鄒 薛，徐 艷，鄭炳松，閆道良

(浙江農林大學省部共建亞熱帶森林培育國家重點實驗室,浙江杭州 311300)

嫁接是利用植物受傷后能夠自我修復傷口的原理，將接穗的枝條或者芽嫁接到砧木的根或者莖上，使砧、穗兩個創(chuàng)面的形成層相吻合，進而通過細胞增生，形成新的維管組織，最后長成一個完整植株的育種方法，是一項在農業(yè)中被廣泛應用的生產技術。嫁接能夠保持接穗固有的優(yōu)良性狀，在蔬菜(黃瓜、番茄、南瓜、冬瓜、絲瓜等)、觀賞園藝(月季、芍藥、玫瑰、菊花等)和果樹(蘋果、李、櫻桃、梨、柿、柑橘等)[1]上均獲得了廣泛的應用。通過嫁接多年生園藝樹種，可減少營養(yǎng)生長并縮短幼年期。同時，嫁接可以矮化樹結構，以增加單位面積的種植密度，從而提高生產力。砧木的選擇對于培育優(yōu)良嫁接體植株十分重要，因此，嫁接成活的關鍵點就是選擇與砧木具有良好親和力的接穗?？傊?，砧木和接穗之間的相互作用有著十分復雜的生理生化和分子機制。該研究從水分代謝和酶活性、礦質營養(yǎng)代謝、內源激素影響和相關基因表達等方面綜述了砧木對接穗影響的研究現(xiàn)狀，為進一步深入研究嫁接成活機理及更好地應用嫁接技術提供參考。

1 砧木對接穗水分代謝和酶活性的影響

植物體生長不可或缺的就是植物體內的水分，砧、穗互作的內在效應使不同的砧、穗組合在水分輸導能力上存在差異，進而整個植物體的營養(yǎng)生長都受到影響，這種影響在蘋果矮化樹中表現(xiàn)更為明顯。研究發(fā)現(xiàn)，在相同的水分條件下，喬化樹跟矮化樹相比，喬化樹的葉比導水率(葉比導水率為導水率與本枝條所有葉片面積的比值)更高，矮化樹葉比導水率比較低。Atkinson等[2]的研究結果表明，嫁接區(qū)域水分阻力占整個植株水分阻力的2.09%～6.60%，并認為嫁接區(qū)域水分阻力并不是整個植株水分阻力的主要來源，整個植株水分阻力來源取決于砧木根系。砧木能通過一系列的活動變化對接穗的水分代謝產生一定的影響。徐美隆等[3]以山葡萄為砧木嫁接“黑比諾”，與“黑比諾”自接苗相比顯著提高了“黑比諾”接穗葉片的含水量，嫁接苗的耐旱性得到改善。另外，在對一些蘋果、柑橘等的研究中也發(fā)現(xiàn)砧木可以通過調節(jié)植物體內的水分來影響接穗的生長發(fā)育，如綦偉等[4]的研究結果表明，嫁接植株的抗旱性主要是由砧木所決定的，地下部的水分吸收會影響地上部的水分吸收。

由于嫁接使得植物承受巨大的壓力，植物受到外界刺激和創(chuàng)傷后會發(fā)生很多反應，比如會有活性氧(ROS)的產生，某些抗逆性的基因上調，酶和其他化學物質的合成積累等，而這些物質的增加也會刺激砧、穗傷口處愈傷組織的形成。嫁接過程中酶的活性會發(fā)生變化，陳晨[5]在嫁接的番茄葉片和果實中發(fā)現(xiàn)谷氨酸合成酶活性、植物氮含量顯著比自根苗高，說明嫁接通過影響酶活性、植物氮代謝，從而提高吸收利用無機氮的效率，促進番茄體內氮同化及有機氮的合成。劉夢夢等[6]的研究也表明，以本砧嫁接的砂糖橘過氧化物酶(POD)活性最高，香橙和酸橘砧木次之，而以其他品種為砧木的砂糖橘POD活性較小，并且明顯比本砧砂糖橘低。并且同時發(fā)現(xiàn)以枸頭橙為砧木的砂糖橘生長素氧化酶(IOD)活性最高。同樣，翟晨等[7]對8種抗性砧木與“赤霞珠”組合，研究接穗葉片中相關酶活性代謝的變化，結果發(fā)現(xiàn)抗性砧木能顯著提高葡萄接穗葉片代謝酶肉桂酸酶-4-羥化酶(C4H)、4-香豆-輔酶A連接酶(4CL)活性。G?kbayrak等[8]對15個葡萄(Vitisvinifera)品種和12個美國砧木嫁接中3個同工酶系統(tǒng)(過氧化物酶、酯酶、酸性磷酸酶)和總蛋白脯氨酸研究發(fā)現(xiàn)，不同品種砧木組合間存在不親和性，品種和砧木組合的酸性磷酸酶和總蛋白含量可用于預測嫁接不親和性。Kazaliev等[9]研究得出，嫁接后的不親和性與過氧化物酶活性和總酚有關，而通過砧、穗之間的蛋白質譜分析，砧、穗間的相容性也可以被預測。

2 砧木對接穗礦質營養(yǎng)代謝的影響

礦質元素對于植物體內正常生長發(fā)育十分重要。砧木的根系在很大程度上影響接穗礦質營養(yǎng)的吸收，如不同蘋果品種嫁接時，其中“紅冠”“紅玉”種類嫁接到喬木砧上，其N、Mg含量比接在矮化砧的果樹高，而P、Ca比接在矮化砧的果樹上低。砧、穗互作會影響嫁接體內水分運輸，也勢必影響溶解在其中的礦質營養(yǎng)的運輸與分配。季新月等[10]對油橄欖嫁接中研究發(fā)現(xiàn)，以油橄欖砧木“田園一號”嫁接“阿波桑娜”，嫁接樹葉片中N、Mg、Ca、Mn含量顯著得到提高。氮元素對于植物生長十分重要，Ruiz等[11]在煙草研究中發(fā)現(xiàn)砧木對氮素利用效率會影響接穗的氮素利用效率。另外，砧木控制樹體生長，部分是通過砧木對營養(yǎng)的吸收，從而影響接穗的營養(yǎng)狀況來實現(xiàn)的。砧、穗復合體的耐鹽性主要取決于砧木，而不是接穗。王海寧等[12]研究表明，砧木能夠調控一些離子吸收和向地上部運輸進而改變接穗地上部的礦質營養(yǎng)水平及抗逆性。嫁接苗的地下部分對Na+、K+向上運輸具有選擇性，通過減少地上部分的Na+含量和Na+/K+比值提高接穗的耐鹽性[13]。Niu等[14]已證明南瓜屬砧木通過從接穗葉片葉肉細胞中排除Na+，并將其隔離在葉脈中，將K+保留在葉肉細胞中以及通過早期脫落酸(ABA)誘導提高了接穗對鹽脅迫的耐受性。但是也有一些特例，砧木的耐鹽性也會受接穗的影響。郭學民等[15]研究發(fā)現(xiàn)，以毛桃(Prunuspersica)為砧木，“21世紀”桃為接穗進行嫁接，發(fā)現(xiàn)砧木由于根系導管分子的類型與直徑受接穗影響而發(fā)生改變，進而導致砧木吸收礦質營養(yǎng)和運輸都受到影響。嫁接過程中由于砧、穗互作從而導致礦質元素的流動，進而改變砧、穗復合體的性狀表現(xiàn)。Edelstein等[16]在蔬菜研究中發(fā)現(xiàn)嫁接影響礦質元素吸收和運輸?shù)臋C制也受砧木基因型或砧木-接穗相互作用的控制，這可以提高嫁接蔬菜對高/低礦質元素水平的耐受性。因此，選擇合適的砧木與接穗進行嫁接組合是克服有毒重金屬影響的策略之一。然而，目前還需要進一步的試驗來鑒定調節(jié)嫁接蔬菜中有毒離子的吸收、排除和運輸?shù)幕蚝偷鞍踪|。

3 砧木對接穗內源激素的影響

植物激素調節(jié)著植物個體發(fā)育的整個過程，調節(jié)砧木與接穗結合部位發(fā)生的生理過程。經過轉基因以改變長距離信號分子(如激素)的砧木可以影響接穗的表型[17]。研究表明，植株的性狀表達均受赤霉素、生長素、脫落酸等內源激素的影響，而砧木會影響嫁接種類中內源激素的代謝水平，從而影響其嫁接植物的生長發(fā)育。比如植物激素通過含量的變化促進植物抵御嫁接引起的脅迫，從而去適應植物發(fā)育的各個方面以及對生物和非生物的脅迫反應。Ghanem等[18]的研究表明，在番茄砧木中過度表達且對細胞分裂素生物合成起到關鍵作用的異戊烯基轉移酶(IPT)能夠增加接穗的細胞分裂素含量，從而整個嫁接體對鹽度脅迫的抗性增強。Tworkoski等[19]研究表明，在某些情況下，蘋果砧木可以改變接穗中赤霉素的濃度，調控植物體的生長發(fā)育。閆樹堂等[20]研究發(fā)現(xiàn)，不同的矮化砧木可能通過影響植物復合體內幾種內源激素(IAA、GA3、ZR)含量影響花芽質量和果實大小。除此之外，砧木和接穗互作過程中嫁接體會出現(xiàn)非生物脅迫狀況，包括受傷，能夠觸發(fā)ABA的積累。IAA、CKs和JA在砧木和接穗之間存在極性運輸，例如，郭華軍[13]研究發(fā)現(xiàn)，正常番茄接穗的葉片感知到的紅光激活了IAA的合成，該合成物向下運輸并促進了非根系(diageotropica，DGT)突變體，砧木的側根正常發(fā)育，而側枝的器官發(fā)生被抑制。另外在滲透脅迫下，嫁接植物棉花砧木根部誘導接穗葉片合成大量的JA并將其轉運到根部，增加了砧木根部中PIP蛋白的含量，從而增強了其砧、穗復合體的吸水能力。此外，JA的生物合成是由接穗葉片損傷引起的，該損傷導致了JA從接穗到砧木的轉運；相反，可將內酯(CL)從砧木上移到接穗，然后在接穗中轉化為活性內酯(SL)。還有番茄砧木中的ABA可以向上運輸以調節(jié)接穗的氣孔關閉。除此之外，在干旱脅迫下，GA可能產生于番茄的砧木和接穗。

4 砧木對接穗遺傳物質的調控

嫁接過程中除了一些小分子如水、氨基酸和激素外，還有一些大分子，如mRNAs、蛋白質這些遺傳物質在砧、穗間進行傳遞交流，引起遺傳物質的改變?？缃狱c的mRNA和小RNA傳輸目前正在成為控制種群/接穗通訊的重要機制，同時可能在植物移植的生理過程中起著至關重要的作用。早在1970年，Kollmann等[21]研究發(fā)現(xiàn)，大量的蛋白質和RNA大分子存在于植物的韌皮部中，并且在后續(xù)的研究中也發(fā)現(xiàn)在植物韌皮部有許多內源蛋白和RNA分子調控著植物新陳代謝等過程。Kim等[22]在番茄嫁接試驗中發(fā)現(xiàn)，砧木中特異性表達的一種mRNA長距離轉移至接穗，從而導致接穗葉形向砧木葉形變異。在梨嫁接體中發(fā)現(xiàn)PbwoxT1mRNA可以通過韌皮部遠距離傳遞，并對樹形發(fā)育、樹勢平衡進行調控。近年來，研究者們已獲取了葡萄、蘋果、柑橘等果樹的韌皮部轉錄組信息，數(shù)據表明果樹韌皮部內存在眾多參與各個生理過程的mRNA，還存在許多非編碼RNA。它們的功能涉及植物營養(yǎng)代謝、激素、信號轉導、脅迫反應等調控過程，并發(fā)現(xiàn)了一些miRNA可能影響嫁接親和性。目前的研究發(fā)現(xiàn)，長距離運輸RNA分子可作為系統(tǒng)信號分子介導果樹生長發(fā)育的調控，如GAI mRNA在嫁接后可長距離運輸并可以引起蘋果、梨等的葉片表型及接穗性狀改變。

在嫁接過程中除了一些編碼蛋白質外，還有一些非編碼蛋白質(比如miRNA、siRNA等)。這些非編碼蛋白質通過嫁接可以進行長距離運輸，進而調控接穗植株的性狀。比如Bhogale等[23]的研究發(fā)現(xiàn)，控制馬鈴薯塊莖形成的非編碼mRNA分子，如mi-RNA172通過嫁接中砧、穗互作部位，進行長距離運輸，通過調節(jié)控制塊莖發(fā)育的基因的表達，進而促進塊莖膨大。這些miRNA分子能夠響應砧、穗互作過程中各種生理活動，通過調控一些植物靶基因和相關轉錄因子的表達調控植物生長發(fā)育過程。miRNAs在砧木與接穗之間單向運動調節(jié)植物生長發(fā)育。Thieme等[24]研究發(fā)現(xiàn)，大量的miRNA在特定組織中移動，從而調節(jié)植物組織發(fā)育。miRNA作為信號分子，控制著嫁接植物花、葉片形狀等性狀，Corbesier等[25]研究發(fā)現(xiàn)，一些嫁接植物開花機制受到miRNA調控。植物地上部可通過韌皮部miR399的長距離移動調控地下部無機磷酸鹽(Pi)響應關鍵因子PHO2的表達，從而對環(huán)境中的Pi水平做出響應。在此基礎上，有學者建議在不改變接穗(砧木)基因的情況下，通過改造砧木(接穗)，利用砧、穗間遠程信號的調控，來獲取所需要的農藝性狀。

另外，在植物嫁接過程中，砧木和接穗中一些物質相互運動能夠形成自我保護，比如Waterhouse等[26]研究表明，siRNA在嫁接時的販運，它誘導轉錄和轉錄后水平的基因沉默，以觸發(fā)植物對病毒的適應和防御。Molnar等[27]在擬南芥研究中發(fā)現(xiàn)，從接穗到砧木有24個核苷酸sRNAs移動，并且介導DNA甲基化，并指導受傷細胞的表觀遺傳修飾。長距離傳遞的信號物質在植物砧木抵抗病害以及調控植株發(fā)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)在細胞壁中起防御作用，葡萄接穗嫁接到轉pPGIP基因砧木，可以檢測到PGIP，表明PGIP在嫁接過程中具有移動功能。

綜上所述，砧木和接穗之間通過嫁接能夠形成完整的維管組織，并在嫁接植物體生長發(fā)育中，存在于韌皮部中的蛋白質、mRNA、miRNA等一些大分子會選擇性的從伴胞經胞間連絲到篩管，并在砧木和接穗之間進行長距離運輸?shù)较鄳陌屑毎M行調控相關基因的表達，來調控植物器官發(fā)育。這些研究成果對嫁接植物生長發(fā)育的機制研究具有重要的推動作用。

5 展望

研究砧、穗互作對于植物包括果樹和蔬菜的影響，有助于更好地培育新品種，為砧木育種和實踐上的應用提供更多的學習和參考依據。由于砧、穗之間的組合多樣化，目前關于砧、穗互作機制還需要進一步根據植物種類加深研究。從對于蘋果等果木的研究中可以看出，砧、穗互作中內源激素的作用機制研究的比較少，內源激素不僅影響植物生長發(fā)育，而且對砧木和接穗的表型變化起到調節(jié)作用。由于從生長、生理角度研究存在太多的不確定性，所以可以轉換研究思路，借助一些生化和分子手段開展研究，激素合成酶和相關信號調控因子在砧、穗互作中的表達變化是值得考慮的。

另外，研究砧、穗互作的機制，可以應用在水果、蔬菜的培育生產上：①如果可以對砧木進行改良，使其變成轉基因植株，轉基因植株只在砧木中進行表達，并且對接穗不會產生影響，接穗仍然用野生植株，砧木則用轉基因植株，通過嫁接手段，這樣得到的植株不僅能嫁接出能為人類所用的植株，同時還可以消除消費者的安全疑慮，并且對環(huán)境友好，是一種可持續(xù)發(fā)展的生產方式，是值得深入研究的方向。②有很多研究表明，在果蔬作物育種中，砧木和接穗嫁接，可以顯著提高接穗光合作用的能力，并且能提高整個完整植株的產量，這在果蔬生產中是具有很高的效益。③在嫁接過程中，砧、穗互作中引起遺傳信息發(fā)生改變，引起遺傳變異，這可以提供一個思路，在植物育種中具有很大的利用價值，但目前關于嫁接引起遺傳變異的機理的研究并不是十分清楚，關于一些非編碼蛋白質在砧、穗間長距離運輸以及運輸?shù)教囟ǖ陌悬c的功能和作用機理有待深入研究。