遠緣嫁接的概念、方法及相關問題研究,農藝學論文

遠緣嫁接的概念、方法及相關問題研究,農藝學論文嫁接技術起源于戰(zhàn)國時期［1］，在古今農業(yè)生產及植物學研究中均有廣泛的應用［2－4］。遠緣嫁接是嫁接技術研究的一個重要組成部分，成功的遠緣嫁接在提高植物的觀賞價值和產量、改良品質及育種實踐等方面都有重要作用［4］。大多遠緣嫁接由于嫁接不親和而難以實現，那么怎樣通過改良操作方式方法克制嫁接不親和已成為嫁接研究中的難點問題。近年來，越來越多的證據表示清楚，嫁接能引起植物可遺傳的變異，尤其是科間及其以上的遠緣嫁接，已經逐步成為創(chuàng)造新種質資源的一種重要手段［5－7］。固然嫁接引起的可遺傳變異已逐步被人們認可，但其誘變機制還有待進一步研究。筆者就遠緣嫁接的常見方式方法、操作重點、親和性、誘變機制及對解釋遠緣嫁接誘變的2種假講進行討論。1遠緣嫁接的概念及類型生產意義上的嫁接是指有目的地將一株植物的芽或枝等器官(接穗)接到另一株帶有根系的植株(砧木)上的經過。遠緣嫁接是指親緣關系較遠的種間、屬間、科間甚至是科間以上的植物之間的互相嫁接［4］。根據嫁接所用砧木和接穗親緣關系的遠近，可將遠緣嫁接分為種間遠緣嫁接、屬間遠緣嫁接和科間及其以上遠緣嫁接。1．1種間遠緣嫁接種間遠緣嫁接指同一屬內不同種間植物的嫁接。種間遠緣嫁接是生產上最為常見的嫁接組合方式，在果樹、蔬菜、花卉和農作物等上都有應用。白玉山楂/山里紅(接穗/砧木，下同)、蘋果/山定子、蘋果/海棠、李/杏、李/毛桃、葡萄柚/枳殼、葡萄柚/紅橘、葡萄柚/紅檬、紅松/油松、番茄/馬鈴薯、茄子/番茄、榨菜/紫甘藍、牡丹/芍藥、毛鵑/西鵑等都是種間遠緣嫁接。要求不嚴格，一些常用的嫁接方式方法就可使嫁接植株成活。1．2屬間遠緣嫁接屬間遠緣嫁接指同一科內不同屬間植物間的嫁接。屬間遠緣嫁接的情況要復雜些，有些嫁接組合很容易成活，而有些嫁接組合成活則較難。親緣關系相對較近的瓜類和一些果樹的嫁接組合就較易成功，如西瓜/南瓜、西瓜/葫蘆、黃瓜/南瓜、哈密瓜/南瓜、杏/桃、梨/蘋果、梨/榅桲、桃/梨、核桃/楓楊、枇杷/石楠、桂花/女貞等。除此之外，一些花卉植物間和豆類植物間的嫁接組合也較容易成活，如菊花/青蒿、仙人球/虎刺、大豆/扁豆、綠豆/大豆。而一些親緣關系較遠的嫁接組合則不易成活，如柳屬/楊屬、番茄/枸杞等。對于較易成活的一些嫁接組合，如今大多都有成熟的嫁接方式方法，華而不實以芽接和枝接較多，只要注意材料選擇、嫁接時間、操作細節(jié)和解綁時間即可。對于一些較難成活的嫁接組合來講，則需要注意嫁接方式方法的改良，如適當增長削切斜面、改良削切方式方法、適當推延解綁時間和適當增大環(huán)境濕度等都有利于提高嫁接成活率。例如，在柳屬/楊屬嫁接組合中采用插皮法嫁接時，若將接穗背部表皮削切改為輕輕刮去至露出皮層后，成活率可提高30%～60%［8］。另外，選擇適宜的品種組配親和嫁接也是能否成活的關鍵。1．3科間及其以上遠緣嫁接科間及其以上遠緣嫁接是指不同科間或者親緣關系更遠的植物間的嫁接。這種嫁接在一般情況下難以實現，但若嫁接和管理得當也能成功。在樹木上的科間及其以上遠緣嫁接的實例大多來自史料記載［4］，現存的成活植株比擬罕見。近年來，科間及其以上的遠緣嫁接在農作物上的成功實例較多，包括棉花/蓖麻、棉花/向日葵、蠶豆/向日葵、綠豆/甘薯、小麥/甘薯、大豆/甘薯、花生/甘薯、油菜/蓖麻、大豆/番茄、大豆/蓖麻、大豆/生姜、大豆/洋姜［2，4，7］等。除此之外，有些學者還利用試管苗進行遠緣嫁接，嫁接組合包括小麥/寶塔菜、綠豆/寶塔菜、綠豆/長壽花、長壽花/寶塔菜、大巖桐/雞冠花、雞冠花/大巖桐、長壽花/大巖桐、長壽花/雞冠花等［9－10］?？崎g及其以上的遠緣嫁接對嫁接方式方法要求較高，必須采用一些特殊方式方法才能成功。另外，嫻熟的操作也是嫁接成功的關鍵。2遠緣嫁接方式方法2．1遠緣嫁接常用方式方法植物嫁接方式方法有很多，但能使遠緣嫁接成活的方式方法以劈接法、靠接法、插接法、芽接法和種芽法居多，成功的例子中大多都采用這幾種方式方法。2．1．1劈接法［8，11］將砧木植株莖干截斷，自莖干中間豎直向下劈開;接穗植株也自莖干截斷，將截斷的上部莖干底部削成楔子形插入砧木的劈口，用布條纏緊即可。2．1．2靠接法［8，11］將待嫁接的2個植株種到一起，待二者生長到一定階段時，在砧木植株和接穗植株上莖干粗細一樣的部位削去大小一樣的平面，將2個平面靠在一起(或者采用舌接法)，用塑料帶捆牢，成活后剪去多余的砧木和接穗。2．1．3插接法［8，11］插接法在蔬菜嫁接上運用較多。一般是在砧木1葉1心、接穗子葉剛展平常嫁接。將砧木葉心去1將接穗除根并削成楔子形，插入砧木莖端的孔中。2．1．4芽接法［8，11］芽接可采用工字形或丁字形芽接。選取成熟飽滿的當年生枝作接穗，削切芽時要保證芽長2cm左右，且應適當帶些木質部，小心將芽插入砧木后綁扎。芽接要把握好嫁接機會，過早過晚嫁接都會影響嫁接的成活情況。同時，還應根據愈合情況嚴格控制解綁時間，過早過晚解綁也會導致嫁接失敗。2．1．5種芽法［8，11］近代以來，在農作物上遠緣嫁接成功的例子中有很多采用種芽法嫁接的。種芽法嫁接是先將砧木材料種下，待其成長到4～6張真葉后，對接穗材料進行催芽。待芽長到1～2cm時，在砧木莖干上用牙簽向下鑿1個小洞，將種芽放入華而不實，捆綁并用濕土覆蓋結合部位。種芽法是一種特殊的嫁接方式方法。首先，作為接穗的是種芽而不是植物的一部分。其次，種芽法的愈合方式特殊。在很多情況下，接穗都會在砧木的莖干中扎根，并且接穗的根還會逐步穿過砧木1側根。再次，種芽法的成活率較高，且生長情況比其他嫁接方式方法好。種芽法嫁接植株的接穗相當于寄生在砧木上，所以種芽法別稱為寄生嫁接法。2．2遠緣嫁接操作重點上述幾種嫁接方式方法為遠緣嫁接的常用方式方法，固然其成活率相對較高，但是由于遠緣嫁接成活較難，在嫁接經過還要注意操作的合理性。嫻熟的嫁接操作能夠大大提高嫁接成活率，有人提出了手快、眼快、鋸快和刀快［4，11］的嫁接經歷體驗。筆者結合本身經歷體驗也總結出了遠緣嫁接操作的6個操作重點，即備、濕、小、快、精、柔。詳細地講就是場地好，濕度高;工具全，利且凈;材料小，強且壯;操作快，精而柔。3遠緣嫁接的不親和嫁接不親和是指嫁接后嫁接植株不能成活或成活后不能正常生長發(fā)育。由于親緣關系較遠的植物之間的互相嫁接大多是不親和的，很多學者對于古代關于遠緣嫁接的記載和當代遠緣嫁接成功的例子都持懷疑的態(tài)度。嫁接不親和的原因是多方面的，主要包括遺傳因素、環(huán)境因素和病害因素等［2，12－13］。3．1遺傳因素遺傳因素是影響嫁接不親和最主要的因素。遺傳因素對嫁接親和性的影響主要包括親緣關系的遠近、生育期長短及生理生化差異等幾個方面。3．1．1親緣關系砧木與接穗在分類學上親緣關系越近，嫁接成功率就越高，反之，排異現象強烈，嫁接不易成活［2，12－14］。一般來講，種內嫁接最易成功，其次是種間嫁接，屬間嫁接則較難成功，而科間及其以上的遠緣嫁接很難成功。3．1．2生育期對于嫁接植物來講，其砧木生育期一般不應短于接穗的生育期。砧木是接穗重要的水分和養(yǎng)分供應者，砧木一旦衰老，對接穗的水分和養(yǎng)分供應就必然會減弱。假如接穗不能在砧木結束水分、養(yǎng)分供應前完成其生育期，嫁接就很難成功。3．1．3生理生化因素生理性不親和包括3個方面:一是由砧穗間的生理構造差異導致不能正常愈合引起的;二是由砧穗雙方在物質溝通經過中產生某些有害物質引起的;三是由砧穗雙方的生理狀態(tài)不適宜而引起的。一般來講，砧木和接穗親和的愈合經過包括3個步驟，即隔離層的構成及細胞間的初始粘連、愈傷組織構成、砧穗間維管束橋的構成［2］。對于不親和的嫁接組合，很難全部完成這3個步驟。在有些不親和的組合中，愈傷組織就難以構成。如在蠶豆/菊芋不親和嫁接組合中，接穗和砧木之間無貫穿的胞間連絲構成，嫁接雙方之間也沒有韌皮部的連通。在有些不親和的嫁接組合中，砧木和接穗間能夠構成維管束橋，但在有些嫁接組合中，構成的維管束橋會被某些物質(如胼胝質)堵塞［2，15］，進而影響砧木和接穗間的物質溝通。在有些嫁接組合中，由于砧穗雙方存在生理生化上的差異，在物質溝通經過中會產生一些有害物，進而導致嫁接植株死亡。如在梨/榅桲嫁接組合中，由于榅桲產生的－扁桃腈葡萄苷會進入梨的韌皮部，有些梨樹能將這種物質分解并產生有毒的含氰物，最終使嫁接植株死亡，有些梨樹則由于不能分解－扁桃腈葡萄苷而得以成活［2，12］。有些嫁接組合在不同時期嫁接，其成活率就有很大的差異不同。由于砧木和接穗的生理狀態(tài)的不適宜，使得接穗獲得水分和養(yǎng)分的情況也不適宜，進而導致嫁接失敗，主要包括2種情況:(1)接穗因不能從砧木中得到充足的營養(yǎng)而死亡。如已萌發(fā)的接穗嫁接到未萌發(fā)的砧木上，接穗由于缺乏水分和養(yǎng)分供應而死亡［12］。(2)嫁接后由于砧木的營養(yǎng)供應使得接穗的狀態(tài)不能適應環(huán)境而導致的死亡。如在秋季柳/楊組合中采用芽接時，嫁接過早會導致接芽萌發(fā)，越冬時則會凍死［11，16］。在有些嫁接組合中，由于2種材料生理狀態(tài)存在一定的差異，往往會造成親和的單向性。如假酸漿/番茄是親和的，番茄/假酸漿則是不親和的［14］。除此之外，砧木和接穗的激素水平差異、砧木和接穗間的排異反響也能引起嫁接不親和現象［2，13－15］。3．2環(huán)境因素環(huán)境引起的嫁接不親和也有可能屬于生理生化不親和的范疇，但當前尚無明確定論。環(huán)境引起的嫁接不親和包括下面幾種情況:(1)同一嫁接組合在不同地區(qū)的親和性不同。有些嫁接組合的砧木和接穗在兩地都合適種植，但在一個地方表現為親和，在另一個地方則表現為不親和。如核桃/楓楊，在山東地區(qū)親和，在北京地區(qū)則表現為后期不親和。(2)砧木或接穗的一方或雙方由于移栽入一個不適宜其生長的環(huán)境中所引起的嫁接不親和。例如，小毛桃在北方嫁接后容易成活，但若將其移栽到不合適其生長的南方后，其嫁接就不易成活［12］。3．3病害因素植物嫁接后，不僅砧木和接穗的抗性會傳遞給對方，砧木和接穗所攜帶的病害也會傳給對方［2］。假如砧木和接穗一方攜帶的潛伏病害經嫁接感染了對方，則嫁接植株就難以成活。核桃與黑核桃嫁接時，核桃就會因被黑核桃砧木中帶有櫻桃卷葉病毒感染而死亡;酸橙與甜橙嫁接后，甜橙中攜帶的柑橘衰退病毒則會傳遞給酸橙而使其患病死亡［13］。4遠緣嫁接雜交嫁接雜交是指通過嫁接的方式方法來傳遞遺傳性和獲得嫁接雜種的經過，別稱嫁接誘變。遠緣嫁接雜交是指在遠緣嫁接中砧木或接穗由于遭到對方的影響而產生一些可遺傳的性狀變化。嫁接雜交的概念固然由達爾文首先提出，但是嫁接雜交的事實在古代就有很多記載。米丘林和布爾班克等后來也證實了嫁接雜交的存在［17］。4．1嫁接雜交現象Ohta等通過對辣椒不同品種嫁接獲得了一系列嫁接雜種，還發(fā)現采用接種病毒嫁接法能夠大大提高變異體的變異頻率［18－22］。范盛堯經過20多年的試驗觀察發(fā)現，嫁接到以杏樹為砧木的郁李接穗經過十幾年的生長發(fā)育后，接穗逐步改變了杏砧的蘗生枝，蘗生樹葉形、葉色、花形、花色、花數均似郁李，與杏不同［23］。劉用生以為，嫁接雜交是造成果樹遺傳特性構成的主要原因，并用嫁接雜交的觀點解釋了杏砧蘗生郁李的現象［24］。潘相文等將大豆分別嫁接到了生姜、南瓜、葫蘆、番茄、洋姜、馬鈴薯、甘薯和蓖麻上，發(fā)現大部分組合(87．5%)均有突變性狀的產生，且不同砧木類型對嫁接誘變率的奉獻率不同，番茄、蓖麻、生姜和洋姜與大豆嫁接表現為相對較高的誘變效率;他們還發(fā)現不同嫁接組合后代的突變類型是有區(qū)別的，而且與砧木類型明顯相關［7］。解釋嫁接引起性狀變異的學講主要有2個:(1)砧木和接穗間發(fā)生了基因和物質的溝通，即砧木或接穗由于吸收對方的基因此發(fā)生了變異橫向基因轉移(horizontalgenetransfer，HGT)學講。(2)嫁接植株提供了一種特殊的環(huán)境，使砧木或接穗在本身基因序列沒有發(fā)生改變的情況下，其基因表示出情況發(fā)生了可遺傳的改變表觀遺傳學講。4．2嫁接雜交的機理4．2．1基因橫向轉移傳統(tǒng)的嫁接雜交學講以為，在嫁接植株體內砧木和接穗間能夠吸收和利用對方的基因，進而發(fā)生可遺傳的性狀變化。近年來，人們已經證明嫁接植物砧穗間或寄生植物與其宿主間存在遺傳物質的橫向轉運。Shiiguchi等將2個具有不同性狀的辣椒嫁接，在接穗中檢測到砧木中特異性的辣椒紅/辣椒玉紅素合成酶(cap－santhin/capsoru-binsynthase，CCS)基因，且在接穗的下代植株中也檢測到了該基因。他們還發(fā)現，接穗中的CCS基因與砧木中的CCS基因在HapⅡ酶切位點處序列有一定的差異［25］。Stegemann等利用2種攜帶不同標記基因的煙草材料互相嫁接，通過Southern雜交證明了砧穗間通過嫁接部位確實存在質體DNA分子水平的交換，但未檢測到核DNA的溝通［16］。周志林等也通過分子標記的手段檢測到了嫁接植物的砧穗間存在基因溝通［9－10，26－27］。Ohta對砧木拍攝的顯微照片顯示，即將木質化和將要死亡的細胞中呈現不同大小和形狀的染色質通過胞壁和胞間隙向維管束運動，他以為砧木將要死亡的細胞中的染色質轉移并整合到接穗生長點細胞的染色體組中會使接穗產生遺傳性變異［18］。劉用生等以為，砧木中的mＲNA轉移到接穗中，并被反轉錄轉座子轉錄成cDNA，然后整合到接穗細胞的染色體中，可能是嫁接雜交機理的關鍵［28］。其根據主要是近年來有人研究發(fā)現，植物中的ＲNA沉默信號不僅能夠在細胞質和細胞核之間通過胞間連絲在相鄰細胞間進行短距離傳送，而且能夠通過韌皮部進行長距離運輸［29］。結合Stegemann等在2018年提供的分子生物學證據［16］及近年來植物基因的橫向轉移資料［30］，劉用生等以為嫁接體內砧木和接穗發(fā)生的橫向基因轉移可能是嫁接雜交構成的主要原因［31－33］。對于遺傳物質的轉運方式，通過對植物嫁接雜交相關資料報道結果的總結與歸納，筆者提出了下面3種可能存在的溝通基因的轉運模型。4．2．1．1質膜包被轉運模型在嫁接植物體內，砧木和接穗的遺傳物質以包含在質膜中的形式被轉運，這種情況可能包括下面2種途徑:(1)葉綠體、線粒體中遺傳物質的轉運。葉綠體或線粒體作為整體被轉運，或者分解后其遺傳信息再次被質膜包被構成凋亡小體，再轉運。(2)核遺傳物質的轉運。細胞凋亡后，核遺傳物質被質膜包被在凋亡小體中轉運。細胞死亡后，其核DNA會被降解為50kb的片段［34］，一些片段可能會逃脫水解酶的降解和細胞壁的束縛并被質膜包被，繼而被轉運至其他細胞。細胞質基因包含在質膜中，可能就是質體基因較核基因容易檢出的原因。4．2．1．2病毒轉導模型在病毒存在的情況下，砧木和接穗會以病毒為載體將其遺傳物質傳遞給對方。Ohta在辣椒嫁接試驗中發(fā)現，假如在嫁接之前1個月給砧木接種單鏈ＲNA病毒蠶豆萎蔫病毒(broadbeanwiltvirus，BWV)，則變異體的總變異率比對照高8倍多［18］?？梢姴《驹诩藿又仓牦w內的基因溝通中可能有極為重要的作用。4．2．1．3蛋白協(xié)運模型近年來，人們發(fā)現一些蛋白質分子能在植物體內被長距離運輸［35］。遺傳物質可能會與一些具有特定功能的蛋白質分子結合構成復合物后作為一個整體被轉運，隨后被其他細胞辨別和吸收利用。與核酸結合的蛋白分子可能具有下面功能:(1)辨別核酸并與其結合，構成相對較為穩(wěn)定的復合物;(2)能夠與細胞膜上的某些蛋白分子互相辨別，并使復合物轉出或轉入細胞;(3)協(xié)助核酸在新的細胞中發(fā)生相應的變化。4．2．2表觀遺傳學講表觀遺傳學以為，嫁接后的植物由于處于一種特殊的環(huán)境，將會啟動其本身調控系統(tǒng)以應對不利環(huán)境，進而產生變異［36］。據報道，植物在不利環(huán)境中會對本身的DNA進行甲基化、組蛋白修飾等方式進行修飾，使其基因表示出發(fā)生改變，并且這種改變是能夠以孟德爾遺傳方式傳遞給后代的［36］。在嫁接植株中，接穗或者砧木由于嫁接能否使其基因發(fā)生可遺傳的改變還有待進一步研究。4．2．3寄生嫁接誘變在以種芽法嫁接的資料中也有可遺傳的變異發(fā)生［5－6，37］。由于種芽法的愈合方式不同于一般的嫁接，其誘變機制可以能存在一定的差異。在自然存在的寄生組合中，寄生植物與其宿主之間也存在一定的HGT現象［38－40］。Davis等在寄生植物中檢測到了一種從其宿主到寄生植物的HGT［39］，Mower等則發(fā)現了從寄生植物到寄主的HGT形式［40］。在種芽法嫁接初期，生長在砧木莖干中的接穗胚根周圍會構成一定的黑色區(qū)，這一區(qū)域可能在寄生嫁接誘變中起一定的作用［41］。5存在問題與前景嫁接技術操作簡單、實用，是農業(yè)生產中不可或缺的技術之一。遠緣嫁接不親和嚴重限制了該技術的推廣與應用，若能針對不同的情況找出不親和的詳細原因，并