔬菜研究中发现嫁接影响矿质元素吸收和运输的机制也受砧木基因型或砧木-接穗相互作用的控制，这可以提高嫁接蔬菜对高/低矿质元素水平的耐受性。因此，选择合适的砧木与接穗进行嫁接组合是克服有毒重金属影响的策略之一。然而，目前还需要进一步的试验来鉴定调节嫁接蔬菜中有毒离子的吸收、排除和运输的基因和蛋白质。

3 砧木对接穗内源激素的影响

植物激素调节着植物个体发育的整个过程，调节砧木与接穗结合部位发生的生理过程。经过转基因以改变长距离信号分子(如激素)的砧木可以影响接穗的表型[17]。研究表明，植株的性状表达均受赤霉素、生长素、脱落酸等内源激素的影响，而砧木会影响嫁接种类中内源激素的代谢水平，从而影响其嫁接植物的生长发育。比如植物激素通过含量的变化促进植物抵御嫁接引起的胁迫，从而去适应植物发育的各个方面以及对生物和非生物的胁迫反应。Ghanem等[18]的研究表明，在番茄砧木中过度表达且对细胞分裂素生物合成起到关键作用的异戊烯基转移酶(IPT)能够增加接穗的细胞分裂素含量，从而整个嫁接体对盐度胁迫的抗性增强。Tworkoski等[19]研究表明，在某些情况下，苹果砧木可以改变接穗中赤霉素的浓度，调控植物体的生长发育。闫树堂等[20]研究发现，不同的矮化砧木可能通过影响植物复合体内几种内源激素(IAA、GA3、ZR)含量影响花芽质量和果实大小。除此之外，砧木和接穗互作过程中嫁接体会出现非生物胁迫状况，包括受伤，能够触发ABA的积累。IAA、CKs和JA在砧木和接穗之间存在极性运输，例如，郭华军[13]研究发现，正常番茄接穗的叶片感知到的红光激活了IAA的合成，该合成物向下运输并促进了非根系(diageotropica，DGT)突变体，砧木的侧根正常发育，而侧枝的器官发生被抑制。另外在渗透胁迫下，嫁接植物棉花砧木根部诱导接穗叶片合成大量的JA并将其转运到根部，增加了砧木根部中PIP蛋白的含量，从而增强了其砧、穗复合体的吸水能力。此外，JA的生物合成是由接穗叶片损伤引起的，该损伤导致了JA从接穗到砧木的转运；相反，可将内酯(CL)从砧木上移到接穗，然后在接穗中转化为活性内酯(SL)。还有番茄砧木中的ABA可以向上运输以调节接穗的气孔关闭。除此之外，在干旱胁迫下，GA可能产生于番茄的砧木和接穗。

4 砧木对接穗遗传物质的调控

嫁接过程中除了一些小分子如水、氨基酸和激素外，还有一些大分子，如mRNAs、蛋白质这些遗传物质在砧、穗间进行传递交流，引起遗传物质的改变。跨接点的mRNA和小RNA传输目前正在成为控制种群/接穗通讯的重要机制，同时可能在植物移植的生理过程中起着至关重要的作用。早在1970年，Kollmann等[21]研究发现，大量的蛋白质和RNA大分子存在于植物的韧皮部中，并且在后续的研究中也发现在植物韧皮部有许多内源蛋白和RNA分子调控着植物新陈代谢等过程。Kim等[22]在番茄嫁接试验中发现，砧木中特异性表达的一种mRNA长距离转移至接穗，从而导致接穗叶形向砧木叶形变异。在梨嫁接体中发现PbwoxT1mRNA可以通过韧皮部远距离传递，并对树形发育、树势平衡进行调控。近年来，研究者们已获取了葡萄、苹果、柑橘等果树的韧皮部转录组信息，数据表明果树韧皮部内存在众多参与各个生理过程的mRNA，还存在许多非编码RNA。它们的功能涉及植物营养代谢、激素、信号转导、胁迫反应等调控过程，并发现了一些miRNA可能影响嫁接亲和性。目前的研究发现，长距离运输RNA分子可作为系统信号分子介导果树生长发育的调控，如GAI mRNA在嫁接后可长距离运输并可以引起苹果、梨等的叶片表型及接穗性状改变。

在嫁接过程中除了一些编码蛋白质外，还有一些非编码蛋白质(比如miRNA、siRNA等)。这些非编码蛋白质通过嫁接可以进行长距离运输，进而调控接穗植株的性状。比如Bhogale等[23]的研究发现，控制马铃薯块茎形成的非编码mRNA分子，如mi-RNA172通过嫁接中砧、穗互作部位，进行长距离运输，通过调节控制块茎发育的基因的表达，进而促进块茎膨大。这些miRNA分子能够响应砧、穗互作过程中各种生理活动，通过调控一些植物靶基因和相关转录因子的表达调控植物生长发育过程。miRNAs在砧木与接穗之间单向运动调节植物生长发育。Thieme等[24]研究发现，大量的miRNA在特定组织中移动，从而调节植物组织发育。miRNA作为信号分子，控制着嫁接植物花、叶片形状等性状，Corbesier等[25]研究发现，一些嫁接植物开花机制受到miRNA调控。植物地上部可通过韧皮部miR399的长距离移动调控地下部无机磷酸盐(Pi)响应关键因子PHO2的表达，从而对环境中的Pi水平做出响应。在此基础上，有学者建议在不改变接穗(砧木)基因的情况下，通过改造砧木(接穗)，利用砧、穗间远程信号的调控，来获取所需要的农艺性状。

另外，在植物嫁接过程中，砧木和接穗中一些物质相互运动能够形成自我保护，比如Waterhouse等[26]研究表明，siRNA在嫁接时的贩运，它诱导转录和转录后水平的基因沉默，以触发植物对病毒的适应和防御。Molnar等[27]在拟南芥研究中发现，从接穗到砧木有24个核苷酸sRNAs移动，并且介导DNA甲基化，并指导受伤细胞的表观遗传修饰。长距离传递的信号物质在植物砧木抵抗病害以及调控植株发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)在细胞壁中起防御作用，葡萄接穗嫁接到转pPGIP基因砧木，可以检测到PGIP，表明PGIP在嫁接过程中具有移动功能。

综上所述，砧木和接穗之间通过嫁接能够形成完整的维管组织，并在嫁接植物体生长发育中，存在于韧皮部中的蛋白质、mRNA、miRNA等一些大分子会选择性的从伴胞经胞间连丝到筛管，并在砧木和接穗之间进行长距离运输到相应的靶细胞进行调控相关基因的表达，来调控植物器官发育。这些研究成果对嫁接植物生长发育的机制研究具有重要的推动作用。

5 展望

研究砧、穗互作对于植物包括果树和蔬菜的影响，有助于更好地培育新品种，为砧木育种和实践上的应用提供更多的学习和参考依据。由于砧、穗之间的组合多样化，目前关于砧、穗互作机制还需要进一步根据植物种类加深研究。从对于苹果等果木的研究中可以看出，砧、穗互作中内源激素的作用机制研究的比较少，内源激素不仅影响植物生长发育，而且对砧木和接穗的表型变化起到调节作用。由于从生长、生理角度研究存在太多的不确定性，所以可以转换研究思路，借助一些生化和分子手段开展研究，激素合成酶和相关信号调控因子在砧、穗互作中的表达变化是值得考虑的。

另外，研究砧、穗互作的机制，可以应用在水果、蔬菜的培育生产上：①如果可以对砧木进行改良，使其变成转基因植株，转基因植株只在砧木中进行表达，并且对接穗不会产生影响，接穗仍然用野生植株，砧木则用转基因植株，通过嫁接手段，这样得到的植株不仅能嫁接出能为人类所用的植株，同时还可以消除消费者的安全疑虑，并且对环境友好，是一种可持续发展的生产方式，是值得深入研究的方向。②有很多研究表明，在果蔬作物育种中，砧木和接穗嫁接，可以显著提高接穗光合作用的能力，并且能提高整个完整植株的产量，这在果蔬生产中是具有很高的效益。③在嫁接过程中，砧、穗互作中引起遗传信息发生改变，引起遗传变异，这可以提供一个思路，在植物育种中具有很大的利用价值，但目前关于嫁接引起遗传变异的机理的研究并不是十分清楚，关于一些非编码蛋白质在砧、穗间长距离运输以及运输到特定的靶点的功能和作用机理有待深入研究。