該研究于美國時(shí)間8月7日發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《Science（科學(xué)）》上，題為“Cell-cell adhesion in plant grafting is facilitated by b-1,4-glucanases”（b-1,4-葡聚糖酶促進(jìn)植物嫁接過程中的細(xì)胞粘附），第一作者為日本名古屋大學(xué)生物功能開發(fā)利用研究中心的副教授Michitaka Notaguchi。

　　蟠桃樹長出杏子，蘋果樹開出梨花，葫蘆苗上長出西瓜，甚至同一棵果樹可以生長出十多種水果，植物嫁接技術(shù)已經(jīng)被普遍用于果樹、林木、花卉的繁殖上。然而植物嫁接技術(shù)常常受物種親緣性限制，近緣植物之間嫁接成功率較高。近日科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，一種煙草可以“做媒”，幫助實(shí)現(xiàn)跨物種嫁接。

　　植物嫁接技術(shù)是一種無性繁殖技術(shù)，即將一種植物的接穗（接上去的枝或芽）與另一植物的砧木（被接植物體）相結(jié)合，通過兩個(gè)或多個(gè)植物組織之間的創(chuàng)面愈合使其像單個(gè)植物一樣生長，常用于改善農(nóng)作物性狀。但植物嫁接技術(shù)受物種親緣性限制，通常只有近緣植物之間的嫁接成功率較高。

　　研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，一種茄科本氏煙草（Nicotiana benthamiana）嫁接能力突出，與不同科的植物也能成功嫁接。同時(shí)，其嫁接成功的“秘訣”在于煙草激活了與創(chuàng)傷修復(fù)、重建細(xì)胞壁相關(guān)的基因NbGH9B3，而這一基因能夠編碼促進(jìn)細(xì)胞與細(xì)胞黏附的β-1,4-葡聚糖酶。

　　在實(shí)驗(yàn)中，研究人員分別將大豆接穗嫁接至菊花砧木、將本氏煙草接穗嫁接至菊花砧木，并將同種菊花之間進(jìn)行嫁接作為對照。

　　結(jié)果顯示，大豆接穗死亡，而本氏煙草接穗移植成功并在3個(gè)月后結(jié)實(shí)。

　　在移植失敗的大豆與菊花移植物的嫁接邊界有明顯壞死層，同種菊花、本氏煙草與菊花的嫁接邊界壞死層并不明顯且形成了薄細(xì)胞壁，這說明本氏煙草可以在跨種嫁接過程中實(shí)現(xiàn)細(xì)胞間粘附。

　　A-C分別為菊花/菊花、大豆/菊花、本氏煙草/菊花嫁接后的圖像。D-F為A-C中所示的嫁接連接處的橫截面。G、H為大豆和煙草與菊花砧木連接處附近的電子顯微鏡（TEM）圖像。I-K為細(xì)胞邊界TEM圖像的連續(xù)切片。研究通過嫁接實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步檢測了被子植物范圍內(nèi)可以成功與本氏煙草進(jìn)行嫁接的物種，發(fā)現(xiàn)本氏煙草能夠與38個(gè)科中的73種植物間跨種嫁接，其中包括2種木蘭科植物，5種單子葉植物和65種雙子葉植物。因此，本氏煙草能夠與一系列被子植物之間進(jìn)行嫁接。煙草為什么能在跨種嫁接中發(fā)揮這么大的作用？團(tuán)隊(duì)進(jìn)而分析了本氏煙草與擬南芥在嫁接后2小時(shí)到28天內(nèi)嫁接處的基因轉(zhuǎn)錄組變化。

　　研究發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)錄組變化伴隨著嫁接處細(xì)胞增殖、木質(zhì)部形成等形態(tài)變化，隨著時(shí)間推移，與嫁接有關(guān)的基因如生長素、傷口修復(fù)、形成層等表達(dá)上調(diào)。同時(shí)，研究檢測到嫁接中早期本氏煙草接穗上調(diào)的基因與細(xì)胞壁形成相關(guān)，這表明本氏煙草接穗的活力依賴于嫁接界面細(xì)胞組織的形成。

　　在促進(jìn)細(xì)胞壁形成的基因變化中，研究人員發(fā)現(xiàn)了一種名為NbGH9B3的基因，該基因能夠編碼糖基水解酶9B（GH9B）家族的β-1,4-葡聚糖酶，在植物嫁接中發(fā)揮重要作用。

　　為了檢測該基因在本氏煙草跨種嫁接過程中發(fā)揮的作用，團(tuán)隊(duì)用病毒誘導(dǎo)使NbGH9B3基因沉默，并觀察到NbGH9B3基因沉默的實(shí)驗(yàn)組嫁接失敗，本氏煙草接穗易于從擬南芥砧木中分離出來，且嫁接界面形成了壞死層，而NbGH9B3表達(dá)的實(shí)驗(yàn)組則嫁接成功。

　　同時(shí)，研究稱在大豆、牽牛花、玉米和擬南芥的同種嫁接過程也存在GH9B3家族基因表達(dá)上調(diào)的情況，而跨種嫁接過程中GH9B3家族基因表達(dá)幾乎沒有變化。

　　值得注意的是，NbGH9B3基因在本氏煙草與擬南芥嫁接過程中表達(dá)上調(diào)。由于在很多植物中，只有在種內(nèi)嫁接過程中才會(huì)出現(xiàn)NbGH9B3基因表達(dá)上調(diào)的情況，因此這意味著，本氏煙草在跨種嫁接過程中能夠激活類似種內(nèi)嫁接的基因機(jī)制，使NbGH9B3基因表達(dá)上調(diào)，促成嫁接的成功。

　　糖基水解酶9B3對植物嫁接組織創(chuàng)面愈合具有重要作用，圖E-G為使用煙草作嫁接中介，將番茄接穗嫁接到擬南芥（E為嫁接后21天，F為嫁接后4個(gè)月）或者菊花砧木（G為嫁接后3個(gè)月）上。由于煙草的這一特性，研究人員將本氏煙草用作嫁接中介，將番茄接穗嫁接到擬南芥或者大豆砧木上，發(fā)現(xiàn)番茄接穗成功結(jié)實(shí)。進(jìn)而，研究團(tuán)隊(duì)還成功完成了以本氏煙草為嫁接中介的其他跨種嫁接實(shí)驗(yàn)。研究團(tuán)隊(duì)表示，煙草在植物嫁接中發(fā)揮的作用將有助于技術(shù)改良，而更有效的植物嫁接能夠增加根系多樣性，從而在對生態(tài)系統(tǒng)破壞最小的情況下幫助作物生產(chǎn)。在未來的研究中，研究人員將進(jìn)一步探索β-1,4-葡聚糖酶是如何促進(jìn)細(xì)胞之間的黏附的。