蔬菜嫁接愈合过程及其光环境调控机制研究进展

范玉龙，李兴群，宋金修,2*，李雨竹，黄 鑫，莫吾乙

（1.江苏大学农业工程学院，江苏 镇江 212013；2.江苏大学现代农业装备与技术教育部重点实验室，江苏 镇江 212013）

设施蔬菜育苗是蔬菜生产的一个重要环节，工厂化育苗现已成为我国种苗生产的主要方式。因反季节生产或土壤连作障碍，设施蔬菜常出现生理性病害或土传病害，严重影响了蔬菜的产量和品质。嫁接育苗可以有效增强蔬菜抗逆性，提高蔬菜的产量和品质。在设施农业发达的荷兰，番茄嫁接苗已占到蔬菜育苗量的95%以上，而我国嫁接苗仅占1%，与发达国家相比还有很大的差距。在嫁接育苗过程中，影响嫁接苗质量的主要因素包括砧木与接穗之间的亲和性、苗龄和愈合期环境等。有研究表明，适宜的嫁接愈合环境可以有效提高嫁接苗的愈合速率，缩短愈合时间。

光是植物生长发育的原初动力，参与到植物光合作用、光形态建成、物质和能量代谢等过程。有研究显示，光照可以通过调控植物内源激素合成、愈伤组织再生和维管组织连接来影响嫁接苗的质量，但具体的作用机制还不是十分清楚，尤其关于愈合期日累计光照量（Daily Light Intergral，DLI）对嫁接苗愈合过程影响的研究较少。另外，在嫁接苗愈合期，红、蓝光对调节嫁接苗愈合具有重要作用，但LED红蓝光配比、绿光和远红光等的光质组分需求也不是十分明确，刘文科等提出的基于光配方的光环境动态调控技术还无法在嫁接苗愈合期实现。因此，如何实现可控环境下蔬菜嫁接苗愈合光环境调控技术的研究对培育壮苗、降低植物工厂系统能耗具有重要意义。

1 砧木接穗嫁接切面愈合机制研究

1.1 嫁接愈合的形态学进程

嫁接育苗是设施蔬菜栽培的重要环节，已被广泛应用于设施蔬菜的抗病促产上。嫁接可以显著增强蔬菜根系的水肥吸收能力，提高农产品产量，改善品质，增强蔬菜对不良环境的抗逆性。常规的嫁接方法有靠接法、插接法（顶插接）、贴接法、劈接法和断根嫁接法。各种嫁接方法所适用的蔬菜种类不同，但嫁接成活过程基本相同。亲和嫁接愈合过程通常可分为3个阶段：砧木与接穗之间隔离层出现、愈伤组织形成与分化、维管组织连接。非亲和嫁接体因病原微生物、遗传特性和外界环境条件不同，嫁接愈合过程略有差异。嫁接前期，由于嫁接切口创伤，在嫁接切面形成由受损细胞残留物质组成的致密性隔离层结构和蜡质物质，以防止物质外渗和外界微生物侵染；隔离层附近薄壁细胞经过脱分化恢复分裂能力，形成轴向生长的愈伤组织，并吸收隔离层的坏死细胞成分；随着隔离层的消失，愈伤组织进行增殖和再分化，在接穗和砧木之间形成新的功能性维管组织，即嫁接愈合过程结束。

有研究发现，温室番茄嫁接苗愈伤组织分化出现在嫁接后6 d，嫁接后12 d切面隔离层消失，21 d后维管组织开始连接；而拱棚中黄瓜嫁接隔离层的形成发生在嫁接后2 d，4 d后出现愈伤组织，6 d后愈伤组织分裂抱合，8 d后维管组织连接，12 d后形成新的维管束。由于外界环境条件和嫁接体亲和性的不同，植物嫁接愈合各过程的时间阶段不同。同种植物嫁接愈合的形态学过程也有较大争议，例如，Yin等研究发现拟南芥嫁接后3 d，嫁接切面的木质部和韧皮部已经形成大量的维管组织，而Melnyk等发现，拟南芥首先完成韧皮部重连，在嫁接后7 d才完成木质部重连。

1.2 嫁接愈合的生理生化机制

嫁接愈合伴随着复杂的生理生化过程，并产生大量代谢产物，进而影响到嫁接体的成活。在切面愈合过程中，参与衰老、激素分泌和愈合关键酶表达的基因上调，以促进薄壁细胞脱分化、细胞间信号传导和维管组织连接。

激素主要通过影响切面愈伤组织生长和分化调控砧木与接穗的愈合过程，例如，高浓度的生长素（IAA）可以诱导形成层恢复和薄壁细胞脱分化，促进维管组织连接；细胞分裂素（CTK）可以促进导管细胞分化，对韧皮部连接的作用不明显；赤霉素（GA）浓度过高会抑制维管束的形成，但可以促进下胚轴切面愈伤组织连接。有研究发现，细胞分裂发生在嫁接后的2～4 d，而IAA浓度在嫁接后1 d就达到了最高，随后GA浓度增高，促进了愈伤组织的形成。通常，IAA/GA作为调控形成层分化形成木质部或韧皮部的有效指标，丙二醛（MDA）可在一定程度上显示嫁接愈合过程中植物的受损程度。

嫁接切面处抗氧化酶包括过氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶（SOD）和多酚氧化酶（PPO），这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浓度都较高，其被用于调节木质素的合成和细胞壁多糖的连接；PPO主要参与隔离层的形成，其初期活性表征了接穗的木质化程度。

2 嫁接愈合过程影响因素研究

植物嫁接愈合过程受到内外因素的影响，包括品种亲和性、苗龄和切面大小等内部因素和温度、空气湿度、光照强度、CO浓度和微量元素等外部因素。在愈合期，适宜的温度可以加速愈伤组织的形成，温度过高或过低都会抑制生长素的调控作用，温度过高还会导致植株代谢过于旺盛，物质消耗过多、过快，并且造成植株因蒸腾作用加强而发生萎蔫，影响嫁接成活。有研究表明，17～23 ℃范围内番茄嫁接成活率随着温度的升高而增加。变温管理有利于愈伤组织的分化，适宜的番茄嫁接温度为白天22 ℃、夜间18 ℃。空气湿度调节一直是嫁接成活的关注重点，湿度过高会滋生病菌，造成嫁接切面溃烂，湿度过低会因蒸腾量大导致接穗萎蔫失水。Kim认为愈合初期的相对湿度应保持在95%，但Venema等发现湿度控制在70%～90%的嫁接苗没有明显差异。在愈合期，高CO浓度不仅可以抑制接穗叶片蒸腾，提高接穗的水分利用效率和光能利用效率，还可以促进砧木根系生长；另外，砧木根系吸收的矿质元素也会对嫁接愈合起到积极作用，锌、硼、猛等元素可以调节切面周围多糖水解酶的活性，促进细胞伸长。光照是影响植物生理生化的重要因素之一，也是影响植物嫁接愈合过程的重要因素之一。光环境可以调控嫁接过程的隔离层、愈伤组织的形成，进而影响嫁接愈合的速度和质量；同时，某些愈合和物质能量代谢相关酶的活性也受到光环境的调控。

3 嫁接愈合过程的光环境调节机制研究

光作为植物叶片的能量来源和信号，在砧木与接穗之间的隔离层形成、愈伤组织分化和维管组织连接中都发挥了重要作用，植物生长的苗期更是对光照强度和光质高度敏感，但光照环境因光照强度、光照周期和光质不同，对嫁接愈合的影响不同。在实际生产上，为了减少接穗水分蒸腾，常控制温度，如在愈合期采用避光处理。现在对光照在嫁接愈合过程中作用的研究越来越多，因为光环境调控不仅能降低植物种植或培养的能耗，而且绿色环保、无污染，是实现农业突破的重要技术。

3.1 光照周期

光作为信号，可以调节内源激素合成与愈伤组织再生，影响嫁接切面愈合过程。光周期对于植物的生长发育和生理代谢具有重要的调控作用，光、暗的周期变化是愈伤组织形成的重要影响因素。有研究表明，嫁接愈合过程中补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。束秀玉等研究证明，西瓜嫁接苗在经过短时间弱光处理的成活率高于黑暗处理的成活率，但持续光照或长时间黑暗处理均不利于愈伤组织再生。因此，光照周期是影响愈伤组织分化的重要因素，但针对光照周期对嫁接苗愈合过程影响的报道较少。

3.2 光照强度

光照强度对植物的生长发育和产量具有重要调控作用。光照能通过调节植株的激素水平调控愈伤组织再生，植物激素IAA等的诱导能力也受到光照强度的巨大影响。在一定光照强度范围内，嫁接苗的生理活性随着光照强度的增加而增加。Nobuoka研究发现，77 lx光照强度下，叶片气孔开放度低，叶片蒸腾量小，有利于嫁接愈合；当采用100 lx光照强度时，可以增强基因转录因子的调节，增加氨基酸代谢蛋白，促进维管组织连接。Jang等研究发现，与光照强度为142 lx的黄瓜相比，光照强度为237 lx的黄瓜嫁接苗叶片的CO交换量提高了1.5倍；当光照不足时，愈伤组织生长缓慢，叶片的净光合速率较低，不利于嫁接苗的愈合和后期生长。陈文明等通过弱光胁迫试验，证明了西瓜嫁接苗在弱光胁迫条件下茎粗变细、嫁接苗徒长、叶面积变小、总叶绿素含量下降的现象；但是，光照过强会增加PPO的活性，导致过多酚类物质被氧化成醌，造成愈合切面褐化坏死。综上所述，可以在植物嫁接愈合期的前期采用低光照强度、后期高光照强度的光环境调控手段，不仅可以促进嫁接苗愈合，还能提高嫁接苗的光能利用效率。

3.3 光质

除了光照周期和光照强度外，光质也会影响嫁接愈合效果，这主要与植物体内的光受体有关。光敏色素（Phytochrome）和隐花色素（Cryptochrome）是感受红光和蓝光的主要感受器。光敏色素能够调节植物对光的反应，在光照的作用下，红光和黄光可以促进光敏色素由Pr型转换为Pfr型，影响愈伤组织中与分化相关的酶的活性，促进愈伤组织形成。红光有利于提高番茄嫁接苗体内的IAA含量，促进导管细胞分化和维管组织连接；同时，红光还可以促进砧木根系发育，但嫁接苗干物质量降低，CO交换量降低。隐花色素是存在于植物中的蓝光受体，可以调节植物对蓝光的响应，如拟南芥中的隐花色素可以在绿光的刺激下逆转蓝光的诱导状态，从而影响基因表达。红光和蓝光均有利于诱导愈伤组织形成，但单一光质的蓝光或红光会引起接穗水分失衡，不利于愈合。利用LED进行不同光质组合处理可以促进嫁接愈合期维管束连接和气孔保护，因此多数研究人员建议在生产中采用不同组分的光，特别是红光、蓝光或白光的组合。与白色荧光灯、红外光、黑暗条件下相比，红蓝LED光源能提高辣椒嫁接苗的成活率和质量。有学者认为，西瓜嫁接苗在红蓝比为7∶3时可获得较好的壮苗指数和成活率，但不同作物或同一作物不同愈合期适宜的红蓝光配比尚没有定论。除此之外，其他光质如远红光、绿光等对嫁接愈合的影响还不清楚。

也有研究人员在愈合期内进行了光环境的变化管理，但结果存在较大差异。不同时段的光照强度变化是通过日累计光照量（Daily Light Intergral，DLI）来影响植物的嫁接愈合过程，但现在针对DLI对嫁接苗愈合过程的研究较少，大部分研究者将光照环境与其他环境要素结合作为研究重点。综上所述，现在针对光环境调控对嫁接苗愈合过程的影响机制还不是十分清楚，尤其是DLI影响嫁接愈合的作用机制，LED红蓝光配比、绿光和远红光等不同光质组分对嫁接愈合的影响都不明确。可进一步研究可控环境下蔬菜嫁接苗愈合过程的光环境调控技术，以促进培育壮苗、缩短愈合周期和降低植物工厂系统能耗。

4 问题与展望

首先，研究光质对嫁接苗的影响时，不同的LED光源的红蓝光配比存在争议，故不同作物或同一作物嫁接愈合期最合适的红蓝光比例尚无定论，同时其他光质如绿光、远红光对嫁接苗的愈合影响机制还不清楚。值得进一步开展试验，探究不同的LED光源的红蓝光配比和其他光质对嫁接苗愈合的影响机制。

其次，针对不同嫁接苗得到的光环境调控策略只存在于植物的形态建成表面，鲜有深入研究内部机理的；因此，明确嫁接苗光环境调控策略的内部机理，是揭示嫁接苗光环境对植物嫁接成活机理的必然途径，也只有充分阐明嫁接苗光环境调控策略的内部机理，才能更好地为嫁接育种提供有力支持。

再次，嫁接苗的品种不同，所需要的光环境调控条件也不同，针对不同嫁接苗品种的研究暂时还不清楚，未来可进行深入研究。