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植物嫁接愈合主要機制的研究綜述

來源:原創論文網 添加時間:2018-06-13

摘要

  Abstract:Plant grafting healing is a process in which the same or heterogeneous plant's cells, tissues or organs interact and interplay to form a complete organism. The process is not only regulated by the scion and rootstock, but also influenced by some external factors. It has become a hotspot research area in botany. Grafting can improve plant productivity and quality and help the plant adapt to environment. Understanding the mechanism of graft healing makes a great significance to grafting survival rate and the application of grafting technology in production. This paper reviewed the morphological process, physiological and biochemical mechanism of grafted healing as well as its molecular regulation and determinants, and proposed several directions for future research. [Ch, 71 ref.]

  Keyword:botany; grafting; rootstock and scion; healing mechanism; review;

  嫁接是將一個植物體的枝及芽等部位接到同種或不同種植物體的適合部位, 使二者接合形成一個新的植物體的技術, 其中, 被嫁接的部分稱接穗, 承擔接穗的部分稱砧木。嫁接作為一種廣受歡迎的栽培技術, 在世界各地受到廣泛關注。嫁接在植物品種改良及繁殖方面應用普遍, 在大豆Glycine max品種的遺傳性狀改良中, 通過考慮根系性狀來挑選合適砧木進行嫁接可以極大地增加籽粒產量, 改善大豆品質[1]。不僅如此, 嫁接可增強嫁接苗抵抗非生物和生物逆境 (尤其是土傳病害) 能力, 是一種重要的綜合害蟲管理策略技術, 如用于治理土壤病原體和其他禾本科Gramineae和葫蘆科Cucurbitaceae作物的害蟲[2]。同時嫁接增加了植物的養分吸收及水分利用[3], 在蘋果Malus pumila嫁接研究中發現, 利用選擇優良砧木嫁接的技術手段可提升蘋果的抗旱性, 使其發揮更大的光化學效率及水分利用效率[4]。此外, 大量研究認為, 嫁接能夠提高產量并改善果實品質[5-7];選擇適合條件的砧木進行嫁接能夠有效加強辣椒Capsicum annuum肉質厚度和堅實度等的果實品質[8];很多情況下, 嫁接會與更多可持續的作物生產實踐結合使用, 包括降低許多國家的土壤熏蒸劑的使用率和總體使用量[9]。然而, 嫁接苗的成活率是影響嫁接技術在生產中使用的一個非常重要因素。嫁接苗的成活與砧穗能否良好愈合息息相關。植物嫁接砧穗愈合是指同種或異種植物的細胞、組織或器官互相影響與作用結合成一個完整有機體的過程, 不僅受溫度、光照、濕度等外界因素影響, 還與嫁接時砧穗之間的親緣關系, 發育階段, 親和性及其內部生理與分子的調控有關。了解嫁接砧穗愈合機制對提高嫁接成活率和嫁接技術在生產中的應用具有重要意義。近年來, 人們對嫁接認識逐漸從傳統的組織學、細胞學、生理生化角度轉為分子機制的探討, 并取得了許多重要的研究進展。本研究就砧穗愈合進程、生理與分子調控及影響因素方面的研究進展進行綜述。

植物嫁接愈合主要機制的研究綜述

  1、嫁接砧穗愈合的形態學進程

  大量研究表明, 嫁接愈合過程分成4個階段, 包括隔離層出現, 愈傷組織形成, 愈傷組織分裂、增殖、抱合、連接, 形成層恢復和輸導組織連接。

  1.1、隔離層的形成

  當接穗嫁接到砧木上時, 砧穗之間的接合面上部分薄壁細胞受損, 原生質發生凝結現象, 在傷口表面形成了隔離層, 外觀為一層褐色的壞死組織。隔離層的形成可密封傷口使其不被病菌感染, 并且能阻止有機物大量外滲, 減少嫁接面水分蒸發。不同嫁接組合隔離層出現的時間也有一定的差異, 如以黑籽南瓜Cucurbita ficifolia為砧木, 以‘津寒3號’黃瓜Cucumis sativus‘Jinhan 3’為接穗, 隔離層在嫁接后1~2 d后出現[10], 而以‘青研1號’南瓜Cucurbita moschata‘Qingyan 1’作砧木嫁接‘津優35號’黃瓜Cucumis sativus‘Jinyou 35’, 3 d后出現隔離層。

  1.2、愈傷組織的形成

  在隔離層形成同時, 愈傷口周圍的形成層衍生細胞、韌皮部及皮層、木質部薄壁細胞及髓部細胞等發生脫分化從而形成愈傷組織, 其周圍存在著殘缺的隔離層。之后, 愈傷組織細胞膨大且表現為高度液泡化, 砧木與接穗的接合面會發生明顯隆起[12]。由于愈傷組織的形成部位除了形成層之外還有髓部細胞等, 因此對嫁接成活而言形成層并不是必需的。愈傷組織的形成能促使砧穗緊密結合, 從而加速傷口愈合, 此外也可分化出不定根和不定芽[11]。

  1.3、愈傷組織的分裂、增殖、抱合和連接

  愈傷組織的不斷分裂, 導致其體積不斷擴增, 砧穗間的空隙逐漸縮小, 愈傷組織的薄壁細胞相互連接形成愈傷組織橋。隔離層隨愈傷組織間的連接而消失。在輸導系統連接前, 愈傷組織橋負責運輸接穗所需的水分和養分。一般情況下, 愈傷組織橋形成越早, 嫁接成活幾率越大。

  1.4、形成層的恢復和輸導組織的連接

  在愈傷組織橋的邊緣, 與砧穗間形成層相近的薄壁細胞會向內分化形成新的木質部, 向外形成新的韌皮部, 使導管與篩管及砧穗間的形成層連接起來, 至此整個愈合過程基本結束。砧穗之間愈傷組織維管束橋的形成是嫁接成功的重要標志。研究表明, 維管束橋的形成是西瓜Citrus lanatus嫁接苗成活的細胞學特征[13]。

  2、砧穗愈合的生理生化機制

  2.1、植物內源激素含量的變化

  在嫁接砧穗愈合進程中, 內源激素通過影響物質運輸及代謝過程等影響嫁接體成活。生長素 (IAA) 與嫁接成活率呈顯著正相關, IAA在嫁接初期可誘導嫁接體產生大量愈傷組織, 后期時可促進維管束分化[14], 而脫落酸 (ABA) 則降低嫁接成活率[15]。同樣有抑制作用的內源激素還有赤霉素 (GA) 和乙烯。GA會抑制維管束形成[16], 乙烯可加速嫁接體老化[17], 二者都不利于嫁接體成活。

  2.2、可溶性蛋白質及丙二醛 (MDA) 的變化

  可溶性蛋白質及丙二醛 (MDA) 是嫁接愈合過程中的重要生理指標。可溶性蛋白質是構成酶的重要組成部分, 參與植物體內多種生理生化代謝過程的調控[18]。MDA是在植物處于逆境傷害或老化時, 由組織或器官膜脂過氧化產生的[19], 因此, 可溶性蛋白質及MDA可在一定程度上描述植物在嫁接過程中的受損程度及代謝情況。大量研究證實, 嫁接初期植物體內的可溶性蛋白質及MDA通常都會呈現上升趨勢, 如番茄Lycopersicon esculentum嫁接后的接穗中, 兩者均升高[20], 陳紅等[21]發現嫁接后各時期的可溶性蛋白質均明顯高于自根苗。

  2.3、酚類及單寧的變化

  酚類和單寧是嫁接成活的重要影響因素。酚類抗氧化性強, 具有抗氧化及清除自由基的能力[22], 同時還參與木質素的合成。單寧是化學組成較為復雜、具有鞣性的多元酚[23]。一般情況下, 嫁接成活率隨酚類及單寧含量的升高而降低。一方面, 酚類的產生會降低砧穗間的親和性, 郭大勇等[24]在日本栗Castanea crenata與板栗Castanea mollissima的嫁接研究中發現砧穗間親和力與酚類呈顯著負相關;另一方面, 酚類會與蛋白質作用生成不溶性聚合單寧, 影響嫁接愈合, 如馬紹英等[25]認為單寧的含量與其嫁接親和性呈顯著負相關。

  2.4、與木質素合成密切相關酶類物質的量和種類

  2.4.1、多酚氧化酶 (PPO) 的變化

  PPO參與木質素的合成, 主要作用于嫁接愈合初期, 其將砧穗接合部的酚類氧化成活性醌, 醌聚集形成黑色和褐色的隔離層[26], 但PPO過高也可使接合部愈傷組織發生褐化甚至壞死現象[27]。研究表明, 嫁接后整體水平上PPO趨于平穩, 一般為先上升后下降[28], 通常在不親和嫁接組合中PPO活性高且持續時間長[29], 因此, PPO活性的高低既可以表明接穗木質化程度, 又可以為嫁接植物砧穗間的親和性判斷提供參考。

  2.4.2、苯丙氨酸解氨酶 (PAL) 的變化

  在嫁接愈合過程中, PAL促進細胞分化及木質化, 是嫁接植物功能重建及組織發育的重要因子。在嫁接后PAL活性基本呈上升趨勢, 創傷口的PAL高于嫁接口, 這說明隨著嫁接時間的延長創傷口的木質化程度高于嫁接口。PAL在一定程度上也可描述嫁接的親和性, 如PAL活性最高值較高的“鴨梨Pyrus bretschneideri/豆梨Pyrus calleryana”組合的親和性高, 而該值較低的“OHF51/豆梨”組合親和性也較低[30]。

  2.4.3、肉桂醇脫氫酶 (CAD) 及木質素的變化

  CAD是影響木質素合成的關鍵酶, 且僅應用于木質素合成中[31], 因而變化規律與木質素相似。木質素是嫁接口維管組織分化的前提, 在嫁接砧穗愈合過程中影響重大。張淑紅等[28]在對嫁接后14 d內的CAD活性以及木質素研究后發現, 自根苗創傷口比嫁接口木質素含量高, 有益于傷口愈合。

  2.5、抗氧化保護酶活性及同工酶表達

  2.5.1、抗氧化保護酶對嫁接愈合過程的影響

  在砧穗愈合過程中, 作為植物抗氧化防御系統的超氧化物歧化酶 (SOD) 、過氧化物酶 (POD) 、過氧化氫酶 (CAT) 發揮著重要作用[32]。SOD能夠清除超氧陰離子, 是生物體抗氧化系統的第一道防線, POD參與一些蛋白質分子的交聯反應和細胞壁多糖間的連結, CAT可分解由其他部分產生的過氧化氫 (H2O2) 。嫁接初期, POD, SOD的活性逐漸增加, 可清除自由基并抑制膜脂過氧化, 維護膜的結構及功能, 后期隨著嫁接接口的愈合, 其活性逐漸下降, CAT活性與此相反, 表現出先降后增的趨勢[21]。嫁接體不同部位的3種酶活性也有一定差異, 在油茶Camellia oleifera芽苗砧嫁接愈合過程中, 砧木POD活性高于接穗[33], 在黃瓜嫁接研究中, 嫁接苗愈合面SOD, POD和CAT的活性均高于砧木和接穗[10]。

  2.5.2、同工酶的表達

  同工酶的表達在一定程度上為嫁接愈合提供參考。嫁接會引起砧木及接穗中的同工酶帶發生變化[34], 接穗與砧木的同工酶譜的相似系數越高, 其嫁接的親和性越強, 越容易成活, 西瓜與冬瓜Benincasa hispida, 葫蘆Lagenaria siceraria等同工酶譜相似, 所以更易成活[35], 同樣在番茄與茄子Solanum melongena嫁接的研究中發現接穗番茄品種‘申粉918’‘Shenfen 918’與砧木茄子‘72號’‘No.72’的POD和SOD的同工酶相似系數較高, 親和性也較好[36]。

  3、嫁接砧穗愈合的分子調控

  3.1、基因的變化

  嫁接愈合過程受到基因的調控, 基因的沉默或表達參與嫁接進程。馮金玲等[37]對油茶芽苗砧嫁接口在愈合過程中擴增片段長度多態性 (AFLP) 的條帶數進行分析, 結果表明嫁接過程中基因出現變化。在對擬南芥Arabidopsis thaliana嫁接24 h后的組織學和轉錄水平上進行的研究中也有此結論[38]。基因參與嫁接過程主要表現為與嫁接相關基因出現及上調, 如在山核桃Carya cathayensis嫁接后0, 7, 14 d等3個獨立的c DNA測序中, 發現了大量差異表達基因[39]。此外, 在嫁接愈合過程中與裂解酶、水解酶及氧化還原酶等活性相關的基因上調, 激活乙烯和茉莉酸的生物合成, 從而參與隔離層的分解、維管束的連接等[38]。在葡萄Vitis vinifera嫁接后3 d和28 d的砧木和接穗的轉錄組研究中發現, 在個體基因水平上, 接種后3 d砧穗愈合面組織中52個基因被特異性上調, 包括許多與激素信號相關的基因, 例如細胞分裂素和茉莉酸信號, 次級代謝, 非生物脅迫和受體激酶相關基因等, 其中與韌皮部發育及蛋白質降解相關的基因表現為顯著上調。同時, 嫁接砧穗接合處出現的特異性基因會隨著時間的延長參與嫁接體的一系列生理活動, 如接合處與衰老相關基因參與細胞次生代謝、細胞壁的合成、木質部和韌皮部連接等過程[40], 參與細胞間的信號傳遞, 從而調控酶的表達, 影響嫁接植物的開花結果及品質等[41], 如嫁接后可開花基因型的砧木會傳遞開花刺激信號至不開花基因型的接穗從而有助于接穗開花等[42]。

  3.2、mi RNA調控

  mi RNA是一類參與轉錄后基因調控的內源性非編碼小RNA, 在植物生長, 發育和脅迫反應中起關鍵作用。在嫁接愈合中, mi RNA的表達同樣有重要意義。在對西瓜嫁接后全基因組范圍的mi RNA的研究發現, 與自嫁接相比, 西瓜嫁接到葫蘆和南瓜上的mi RNA表達明顯不同[43], 但作用機制還有待進一步研究。

  3.3、特異性蛋白的出現

  YEOMAN等[44]首次提出“嫁接蛋白” (grafting protein) 的概念, 并假設此蛋白可促使砧穗愈合。曾義安等[45]發現, 在黃瓜嫁接中出現了1~2種特異性蛋白, 對黃瓜嫁接苗和自根苗的蛋白質組學研究中發現嫁接苗葉片中新產生了4種蛋白:提高抗病抗逆能力的R蛋白 (RGC693蛋白) , 促進萜烯類物質合成的鯊烯合酶, 促進葉綠體合成的輔酶和提高光能利用率的捕光葉綠素a/b結合蛋白;在黃瓜/南瓜組合嫁接植物葉片蛋白質組表達變化的研究中發現, 嫁接愈合良好的組合中涉及光合作用, 碳水化合物和能量代謝及蛋白質代謝相關蛋白表達程度高[46-47]。除此之外, 馮金玲等[48]在油茶芽苗砧嫁接的蛋白質組學研究中也確定了9個與嫁接愈合相關的蛋白。

  4、影響嫁接愈合的因素

  4.1、內在因素對嫁接砧穗愈合的影響

  4.1.1、接穗苗齡與砧木活力

  接穗苗齡對于嫁接苗的愈合及成活有重要影響, 不同植物適宜嫁接的接穗苗齡也不盡相同, 如茄果類蔬菜接穗用苗齡一般不應超過4葉期, 以第2~3片真葉展開為宜。當接穗苗齡較小時, 位于接穗切面上的未分化的幼嫩細胞、分生組織及薄壁細胞具有較高的再生能力, 而接穗苗齡較大時, 細胞分裂能力逐漸降低, 且部分細胞己經開始分化, 導致愈合面兩側的砧木和接穗細胞無法突破隔離層, 從而影響砧穗愈合[49]。山核桃Carya cathayensis嫁接體發育過程中, 接穗苗齡較小的3個嫁接組合中的隔離層附近細胞內的細胞器較為豐富, 它們參與嫁接體的代謝過程[50]。西瓜接穗苗齡低于10 d時, 嫁接愈合快, 嫁接苗成活率達90%以上;而接穗苗齡為13 d和18 d的嫁接組合在嫁接8 d后愈合面隔離層仍存在, 嫁接苗成活率分別為83.3%和72%[13]。在嫁接過程中, 砧木活力越高, 嫁接成活率越高[51], 如高活力砧木品種南瓜‘京欣砧5號’Cucurbita moschata‘Jingxinzhen No.5’具有根系發達, 吸肥力強等特征, 嫁接黃瓜成活率高[52], 適合西瓜嫁接的高活力砧木葫蘆‘鄂砧1號’Lagenaria siceraria‘E-zhen No.1’嫁接后易愈合, 嫁接苗成活率高[53]。

  4.1.2、砧木與接穗的親和性

  嫁接砧穗愈合的過程中親和性決定了嫁接是否能順利進行, 砧穗之間親和性越好, 接合面越容易愈合, 從而使植株更易吸收水分及養分, 進而促進傷口愈合, 增加嫁接植株的成活率。同種植物由于砧木與接穗親緣關系近, 嫁接親和性強, 成活率顯著高于異種植物, 如野生非洲紅茄Solanum integrifolium作砧木嫁接番茄的親和性較好[54], 水茄Solanum torvum作為砧木嫁接茄子親和力高, 嫁接成活率高達92%[55]。不同種植物之間, 親緣關系與親和性呈顯著正相關, 如親緣關系較近的‘鴨梨/豆梨’組合愈合良好, 恢復生長迅速[30], 而親緣關系較遠的番茄與胡椒組合的嫁接成活率很低[56]。也有研究發現親緣關系較遠的組合, 如以化香Platycarya strobilacea作砧木, 嫁接山核桃時成活率高達90%以上, 其原因可能為作為砧木的化香根部再生能力強, 嫁接后取苗斷根栽植易生成新根, 且化香有春季萌芽早的優勢, 然而以化香作砧木嫁接山核桃存在后期保存率較低及親和性較差的現象, 因此, 具體應用時還需綜合考量[57-58]。

  4.2、外在因素對嫁接砧穗愈合的影響

  4.2.1、光

  光作為光合作用、激素調節和某些信號通路的能量來源, 可促進木質部和韌皮部的維管連接, 對嫁接過程中的砧穗愈合有積極影響[59], 適宜的光強及光質對嫁接愈合有促進作用[60], 如在嫁接后用發光二極管 (LED) 作為光源并結合不同的波長組合有助于傷口愈合期間砧穗維管束的連接及秧苗的氣孔保護[3], 同時, 在應用時需提供足夠數量和質量的光, 因此, 建議在生產實踐活動中添加不同LED組合, 特別是紅色, 藍色和白色的LED組合, 該組合能提供適宜嫁接植物愈合生長的光強和光質[61]。

  4.2.2、溫度

  嫁接苗的愈合與愈合期的溫度關系密切, 適宜的溫度條件有利于嫁接苗愈合。在適宜溫度范圍內, 溫度與嫁接成活率呈極顯著正相關, 適當提高溫度有助于促進愈傷組織形成, 加速傷口愈合[62]。與此同時, 變溫環境下愈傷組織分化成芽的數量增多, 有利于生根及壯苗培養[63]。此外, 由于葉片積累的光合產物運輸主要在夜間進行, 夜溫對嫁接愈合也有顯著影響[64], 如夜溫16℃為番茄嫁接苗愈合的最適溫度[65]。在日常生產生活中, 自然條件下控制嫁接苗愈合期的溫度是較為困難的, 因此, 可利用設施條件來改善, 如生產中常用到小拱棚等, 通過增設地熱線即可滿足嫁接苗愈合期間對溫度的要求[66]。

  4.2.3、濕度

  濕度控制是嫁接愈合管理中重要部分, 越來越多的研究致力于如何高效控制嫁接期濕度, 在嫁接初期, 由于經受極端水分脅迫, 接穗在愈合期開始1~4 d氣孔導度降低到幾乎為零, 嚴重枯萎[67], 為保證接穗不發生萎蔫失水, 嫁接過程中特別要注意環境濕度。在常規培養中, 嫁接后常覆膜以減少水分蒸發, 保持適宜的環境濕度[5]。通常愈合期處于高相對濕度 (≥95%) 下時, 嫁接植物能順利存活[68], 在愈合期結束時嫁接植物含水量與未嫁接前植物含水量相當[67], 這也證實了嫁接愈合期濕度管理的重要性。

  4.3、外源植物生長調節劑

  大量研究發現, 在植物嫁接愈合期間加入一定量的外源植物生長調節劑會對接合部的愈合產生有益效果, 加速嫁接砧穗愈合, 如使用細胞激動素藥劑處理嫁接苗, 可顯著縮短愈合時間, 促進接穗生長并有利于嵌合體愈合[69], 其他外源植物生長調節劑如一定質量濃度的二氯苯氧乙酸、生根粉6號 (ABT6) 、吲哚丁酸 (IBA) 、萘乙酸 (NAA) 等均對嫁接植物成活有促進作用[70-71]。

  5、展望

  嫁接作為一種栽培技術因其實用價值而受到廣泛青睞。近年來, 人們對嫁接愈合過程的形態學研究及影響因子等有了系統認識, 但對于一些具體的分子機制研究還不成熟, 如接穗與砧木之間的相互作用對接合部位愈合及維管系統重建的驅動機制, 接合部位特異性基因及信號傳導對嫁接愈合的調控機制等方面, 因此, 分子調控仍是未來重要的研究領域。嫁接作為一種重要的技術手段, 不僅處于單一的園藝學科領域, 更是一項跨學科的綜合研究, 未來在嫁接愈合過程的理論指導, 經濟環境資源利用, 嫁接相關工具更新, 系統工程調控等方面將會有更為深遠的進步。

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