植物嫁接诱导的遗传变异机理的研究进展（引用）

烟头烫了手

    引用网址：http://www.agri.ac.cn/news/2011818/70415.html
    常用的植物嫁接是将植物体的芽或枝接到另一植物体的适当部位，使两者接合成一个新植物体的技术。被嫁接的芽或枝称为接穗，承载接穗的部分叫做砧木。在生产中，嫁接被广泛地应用于良种的保存和快速繁育，在提高植物的产量、抗逆性、改变植物的开花结果习性及改良果实的品质等方面也具有重要的应用价值。
    从理论上说，嫁接是一种无性繁殖方式，是不会改变嫁接当代及后代的遗传信息的。然而事实上，不少研究者发现一些植物之间的嫁接可以诱导嫁接体的性状变异，而且这种变异可以稳定地遗传给后代。因此，关于嫁接变异产生的条件及机制一直是国内外备受争议的研究课题之一。近几年来，对于植物嫁接变异机理的研究取得了一定的进展。本文将就嫁接变异发生的特点及可能的分子机制等方面的研究进展予以综述。
1  植物嫁接诱导遗传变异的基本特点
    植物嫁接变异现象是客观存在的，目前已在很多物种中被发现。植物嫁接诱导的遗传变异一般具有以下几个特点：(1)变异频率有很大差异。砧木和接穗的年龄和发育状况不同，能够影响到性状的改变频率及程度。(2)嫁接变异具有方向性，即特定的接穗嫁接在特定的砧木上，其产生的变异性状大多来源于砧木。(3) 变异大多发生在基因水平上：嫁接变异能够稳定地传递给后代植株，说明嫁接变异是由于接穗在基因水平上的改变造成的，涉及的基因可能是单基因，也可能是不同染色体上的多个基因。(4)变异的遗传规律不一:一些嫁接变异符合孟德尔遗传方式，但是也有不符合孟德尔遗传规律的嫁接变异现象存在。可以看出，嫁接变异的产生不是基因突变的结果。
2  植物嫁接遗传变异产生的分子机制
    尽管嫁接变异现象普遍存在，但并不是所有的嫁接都会诱导植物发生变异。例如：生产上用于改良果树老品种的高接换头技术，并没有改变接穗品种的性状，而是保持了其优良的性状使良种迅速繁殖从而取代老品种。那么到底怎样的嫁接才能诱导植物嫁接变异的产生？有研究者发现在果树的蒙导嫁接中，接穗产生变异的频率远远高于普通的嫁接繁殖。他们推测这可能是由于蒙导嫁接的接穗一般取自处于子叶期的幼苗，幼嫩的植物组织处于感受态，容易接受外源遗传信号物质的转化。故接穗容易接受来自于成龄砧木的遗传物质而发生变异。反之，当接穗为非感受态的成年果树时，就不容易接受来自砧木的遗传物质，从而可以保持接穗的品种特性。但是以上解释尚停留在猜测阶段，缺乏足够的理论支持。目前，关于植物嫁接遗传变异的产生机理主要有两种解说：一是砧穗之间遗传物质的水平转移，二是表观调控诱导的遗传变异。
2.1  遗传物质的水平转移
    越来越多的研究发现，不同物种的细胞紧密接合时会诱发遗传物质的水平运输(Horizontal gene transformation，HGT)，即个体间的遗传物质通过无性方式传递，有别于世代繁衍过程中的有性传递方式。植物中的HGT主要分为通过胞间连丝的短距离运输和通过维管束的长距离运输。两种运输途径是相互连通的，其中，胞间连丝内的短距离运输是维管束长距离运输的基础和前提。
2.1.1  植物嫁接体中遗传物质的短距离运输
    胞间连丝是植物体内连接相邻细胞的一种跨细胞的细胞器，是植物细胞间物质运输和信息传递的通道。一般来说，胞间连丝的孔径只允许小分子物质通过，如蔗糖分子。但是，一些对植物细胞命运决定有着重要作用的特殊的蛋白质（如转录因子)、RNA(如mRNA和小RNA)可以被胞间连丝选择性地允许通过。植物胞间的短距离信息传递，可以保持细胞质和内质网在相邻细胞间的连续性，并且在植物生长发育中也发挥着重要的调控作用。据报道，一些与叶片发育、花期转变等相关的蛋白质和mRNA具有非自控性，它们能够作为胞间信号通过胞间连丝进行胞间传递。
    在常规的砧穗嫁接植物体中，来源于不同谱系的植物细胞在嫁接部位通过胞间连丝彼此相邻连接，大分子信号物质可以在砧穗细胞间进行直接交流。目前，研究者们已经发现了多种可在植物体内运输的内源蛋白质和RNA(表1略)。其中，KNOTTEDl(KNl)蛋白是第一个在玉米中被发现的，作为转录因子它能在整个茎尖分生组织中移动来调控和维持叶片和茎尖分生组织的发育。而可运输的RNA则主要是通过以下方式发挥作用的1)与输入细胞的DNA相互作用去调节转录作用。(2)与mRNA相互作用，直接地调节后者的转译作用。(3)活化蛋白激酶，从而调节基因转录作用、蛋白质合成以及细胞的分化和生长。(4)与输入细胞内一种RNA重组，形成一种新的mRNA。(5)调节叶绿体和线粒体的基因表达。可见，胞间传递的蛋白质和RNA等信号物质主要是通过调控基因的表达谱来影响植物的生长发育的，它们的作用模式能够对嫁接变异产生的机制提供理论依据，但对于变异的遗传和维持机制并不能给与很好的解释。
    1976年，Pandey推测在嫁接接触面上存在碎裂的砧木DNA片段，能够通过胞间连丝进入到相邻的接穗细胞中，如果受体接穗细胞处于DNA复制时期，砧木DNA片段则容易取代接穗中与其同源的DNA序列。Zhou等也认为砧木与接穗之间发生了DNA的交流，但是未能找到充足的科学依据。2009年，Stegemann和Bock构建了两种转基因烟草株系并利用它们进行了系统的嫁接研究：一是具有卡那霉素抗性和黄色荧光标记的编码核基因的Nuc-kan：yfp，另一个是具有大观霉素抗性和绿色荧光标记的编码质体基因的Pt-spec：gfp。通过嫁接后的抗性筛选和荧光信号分析发现，嫁接使两种不同标记的烟草细胞质体间的发生了基因交流，而且交流是双向的。他们认为细胞器的大片段DNA甚至整个细胞器能够在紧密相邻的细胞间转移，并推测胞间连丝是遗传物质在异源细胞之间传递的通道。此外，两种抗性基因在嫁接后代植株中是以细胞质遗传方式遗传的，也说明嫁接引起的信息交流发生在质体DNA上。虽然Stegemann和Bock没有找到核DNA交流的证据，但是他们的研究对于植物嫁接遗传变异分子机理的探索具有里程碑的意义。
2.1.2  植物嫁接体中遗传物质的长距离运输
    嫁接过程中砧穗产生的愈伤组织在愈合过程中，砧穗之间产生了连通的维管束组织。因此，很多研究者认为砧穗之间可以通过维管束进行遗传物质的大量交流。研究发现，维管束中的信号物质一般只能从植物的成熟部位单方向地转运到新生组织中。例如，Turnbull等利用拟南芥max1突变体发现诱发产生多分枝的遗传信号只能由根部向茎尖运输，而不能南茎尖向下传递。有研究认为，如果信号物质的移动有发育学功能，那么接穗的形态学特征就会变得与砧木相似，成花素的嫁接传递实验便是一个经典的例证。最近，Hannapel发现马铃薯叶片中产生的块茎发育信号能够通过嫁接结合部位向下转移到匍匐茎茎尖，调控马铃薯块茎的形成。
    但是究竟是何种信号物质的转移诱导了嫁接变异的产生呢？Taller等曾通过RAPD方法在嫁接诱导的辣椒变异体中检测到了与砧木相似的DNA条带，并认为DNA直接从砧木转移到接穗的配子中是嫁接诱发变异的原因。但是由于RAPD标记在稳定性和重复性方面存在不足，此结果有待进一步的考证。随后，张丹华等通过Northcm杂交发现绿豆接穗中扩增出的特异条带与甘薯砧木基因组不具有同源性。Bock等也认为植物的维管束中不存在DNA，以往报道很可能是由于收集的样品存在污染而造成的。
    目前，越来越多的研究认为维管束内可以随糖类物质一同运输的蛋白质和RNA等在调控植物生长发育方面有着重要的作用。据报道，植物的韧皮部汁液中有成百上千种RNA、蛋白质等内源大分子物质，但它们并不是都可以进行长距离运输的。表2略列出的是目前已知的可在植物体内进行系统运输的内源信号物质。2001年Kim等通过Southern杂交发现番茄嫁接体中Me如砧木特异表达的PFP-LeT6mRNA转移到了Xa接穗中、并认为这是导致Xa接穗叶型向Me变化的直接原因。相似的现象在番茄和马铃薯的嫁接体的研究中也被发现。此外，维管束中存在的可移动的非编码小RNA，如miRNA和siRNA等，能够特异地诱导与其同源的mRNA发生降解或转录后沉默(Post-transcriptional gene silencing，PTGs)。例如，miR172能够做为块茎发育的信号从感受长日照的马铃薯叶片中通过嫁接接合部位转移到匍匍茎中并调控块茎的发育基因BEL5的表达。但是对于通过维管束运输到接穗中的RNA和蛋白质能否将其携带的遗传信息传递到接穗的子代中去，目前尚未有深入的研究报道。有学者推测，在植物中普遍存在的反转录转座子能把转移到接穗的mRNA反转录成cDNA并整合到细胞的染色体组中。此外，非编码的小RNA能够指导基因组DNA进行可传递给后代的表观遗传修饰，如染色质结构变化和DNA甲基化等。这些研究成果将为进一步探索嫁接变异的遗传机制提供了新思路。
2.2  表观调控诱导遗传变异
2.2.1  表观遗传学
    近年来，表观遗传学发展迅速，已成为目前国际上生命科学研究的前沿学科之一。众所周知，植物的生长发育除了受基因型的控制，还要受到周围环境的影响。表观遗传学便是研究基因型和表型的相互作用关系的一门学科，它是指在DNA碱基序列没有发生变异的情况下，基因表达的可遗传改变。表观遗传学主要通过DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑和非编码RNA 4种方式调控基因的表达。其中DNA的甲基化修饰是表观遗传的基础，也是近年来研究的最多的领域之一。研究表明：在植物体中，DNA甲基化参与细胞的许多生物学过程，在植物细胞分化、生长发育、系统进化中起着重要的调节作用。基因甲基化模式的改变可以影响到植物的育性、叶片的形态等，并且这种模式可以通过有丝分裂或减数分裂传递。
2.2.2  植物嫁接中的表观调控
    大量的嫁接研究都没有找到接穗核内DNA发生变异的证据，所以利用经典的遗传学理论并不能很好的解释嫁接变异的遗传机理。有研究者推测：嫁接很可能作为一种逆境诱导接穗进行自身调控以应对不利环境，从而产生变异表型。Boyko等报道处于逆境中的植物会通过DNA甲基化和组蛋白修饰等表观遗传调控途径应对不利环境，并且这种适应性大多可以孟德尔方式传递给后代。此外，具有组织、器官及物种特异性的非编码RNA，包括一些大分子的mRNA及小分子的miRNA、siRNA，也被认为是植物应对逆境的重要调控途径。目前已有很多研究发现非编码RNA诱导的基因沉默可以通过嫁接传递，而且较长的siRNA类型能通过RNA介导的DNA甲基化(RNA-directed DNA Methylation，RdDM)促发特异基因的沉默。据报道，这类siRNA是在细胞质中由特异的RNaseIII酶Dicer Like(DCL)加工而成的，然后与ARGONAuTE 4(AGO4)蛋白结合进入到细胞核内并指导基因组DNA进行甲基化修饰。RdDM既可以发生在转录水平，又可以发生在转录后水平。转录水平的沉默往往和启动子的甲基化有关，而转录后水平的沉默则牵涉到编码区的甲基化。2010年，MoInar等在拟南芥中发现一种24个核苷酸(nucleotide，nt)的内源siRNA在通过嫁接结合处到达受体细胞中后，能直接指导受体基因组进行甲基化修饰。Dunoyer等的研究表明来源于反向重复位点的不同长度类型的内源siRNA均具有非细胞自主性，能够通过嫁接结合处运输到靶组织并通过RdDM等方式发挥作用。他们认为这是植物应对不利刺激时的特殊机制，能够使受体基因组免受损伤，特别是对能够产生后代的细胞。对于嫁接变异的表观遗传机制的研究虽然起步较晚，但是发展非常迅速，对于深入全面地揭示嫁接变异复杂的遗传机制具有重要的意义。
3  问题与展望
    嫁接遗传变异作为一种特殊的育种方法，与其他传统育种方法相比操作简单，节省时间，便于应用。此外，它能够克服不同属种间植物有性育种中存在的困难，获得独特的远缘组合品种。因此，研究嫁接遗传变异的产生机制对于合理利用嫁接诱导产生的优良性状具有理论指导意义。但到目前为止，对于嫁接变异的产生和维持机制的研究还不够完善，特别是对于嫁接变异遗传规律的分析甚少。因此，系统地研究嫁接对嫁接体当代及其后代的影响对于全面揭示嫁接遗传变异的分子机制显得尤为重要，而完美的嫁接实验体系的构建无疑是制约该研究的关键因素之一。传统的劈接、靠接等嫁接方法诱导遗传变异的频率较低，砧穗物种细胞和组织间的交流有限。有研究报道，通过茎尖离体嫁接(1n vitro grafting)获得的嵌合体植株是研究细胞和组织间的信息交流传递的良好实验材料。在嵌合体植物中，不同谱系起源的细胞和组织密切相邻，信号物质交流活跃；其雌雄配子来源于单一细胞层(相同谱系)，便于对嫁接有性后代变异遗传规律的研究。因此，构建具有完善标记的嫁接嵌合体植物将为系统研究植物嫁接遗传变异的分子机制提供一个新的平台和契机。
    作者单位：（浙江大学农业与生物技术学院园艺系，农业部园艺植物生长发育与生物技术重点开放实验室，杭州 310029）
    文章采集：caisy
    注明：国家自然科学基金项目（编号：30971993）和浙江省自然科学基金（编号：y307380）资助。

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