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《科学》:烟草或能作中介帮助实现植物跨种嫁接
2020年08月17日来源:澎湃新闻

  该研究于美国时间8月7日发表在国际学术期刊《Science(科学)》上,题为“Cell-cell adhesion in plant grafting is facilitated by b-1,4-glucanases”(b-1,4-葡聚糖酶促进植物嫁接过程中的细胞粘附),第一作者为日本名古屋大学生物功能开发利用研究中心的副教授Michitaka Notaguchi。

  蟠桃树长出杏子,苹果树开出梨花,葫芦苗上长出西瓜,甚至同一棵果树可以生长出十多种水果,植物嫁接技术已经被普遍用于果树、林木、花卉的繁殖上。然而植物嫁接技术常常受物种亲缘性限制,近缘植物之间嫁接成功率较高。近日科学家们发现,一种烟草可以“做媒”,帮助实现跨物种嫁接。

  植物嫁接技术是一种无性繁殖技术,即将一种植物的接穗(接上去的枝或芽)与另一植物的砧木(被接植物体)相结合,通过两个或多个植物组织之间的创面愈合使其像单个植物一样生长,常用于改善农作物性状。但植物嫁接技术受物种亲缘性限制,通常只有近缘植物之间的嫁接成功率较高。

  研究团队发现,一种茄科本氏烟草(Nicotiana benthamiana)嫁接能力突出,与不同科的植物也能成功嫁接。同时,其嫁接成功的“秘诀”在于烟草激活了与创伤修复、重建细胞壁相关的基因NbGH9B3,而这一基因能够编码促进细胞与细胞黏附的β-1,4-葡聚糖酶。

  在实验中,研究人员分别将大豆接穗嫁接至菊花砧木、将本氏烟草接穗嫁接至菊花砧木,并将同种菊花之间进行嫁接作为对照。

  结果显示,大豆接穗死亡,而本氏烟草接穗移植成功并在3个月后结实。

  在移植失败的大豆与菊花移植物的嫁接边界有明显坏死层,同种菊花、本氏烟草与菊花的嫁接边界坏死层并不明显且形成了薄细胞壁,这说明本氏烟草可以在跨种嫁接过程中实现细胞间粘附。

  A-C分别为菊花/菊花、大豆/菊花、本氏烟草/菊花嫁接后的图像。D-F为A-C中所示的嫁接连接处的横截面。G、H为大豆和烟草与菊花砧木连接处附近的电子显微镜(TEM)图像。I-K为细胞边界TEM图像的连续切片。研究通过嫁接实验进一步检测了被子植物范围内可以成功与本氏烟草进行嫁接的物种,发现本氏烟草能够与38个科中的73种植物间跨种嫁接,其中包括2种木兰科植物,5种单子叶植物和65种双子叶植物。因此,本氏烟草能够与一系列被子植物之间进行嫁接。烟草为什么能在跨种嫁接中发挥这么大的作用?团队进而分析了本氏烟草与拟南芥在嫁接后2小时到28天内嫁接处的基因转录组变化。

  研究发现,转录组变化伴随着嫁接处细胞增殖、木质部形成等形态变化,随着时间推移,与嫁接有关的基因如生长素、伤口修复、形成层等表达上调。同时,研究检测到嫁接中早期本氏烟草接穗上调的基因与细胞壁形成相关,这表明本氏烟草接穗的活力依赖于嫁接界面细胞组织的形成。

  在促进细胞壁形成的基因变化中,研究人员发现了一种名为NbGH9B3的基因,该基因能够编码糖基水解酶9B(GH9B)家族的β-1,4-葡聚糖酶,在植物嫁接中发挥重要作用。

  为了检测该基因在本氏烟草跨种嫁接过程中发挥的作用,团队用病毒诱导使NbGH9B3基因沉默,并观察到NbGH9B3基因沉默的实验组嫁接失败,本氏烟草接穗易于从拟南芥砧木中分离出来,且嫁接界面形成了坏死层,而NbGH9B3表达的实验组则嫁接成功。

  同时,研究称在大豆、牵牛花、玉米和拟南芥的同种嫁接过程也存在GH9B3家族基因表达上调的情况,而跨种嫁接过程中GH9B3家族基因表达几乎没有变化。

  值得注意的是,NbGH9B3基因在本氏烟草与拟南芥嫁接过程中表达上调。由于在很多植物中,只有在种内嫁接过程中才会出现NbGH9B3基因表达上调的情况,因此这意味着,本氏烟草在跨种嫁接过程中能够激活类似种内嫁接的基因机制,使NbGH9B3基因表达上调,促成嫁接的成功。

  糖基水解酶9B3对植物嫁接组织创面愈合具有重要作用,图E-G为使用烟草作嫁接中介,将番茄接穗嫁接到拟南芥(E为嫁接后21天,F为嫁接后4个月)或者菊花砧木(G为嫁接后3个月)上。由于烟草的这一特性,研究人员将本氏烟草用作嫁接中介,将番茄接穗嫁接到拟南芥或者大豆砧木上,发现番茄接穗成功结实。进而,研究团队还成功完成了以本氏烟草为嫁接中介的其他跨种嫁接实验。研究团队表示,烟草在植物嫁接中发挥的作用将有助于技术改良,而更有效的植物嫁接能够增加根系多样性,从而在对生态系统破坏最小的情况下帮助作物生产。在未来的研究中,研究人员将进一步探索β-1,4-葡聚糖酶是如何促进细胞之间的黏附的。

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