1、果树砧穗互作研究进展 何文 潘鹤立 潘腾飞 汤浩茹 王小蓉 潘东明 福建农林大学园艺产品贮运保鲜研究所 四川农业大学园艺学院 摘 要： 果树砧穗互作相关机理的研究对于揭示嫁接亲和性、营养平衡以及信号调控器官形态建成具有重要意义。综述了果树砧穗互作相关机制, 并指出目前存在问题和未来发展方向。研究表明: (1) 砧穗间细胞正确识别和信息交流是嫁接正常愈合的关键, 生理生化代谢物质也影响嫁接体的愈合; (2) 嫁接体成活后, 砧木直接影响接穗营养水平, 接穗调控砧木根系生长发育并产生反馈作用, 砧穗间内源激素含量及比例和一些可远距离传递的信号物质参与调控嫁接体发育过程; (3) 嫁接杂交为果树育种
2、提供新的方向。未来应进一步研究内源激素如何调控嫁接愈合及嫁接体营养运输、远距离移动的信号物质和嫁接遗传物质改变的分子机制。关键词： 果树; 砧穗互作; 解剖结构; 内源激素; 信号传递; 遗传物质交换; 作者简介：潘东明 E-mail:;作者简介：王小蓉 收稿日期：2017-05-15基金：人力资源与社会保障部留学回国人员择优资助项目Research Progress on the Interaction Between Scion and Rootstock in Fruit TreesHE Wen PAN Heli PAN Tengfei TANG Haoru WANG Xiaorong
3、PAN Dongming Institute of Postharvest Science and Technology of Horticultural Products, Fujian Agriculture and Forestry University; College of Horticulture, Sichuan Agricultural University; Abstract： Grafting, an old plant propagation practice, is still widely used in fruit trees, which can improve
4、horticulture traits, such as fruit yield and quality, abiotic and biotic stress, and scion phenotypes.The research progresses on the interaction between scion and rootstock in fruit trees were reviewed in this paper, and their limitation and promising application prospect were also summarized at the
5、 end.Previous studies have shown three aspects as follows. (1) Grafting compatibility required for plant cell-to-cell trafficking and communication via the intercellular connections.The physiological and biochemical metabolisms between rootstock and scion also have certain impacts on graft healing.
6、(2) The interaction between scions and rootstock may involve reducing the size of the root system, or the graft junction itself may restrict the flow of water, nutrients and minerals.Endogenous hormone can modify plant growth and increase stress resistance.Some of the proteins and RNA are involved i
7、n long distance transmission signal regulating the plant development. (3) Graft hybridization provides a new direction for fruits breeding.Understanding the interaction between scions and rootstock will shed light on graft compatibility and may help us to understand the potential signals regulating
8、growth or stress resistance.In addition, we should illustrate how the endogenous hormone regulates healing progress and nutrient transfer of grafted union.Also, the molecular mechanism of long distance transmission signals and genetic exchange between scion and rootstock is needed to be clear in the
9、 future.Keyword： fruit trees; rootstock-scion interaction; anatomy; endogenous hormone; signal transduction; genetic exchange; Received： 2017-05-15绝大部分果树种类都是嫁接在砧木上进行生产, 砧木和接穗的亲和性直接影响嫁接品种的正常生长、开花结果及果实产量与品质 (Mudge et al., 2009;MelnykWang, 2011;Goldschmidt, 2014) 。砧穗间的互作关系一直是一个热点研究问题 (Warschefsky et al
10、., 2016) 。随着分子生物学的发展, 近年来对砧穗互作机理的研究逐渐深入, 并证实维管束内一些蛋白质和 RNA 可以随糖类等物质共同运输, 并可以长距离传递至接穗的顶端分生组织参与调控接穗生长发育过程 (Duan et al., 2015;Qiu et al., 2016;Wang et al., 2016) 。砧穗互作机理的深入研究, 对于深化果树相关理论知识、解决生产中面临的砧穗不亲和问题以及有针对性地改造果树具有重要意义 (Gainza et al., 2015) 。目前针对果树嫁接的研究较多, 但深入研究的较少。根据有关果树上对砧穗互作的研究现状, 就砧穗愈合过程、矿质营养、内源
11、激素和长距离运输的信号物质对嫁接体生长发育的调控机制, 以及砧穗间遗传物质交换等方面, 对果树砧穗互作机制进行综述, 以期为果树砧木的选择利用提供参考。1 果树嫁接愈合因素研究1.1 砧穗细胞识别和信息交流砧穗完全愈合是嫁接成功的基础。虽然不同砧穗组合愈合所需时间不同, 但愈合的过程基本一致, 先后经历愈伤组织发生, 胞间连丝形成, 形成层分化和连接以及木质部及维管束连接等 (图 1) 。图 1 嫁接愈合过程及相关研究报道 Fig.1 Model refinement of graft-union development and related researches 下载原图双斜线表示因可能的
12、原因导致嫁接愈合失败。Double slashes represent the possible reasons of the graft failure.嫁接愈合过程涉及到细胞分化与脱分化, 砧穗间亲和性, 砧穗间水分、物质和信息的传递等众多问题, 其中内源激素水平 (Kse刘传荷等, 2009;Pina et al., 2009;Sima et al., 2015) 、酚类 (Fiehn et al., 2008;Goldschmidt, 2013) 和有毒物质 (Prinsi et al., 2015) 等决定着嫁接体能否成功愈合。维管束再连接是一个复杂的过程, 主要包括砧木与接穗的薄壁
13、组织分化并连接。Yeoman 等研究茄属 (Solanum) 一些种相互嫁接后提出, 砧木和接穗细胞间正确识别是嫁接体能够正常愈合的关键 (YeomanYeoman et al., 1978) 。但 Moore (1981, 1984a, 1984b) 认为砧穗愈合仅属于对机械损伤的应激反应。异种细胞间次生胞间连丝的发现则证实了接穗与砧木细胞间存在识别和信息交流 (刘传荷等, 2009;Yin et al., 2012) 。Ermel 等 (1997) 对梨/榅桲 (Pyrus communis/Cydonia oblonga) , Soumelidou 等 (1994) 对苹果 (Malus
14、) 的嫁接研究结果也支持这一观点。与之对应的是, 嫁接不亲和组合则存在砧穗细胞间交流受阻等现象。如对杏/李 (Prunus armeniaca/P.cerasiferaP.munsoniana) 嫁接不亲和组合的研究发现, 愈伤组织的细胞间交流较李自体嫁接大幅减少, 确定杏/李嫁接不亲和与其砧穗细胞胞间连丝的不充分耦合有关 (Pina et al., 2009, 2012) 。1.2 生理生化水平砧穗间生理生化水平的相互作用也被认为是愈合能否成功的重要因素 (KoepkeCao-Delgado et al., 2010;Yin et al., 2012) 。Aloni 等 (2008) 研究了
15、嫁接后植株产生的氧化应激反应, 认为其可能是响应生长素合成的一种平衡机制。最近发现在嫁接后存在一些 m RNA 表达量的改变, 可能与生长素合成及细胞分化有关。如在以拟南芥 (Arabidopsis thaliana) 为材料的嫁接试验中, 发现细胞间传递的生长素响应基因 ALF4 (Aberrant Lateral Root Formation 4) 可以启动维管束对生长素的响应 (Melnyk et al., 2015) 。在葡萄 (Vitis vinifera) 愈合部位的转录组水平的研究中发现, 其油菜素内酯调控基因上调, 推测油菜素内酯可能主要在嫁接中起防御作用, 脱落酸、乙烯和水杨
16、酸代谢相关基因的下调也说明嫁接中内源激素起着不同的作用 (Cookson进一步研究表明其存在差异蛋白的表达 (Prinsi et al., 2015) 。酚类物质的堆积也被认为是嫁接愈合不成功的原因之一, 少量的酚类物质就可以造成细胞机能的丧失 (Fiehn et al., 2008) 。在杏/李不亲和组合的结合部位中, 一个参与酚类化合物合成的关键酶 L苯丙氨酸解氨酶 (Phenylalanine ammonia-lyase) 基因 PAL 的表达类型被认为与该组合能否亲和有关 (Pina王元裕等, 1996;刘勇等, 1998) 和维管束连接不完全等 (Chen et al., 2016)
17、 , 甚至外界环境不适也会造成嫁接不愈合。禾本科植物嫁接完全愈合只需几天, 果树嫁接愈合则可能需要几个月才能完成 (Koepke张秀芝等, 2014) 、桃 Prunus persica (Tsipouridis进一步的研究表明 Ci NIP5 (An et al., 2012) 和 Cm BOR1 (Caon et al., 2013;Martnez-Cuenca et al., 2015) 表达的差异可能是造成纽荷尔橙耐缺硼能力差异的重要原因。郭学民等 (2011) 以毛桃 (P.persica) 为砧木, 21 世纪桃为接穗的嫁接树与非嫁接树根系导管分子类型和大小进行研究, 发现接穗能够
18、导致砧木根系导管分子的类型与直径发生改变, 进而对营养的吸收和运输产生影响。同时, 不同生长状态的接穗与砧木都会对嫁接植株生长发育有显著影响 (Li et al., 2016) 。因此, 嫁接果树作为一个统一体, 在生产中不仅要考虑砧木对接穗的影响, 也需要考虑接穗对砧木的影响。接穗光合产物的运输及分配直接影响砧木根系的生长, 根系的发育状况也会对接穗的生长发育产生反馈作用 (Warschefsky et al., 2016) 。2.2 内源激素对嫁接植株的调控作用内源激素作为信号分子, 在时间和空间上调控果树嫁接体发育的许多过程。植物激素可能参与嫁接体营养运输调控, 如通过对 FIT 的转录
19、活性调节和对 FIT蛋白稳定性的转录后调控乙烯合成并参与植物缺铁胁迫应答 (Garca et al., 2010;Lingam et al., 2011) 。此外, 生长素、脱落酸和细胞分裂素也可能参与了氮素吸收的调控 (Kiba进一步研究表明, NPA (N-1-naphthylphthalamic acid) 作为生长素运输抑制因子, 减少了 IAA 由砧木向接穗的运输 (Hooijdonk et al., 2010) 。同时, 对转 At GAI 基因苹果嫁接研究发现, 去除 DELLA 结构域的 GAI 能够通过砧穗间的传递引起接穗矮化 (Xu et al., 2010) ;GAI 在
20、梨嫁接体系及转基因嫁接株系中的传递可以通过嫁接口由砧木向接穗进行远距离传递, 并且能够促使接穗节间缩短引起整个植株的矮化 (Zhang et al., 2012) , 这与 DELLA 蛋白是 GA信号传导通路上 1 个关键的生长负调节因子密切相关, 如果含 DELLA 蛋白结构域的 GAI 基因发生突变, 植株常常表现出对 GA 不敏感, 矮化和开花延迟等特征。这些研究表明, 内源激素直接影响嫁接植株的性状表达。因此, 揭示嫁接后砧木和接穗的各种内源激素的代谢水平及其相互作用机制及其如何影响砧穗性状的表达是进一步努力的方向。2.3 可长距离运输的信号物质嫁接体内的营养运输及植物激素传导都受相
21、关基因调控。随着研究的不断深入, 一些可通过韧皮部长距离运输的蛋白和 RNA 在信号传导方面可能扮演的角色成为研究者们关注的热点 (Spiegelman et al., 2013;NotaguchiYang et al., 2015) 、苹果 (Varkonyi-Gasic et al., 2010) 、柑橘 (Tzarfati et al., 2013) 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 m RNA, 还存在许多非编码 RNA (Tzarfati et al., 2013;Sima et al., 2015) 。它们的功能涉及到植物营养代谢、激素、信
22、号转导、胁迫反应等调控过程, 并发现了一些 mi RNA 可能影响嫁接亲和性 (Tzarfati et al., 2013) 。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 m RNA 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 (Xu et al., 2010;Zhang et al., 2013) 。植物地上部可通过韧皮部 mi R399 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 水平作出响应 (Lin et al., 2008) 。通过分析南瓜韧皮液还发现其中存在
23、 t RNAs、核糖体 RNAs 和剪切 RNAs (Zhang et al., 2009) , 利用人工合成的 t RNA 片段证实韧皮液特异 t RNA 可干扰核糖体功能, 暗示韧皮液 RNA 具有干扰并抑制蛋白翻译的作用 (Zhang et al., 2009) 。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 (Haroldsen et al., 2012) 。表 2 运用嫁接试验证实具有长距离移动能力的果树 RNA 分子种类 Table 2 RNA molecules which were
24、 demonstrated to be long-distance transported by grafting in fruit plant in recent years 下载原表 3 砧穗间遗传物质交换由于砧穗间遗传背景的差异, 嫁接后随着砧穗间的物质运输与信号传导, 其遗传物质是否存在交换或基因互作成为进一步的研究热点。达尔文在 1868 年明确提出嫁接杂种的概念 (Darwin, 1883;Liu, 2006) , 但其真实性成为学者们的争论点。许多学者在多年嫁接杂交试验中发现嵌合体的存在 (吴巨勋等, 2014) , 并认为嫁接杂种实际是嵌合体 (罗正荣等, 1996) 。也有很
25、多研究表明嫁接杂种不仅能表现两种嫁接成分所具有的性状, 而且常呈中间性状, 甚至产生新性状 (Janick, 2005;Li et al., 2013;Tsaballa et al., 2013;Wu et al., 2013) 。Zhou 等 (2013) 将紫叶李 (Prunus cerasifera) 嫁接至玉皇李树上, 发现玉皇李实生后代幼苗有些出现明显的紫叶性状。范盛尧 (1999) 发现, 在接穗郁李 (Cerasus japonica) 的长期影响下杏砧木蘖生出酷似郁李的植株。果树中一些被认为是芽变的品种也可能来源于嫁接结合处基因互作并发育成稳定的可遗传的性状 (Kaddoura
26、甚至叶绿体基因组可以在砧穗间交换, 如由于完整的叶绿体基因组在草本和木本烟草中转运, 形成了稳定的烟草杂种 (Stegemann et al., 2012) 。已有研究表明, 嫁接引起的基因沉默信号长、短距离的传导可能是一个新的造成嫁接杂种出现的机制 (Mudge et al., 2009) 。随着表观遗传学研究的开展, 也有很多证据拓展这一说法。在茄科 (Solanaceae) 植物的研究中发现嫁接过程中砧木造成接穗可遗传的甲基化变化 (Wu et al., 2013) , 这为探索有关嫁接产生杂种机制提供了新思路。因此, 嫁接杂交在果树等主要靠嫁接繁殖后代的作物遗传育种研究中具有重要意义,
27、 值得进一步研究。4 问题与展望果树嫁接后砧穗互作的相关研究已经有了较大进展, 但内源激素如何调控果树嫁接愈合、嫁接体营养运输方式、果树中长距离传递的信号分子以及嫁接变异相关分子机制仍未清晰。基于前述相关研究进展, 果树砧穗互作研究机制的进一步探索, 应着重以下 3 方面。(1) 植物内源激素作为一种信号物质, 参与嫁接愈合过程和嫁接体生长发育。目前普遍认为生长素对砧穗愈合起着主要作用, 但其他激素在嫁接愈合中是否具有功能还需进一步深入研究 (Cookson et al., 2013;Qiu et al., 2016) 。正如前述, 嫁接完全愈合后, 嫁接体的生长发育以及抗性也受内源激素调控
28、(Aloni et al., 2010) , 但砧穗组合不同, 其内源激素合成及运输方式也不同 (LacombeNotaguchiYang et al., 2015) 。通过对 RNA 介导的代谢途径的研究, 可望进一步揭示有关果树砧穗互作机制, 明晰嫁接体的生长发育调控方式, 并利用这种远程调控信号进行有目的地改造果树嫁接体生长发育, 提高矿质元素利用效率, 合理分配碳水化合物, 优化开花结果等农艺性状等提供重要参考。(3) 近些年来, 随着循环核酸的发现以及横向基因转移概念逐渐被认可, 不断积累的嫁接杂交新证据表明达尔文关于遗传分子可以在细胞之间移动的论点在一定条件下是成立的 (Liu,
29、2013) 。嫁接蒙导杂种能避免使用具有争议的转基因手段培育出丰富的嫁接杂种, 因此采用嫁接杂交方法产生新杂种, 具有重要的研究及应用价值。但是目前由于产生嫁接杂种的方法还不完善且相关机理尚未研究清楚, 有关嫁接砧穗互作导致遗传物质改变的相关研究主要集中在控制影响植株光合能力、叶片性状、逆境胁迫响应等母性遗传的数量性状等砧穗间叶绿体基因组遗传物质交换 (StegemannFuentes et al., 2014) 。嫁接杂交不仅是一种简单实用的育种方法, 嫁接杂种也是遗传学研究的优良材料, 对于揭示砧穗间遗传物质交换相关机制具有重要意义, 值得进一步研究。参考文献Agero C B, Urat
30、su S L, Greve C, Powell A L, Labavitch J M, Meredith C P, Dandekar A M.2005.Evaluation of tolerance to Pierces disease and Botrytis in transgenic plants of Vitis vinifera L.expressing the pear PGIP gene.Molecular Plant Pathology, 6 (1) :43-51. Almansa M S, Hernandez J A, Jimenez A, Botella M A, Sevi
31、lla F.2002.Effect of salt stress on the superoxide dismutase activity in leaves of Citrus limonum in different rootstock-scion combinations.Biologia Plantarum, 45 (4) :545-549. Aloni B, Cohen R, Karni L, Aktas H, Edelstein M.2010.Hormonal signaling in rootstock-scion interactions.Scientia Horticultu
32、rae, 127 (2) :119-126. Aloni B, Karni L, Deventurero G, Levin Z, Cohen R, Katzir N, Lotan-Pompan M, Edelstein M, Aktas H, Turhan E.2008.Physiological and biochemical changes at the rootstock-scion interface in graft combinations between Cucurbita rootstocks and a melon scion.The Journal of Horticult
33、ural Science and Biotechnology, 83 (6) :777-783. An J, Liu Y, Yang C, Zhou G, Wei Q, Peng S.2012.Isolation and expression analysis of Ci NIP5, a citrus boron transport gene involved in tolerance to boron deficiency.Scientia Horticulturae, 142:149-154. Brosnan C A, Mitter N, Christie M, Smith N A, Wa
34、terhouse P M, Carroll B J.2007.Nuclear gene silencing directs reception of long-distance m RNAsilencing in Arabidopsis.Proceedings of the National Academy of Sciences, 104 (37) :14741-14746. Cao-Delgado A, Lee J, Demura T.2010.Regulatory mechanisms for specification and patterning of plant vascular
35、tissues.Annual Review of Cell and Developmental Biology, 26:605-637. Caon P, Aquea F, Rodrguez Hoces de la Guardia A, Arce Johnson P.2013.Functional characterization of Citrus macrophylla BOR1 as a boron transporter.Physiologia Plantarum, 149 (3) :329-339. Chang Jun, Yao Xiao-hua, Yang Shui-ping, Wa
36、ng Kai-liang.2007.Effects of different scions on root growth of Pecan (Carya illinoensis) .Journal of Southwest University (Natural Science Edition) , 29 (10) :104-108. (in Chinese) 常君, 姚小华, 杨水平, 王开良.2007.美国山核桃不同品种接穗对嫁接苗木根系生长发育影响的研究.西南大学学报 (自然科学版) , 29 (10) :104-108. Chen Z, Zhao J, Qin Y, Hu G.2016
37、.Study on the graft compatibility betweenJingganghongnuoand other litchi cultivars.Scientia Horticulturae, 199:56-62. Cohen Y, Gur A, Barkai Z, Blumenfeld A.1991.Decline of persimmon (Diospyros kaki L.) trees on Diospyros virginiana rootstocks.Scientia Horticulturae, 48 (1-2) :61-70. Cookson S J, Ol
38、lat N.2013.Grafting with rootstocks induces extensive transcriptional re-programming in the shoot apical meristem of grapevine.BMC Plant Biology, 13 (1) :147. Cookson S J, Moreno M J C, Hevin C, Mendome L Z N, Delrot S, Trossat-Magnin C, Ollat N.2013.Graft union formation in grapevine induces transc
39、riptional changes related to cell wall modification, wounding, hormone signalling, and secondary metabolism.Journal of Experimental Botany, 64 (10) :2997-3008. Darwin C.1883.The variation of animals and plants under domestication.New York:D.Appleton&Company. Duan X, Zhang W, Huang J, Hao L, Wang S,
40、Wang A, Meng D, Zhang Q, Chen Q, Li T.2016.Pb Wox T1 m RNA from pear (Pyrus betulaefolia) undergoes long-distance transport assisted by a polypyrimidine tract binding protein.New Phytologist, 210 (2) :511-524. Duan X, Zhang W, Huang J, Zhao L, Ma C, Hao L, Yuan H, Harada T, Li T.2015.KNOTTED1 m RNA undergoes long-distance transport and interacts with movement protein binding protein 2C in pear (Pyrus betulaefolia) .Plant Cell, Tissue and Organ Culture (PCTOC) , 121 (1) :109-119.
