Nature Plants｜裸子植物也能嫁接了，并鉴定出嫁接愈合愈伤组织重要调控因子

以下文章来源于易刊植物科学 ，作者Cyril

前言

植物嫁接技术的广泛应用使双子叶植物和裸子植物能够与近缘物种结合生长。

裸子植物在森林中占主导地位已超过2亿年，尽管它们在经济和生态方面具有重要意义，但我们对它们的嫁接机制知之甚少。

Feng et al 研究开发了一种在裸子植物中使用年轻组织进行微嫁接的方法，实现了与近缘和远缘属物种的高效嫁接。裸子植物嫁接结合迅速连接了维管束，并不同程度地表达了成千上万个基因，包括生长素和与细胞壁相关的基因。通过将这些基因与拟南芥嫁接时诱导的基因进行比较，发现了松树 (Norway spruce) 中 PHYTOCHROME A SIGNAL TRANSDUCTION 1 （PAT1）基因作为嫁接愈伤组织的核心调控因子。该基因在云杉和拟南芥的嫁接过程中显著上调，而拟南芥缺乏PAT基因的突变体无法完成组织附着或成功嫁接。通过将云杉的PAT1同源基因补充到拟南芥的PAT突变体中，实现了组织附着的恢复和愈伤组织的增强。综合而言，Feng et al 的数据展示了年轻组织能够与远缘物种嫁接的能力，并确认了PAT基因家族作为嫁接愈伤和组织再生的保守调控因子。

该研究开发了一种微嫁接方法，使用10至12天大的云杉（Picea）和松树（Pinus）幼苗，克服了传统嫁接方法的限制。在胚轴区域切割植株，通过硅胶圈将来自不同植株的嫁接穗和砧木牢固连接在一起。通过实践，一个人每小时可完成50次嫁接，成功率超过90%。利用荧光染料监测嫁接愈合动态，发现在嫁接后10天，近一半植株通过韧皮部从嫁接穗运输染料至砧木，显示出重新建立了从茎到根的运输。类似地，近一半植株在10天后显示染料从砧木运输至嫁接穗，表明重新建立了从根到茎的运输。20至25天后，几乎所有植株都表现出与韧皮和木质部相连的运输动态。通过对嫁接处的手工切片染色，成功的嫁接显示出贯穿连接的木质部，而未连接的植株在嫁接处只显示少量木质部染色和愈合组织形成。两个月后，嫁接的云杉和松树呈现出正常生长、愈合良好的连接部位和90-100%的存活率。因此，该技术是一种高效实用的嫁接年轻针叶树的方法，允许嫁接连接迅速形成韧皮和木质部连接。

微嫁接克服了常规嫁接方法在异属嫁接上的限制。以Pinaceae家族为例，测试了Picea和Pinus属之间的异属嫁接。嫁接后两个月，同属嫁接和异属嫁接的植株存活率高，根据基因型的不同，存活率在70%到100%之间。对Pinus contorta/Picea abies异属嫁接进行木质部连接的评估发现，与同属嫁接植株相似。移至土壤中进行长期观察后，同属嫁接植株在嫁接后2.5年的存活率仍然很高（90%到100%），但Picea–Pinus异属组合的存活率较低。其中，Picea abies嫁接到Pinus sylvestris和Pinus contorta砧木的存活率很低，而将Picea abies砧木嫁接到Pinus sylvestris或Pinus contorta穗木的存活率较高。成功的嫁接显示出良好的生长，尽管一些异属嫁接组合较矮，并在嫁接处出现肿胀。异属嫁接植株中，没有出现肿胀的植株高度与完整植株相似。此外，Picea abies砧木还似乎减小了Pinus穗木的针叶长度。研究结果表明，微嫁接使得多个种间和属间的嫁接成功形成，而Picea abies砧木有助于实现与不同穗木的长期嫁接成功。

通过对挪威云杉嫁接过程进行RNA测序，研究揭示了基因表达模式。结果表明，嫁接激活了涉及维管和细胞分裂的关键基因。簇分析显示，早期激活的基因包括与伤害响应相关的基因，随后涉及细胞分裂和形成细胞壁、木质部等过程。在不同物种中，嫁接激活的基因表达模式显示出一致性，表明这是一种保守的嫁接过程，包括伤害响应、细胞分裂以及形成维管组织和木质部的分化。这一研究有助于深入理解针叶树木嫁接的分子机制。

植物生长素和细胞分裂素在形成维管组织中发挥重要作用。本研究探讨了这两者在挪威云杉嫁接过程中的相关性。通过处理两周大的幼苗，研究人员发现生长素和细胞分裂素诱导或抑制了数千个基因，其中生长素诱导了2598个基因，抑制了2013个基因。这些与生长素和细胞分裂素响应相关的基因在嫁接过程中表达水平相似，而与嫁接引起的基因表达变化相比，表现出了一些差异。具体而言，生长素诱导基因在嫁接的嫁接穗和根砧中上调，而生长素抑制基因在嫁接穗和根砧中下调，从嫁接后的第3天开始，呈现出一定的富集趋势。细胞分裂素诱导基因在嫁接穗和根砧中没有显著富集，但细胞分裂素抑制基因在根砧中呈现出富集的趋势，尤其是在后期的时间点。这些结果表明，在挪威云杉嫁接过程中，生长素响应基因的表达与维管组织的形成密切相关。

研究通过挪威云杉嫁接实验，发现一组共同激活的基因，构建了一个基因调控网络。其中，PaPAT1-like、PaWIP4-like、PaMYB4-like、PaLRP1-like和PaMYB123-like等五个基因被高度激活，并在拟南芥中发现它们的同源基因在嫁接中也被诱导。进一步研究PAT1基因家族表明，这一家族在愈伤组织形成中发挥关键作用。拟南芥中PAT1过表达导致愈伤组织增加，而相关突变体显示明显的愈伤组织形成缺陷。这揭示了基因调控网络中PAT1的保守性，并证明其在拟南芥和挪威云杉愈伤组织形成中的重要作用。

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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