蔬菜嫁接愈合過程及其光環境調控機制研究進展

范玉龍，李興群，宋金修,2*，李雨竹，黃 鑫，莫吾乙

（1.江蘇大學農業工程學院，江蘇 鎮江 212013；2.江蘇大學現代農業裝備與技術教育部重點實驗室，江蘇 鎮江 212013）

設施蔬菜育苗是蔬菜生產的一個重要環節，工廠化育苗現已成為我國種苗生產的主要方式。因反季節生產或土壤連作障礙，設施蔬菜常出現生理性病害或土傳病害，嚴重影響了蔬菜的產量和品質。嫁接育苗可以有效增強蔬菜抗逆性，提高蔬菜的產量和品質。在設施農業發達的荷蘭，番茄嫁接苗已占到蔬菜育苗量的95%以上，而我國嫁接苗僅占1%，與發達國家相比還有很大的差距。在嫁接育苗過程中，影響嫁接苗質量的主要因素包括砧木與接穗之間的親和性、苗齡和愈合期環境等。有研究表明，適宜的嫁接愈合環境可以有效提高嫁接苗的愈合速率，縮短愈合時間。

光是植物生長發育的原初動力，參與到植物光合作用、光形態建成、物質和能量代謝等過程。有研究顯示，光照可以通過調控植物內源激素合成、愈傷組織再生和維管組織連接來影響嫁接苗的質量，但具體的作用機制還不是十分清楚，尤其關于愈合期日累計光照量（Daily Light Intergral，DLI）對嫁接苗愈合過程影響的研究較少。另外，在嫁接苗愈合期，紅、藍光對調節嫁接苗愈合具有重要作用，但LED紅藍光配比、綠光和遠紅光等的光質組分需求也不是十分明確，劉文科等提出的基于光配方的光環境動態調控技術還無法在嫁接苗愈合期實現。因此，如何實現可控環境下蔬菜嫁接苗愈合光環境調控技術的研究對培育壯苗、降低植物工廠系統能耗具有重要意義。

1 砧木接穗嫁接切面愈合機制研究

1.1 嫁接愈合的形態學進程

嫁接育苗是設施蔬菜栽培的重要環節，已被廣泛應用于設施蔬菜的抗病促產上。嫁接可以顯著增強蔬菜根系的水肥吸收能力，提高農產品產量，改善品質，增強蔬菜對不良環境的抗逆性。常規的嫁接方法有靠接法、插接法（頂插接）、貼接法、劈接法和斷根嫁接法。各種嫁接方法所適用的蔬菜種類不同，但嫁接成活過程基本相同。親和嫁接愈合過程通常可分為3個階段：砧木與接穗之間隔離層出現、愈傷組織形成與分化、維管組織連接。非親和嫁接體因病原微生物、遺傳特性和外界環境條件不同，嫁接愈合過程略有差異。嫁接前期，由于嫁接切口創傷，在嫁接切面形成由受損細胞殘留物質組成的致密性隔離層結構和蠟質物質，以防止物質外滲和外界微生物侵染；隔離層附近薄壁細胞經過脫分化恢復分裂能力，形成軸向生長的愈傷組織，并吸收隔離層的壞死細胞成分；隨著隔離層的消失，愈傷組織進行增殖和再分化，在接穗和砧木之間形成新的功能性維管組織，即嫁接愈合過程結束。

有研究發現，溫室番茄嫁接苗愈傷組織分化出現在嫁接后6 d，嫁接后12 d切面隔離層消失，21 d后維管組織開始連接；而拱棚中黃瓜嫁接隔離層的形成發生在嫁接后2 d，4 d后出現愈傷組織，6 d后愈傷組織分裂抱合，8 d后維管組織連接，12 d后形成新的維管束。由于外界環境條件和嫁接體親和性的不同，植物嫁接愈合各過程的時間階段不同。同種植物嫁接愈合的形態學過程也有較大爭議，例如，Yin等研究發現擬南芥嫁接后3 d，嫁接切面的木質部和韌皮部已經形成大量的維管組織，而Melnyk等發現，擬南芥首先完成韌皮部重連，在嫁接后7 d才完成木質部重連。

1.2 嫁接愈合的生理生化機制

嫁接愈合伴隨著復雜的生理生化過程，并產生大量代謝產物，進而影響到嫁接體的成活。在切面愈合過程中，參與衰老、激素分泌和愈合關鍵酶表達的基因上調，以促進薄壁細胞脫分化、細胞間信號傳導和維管組織連接。

激素主要通過影響切面愈傷組織生長和分化調控砧木與接穗的愈合過程，例如，高濃度的生長素（IAA）可以誘導形成層恢復和薄壁細胞脫分化，促進維管組織連接；細胞分裂素（CTK）可以促進導管細胞分化，對韌皮部連接的作用不明顯；赤霉素（GA）濃度過高會抑制維管束的形成，但可以促進下胚軸切面愈傷組織連接。有研究發現，細胞分裂發生在嫁接后的2～4 d，而IAA濃度在嫁接后1 d就達到了最高，隨后GA濃度增高，促進了愈傷組織的形成。通常，IAA/GA作為調控形成層分化形成木質部或韌皮部的有效指標，丙二醛（MDA）可在一定程度上顯示嫁接愈合過程中植物的受損程度。

嫁接切面處抗氧化酶包括過氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶（SOD）和多酚氧化酶（PPO），這些酶的激活有利于切面愈合。番茄和甜瓜嫁接切面的SOD和POD濃度都較高，其被用于調節木質素的合成和細胞壁多糖的連接；PPO主要參與隔離層的形成，其初期活性表征了接穗的木質化程度。

2 嫁接愈合過程影響因素研究

植物嫁接愈合過程受到內外因素的影響，包括品種親和性、苗齡和切面大小等內部因素和溫度、空氣濕度、光照強度、CO濃度和微量元素等外部因素。在愈合期，適宜的溫度可以加速愈傷組織的形成，溫度過高或過低都會抑制生長素的調控作用，溫度過高還會導致植株代謝過于旺盛，物質消耗過多、過快，并且造成植株因蒸騰作用加強而發生萎蔫，影響嫁接成活。有研究表明，17～23 ℃范圍內番茄嫁接成活率隨著溫度的升高而增加。變溫管理有利于愈傷組織的分化，適宜的番茄嫁接溫度為白天22 ℃、夜間18 ℃。空氣濕度調節一直是嫁接成活的關注重點，濕度過高會滋生病菌，造成嫁接切面潰爛，濕度過低會因蒸騰量大導致接穗萎蔫失水。Kim認為愈合初期的相對濕度應保持在95%，但Venema等發現濕度控制在70%～90%的嫁接苗沒有明顯差異。在愈合期，高CO濃度不僅可以抑制接穗葉片蒸騰，提高接穗的水分利用效率和光能利用效率，還可以促進砧木根系生長；另外，砧木根系吸收的礦質元素也會對嫁接愈合起到積極作用，鋅、硼、猛等元素可以調節切面周圍多糖水解酶的活性，促進細胞伸長。光照是影響植物生理生化的重要因素之一，也是影響植物嫁接愈合過程的重要因素之一。光環境可以調控嫁接過程的隔離層、愈傷組織的形成，進而影響嫁接愈合的速度和質量；同時，某些愈合和物質能量代謝相關酶的活性也受到光環境的調控。

3 嫁接愈合過程的光環境調節機制研究

光作為植物葉片的能量來源和信號，在砧木與接穗之間的隔離層形成、愈傷組織分化和維管組織連接中都發揮了重要作用，植物生長的苗期更是對光照強度和光質高度敏感，但光照環境因光照強度、光照周期和光質不同，對嫁接愈合的影響不同。在實際生產上，為了減少接穗水分蒸騰，常控制溫度，如在愈合期采用避光處理。現在對光照在嫁接愈合過程中作用的研究越來越多，因為光環境調控不僅能降低植物種植或培養的能耗，而且綠色環保、無污染，是實現農業突破的重要技術。

3.1 光照周期

光作為信號，可以調節內源激素合成與愈傷組織再生，影響嫁接切面愈合過程。光周期對于植物的生長發育和生理代謝具有重要的調控作用，光、暗的周期變化是愈傷組織形成的重要影響因素。有研究表明，嫁接愈合過程中補充短期光照可以有效提高嫁接苗的光合作用，提高嫁接苗的成活率。束秀玉等研究證明，西瓜嫁接苗在經過短時間弱光處理的成活率高于黑暗處理的成活率，但持續光照或長時間黑暗處理均不利于愈傷組織再生。因此，光照周期是影響愈傷組織分化的重要因素，但針對光照周期對嫁接苗愈合過程影響的報道較少。

3.2 光照強度

光照強度對植物的生長發育和產量具有重要調控作用。光照能通過調節植株的激素水平調控愈傷組織再生，植物激素IAA等的誘導能力也受到光照強度的巨大影響。在一定光照強度范圍內，嫁接苗的生理活性隨著光照強度的增加而增加。Nobuoka研究發現，77 lx光照強度下，葉片氣孔開放度低，葉片蒸騰量小，有利于嫁接愈合；當采用100 lx光照強度時，可以增強基因轉錄因子的調節，增加氨基酸代謝蛋白，促進維管組織連接。Jang等研究發現，與光照強度為142 lx的黃瓜相比，光照強度為237 lx的黃瓜嫁接苗葉片的CO交換量提高了1.5倍；當光照不足時，愈傷組織生長緩慢，葉片的凈光合速率較低，不利于嫁接苗的愈合和后期生長。陳文明等通過弱光脅迫試驗，證明了西瓜嫁接苗在弱光脅迫條件下莖粗變細、嫁接苗徒長、葉面積變小、總葉綠素含量下降的現象；但是，光照過強會增加PPO的活性，導致過多酚類物質被氧化成醌，造成愈合切面褐化壞死。綜上所述，可以在植物嫁接愈合期的前期采用低光照強度、后期高光照強度的光環境調控手段，不僅可以促進嫁接苗愈合，還能提高嫁接苗的光能利用效率。

3.3 光質

除了光照周期和光照強度外，光質也會影響嫁接愈合效果，這主要與植物體內的光受體有關。光敏色素（Phytochrome）和隱花色素（Cryptochrome）是感受紅光和藍光的主要感受器。光敏色素能夠調節植物對光的反應，在光照的作用下，紅光和黃光可以促進光敏色素由Pr型轉換為Pfr型，影響愈傷組織中與分化相關的酶的活性，促進愈傷組織形成。紅光有利于提高番茄嫁接苗體內的IAA含量，促進導管細胞分化和維管組織連接；同時，紅光還可以促進砧木根系發育，但嫁接苗干物質量降低，CO交換量降低。隱花色素是存在于植物中的藍光受體，可以調節植物對藍光的響應，如擬南芥中的隱花色素可以在綠光的刺激下逆轉藍光的誘導狀態，從而影響基因表達。紅光和藍光均有利于誘導愈傷組織形成，但單一光質的藍光或紅光會引起接穗水分失衡，不利于愈合。利用LED進行不同光質組合處理可以促進嫁接愈合期維管束連接和氣孔保護，因此多數研究人員建議在生產中采用不同組分的光，特別是紅光、藍光或白光的組合。與白色熒光燈、紅外光、黑暗條件下相比，紅藍LED光源能提高辣椒嫁接苗的成活率和質量。有學者認為，西瓜嫁接苗在紅藍比為7∶3時可獲得較好的壯苗指數和成活率，但不同作物或同一作物不同愈合期適宜的紅藍光配比尚沒有定論。除此之外，其他光質如遠紅光、綠光等對嫁接愈合的影響還不清楚。

也有研究人員在愈合期內進行了光環境的變化管理，但結果存在較大差異。不同時段的光照強度變化是通過日累計光照量（Daily Light Intergral，DLI）來影響植物的嫁接愈合過程，但現在針對DLI對嫁接苗愈合過程的研究較少，大部分研究者將光照環境與其他環境要素結合作為研究重點。綜上所述，現在針對光環境調控對嫁接苗愈合過程的影響機制還不是十分清楚，尤其是DLI影響嫁接愈合的作用機制，LED紅藍光配比、綠光和遠紅光等不同光質組分對嫁接愈合的影響都不明確。可進一步研究可控環境下蔬菜嫁接苗愈合過程的光環境調控技術，以促進培育壯苗、縮短愈合周期和降低植物工廠系統能耗。

4 問題與展望

首先，研究光質對嫁接苗的影響時，不同的LED光源的紅藍光配比存在爭議，故不同作物或同一作物嫁接愈合期最合適的紅藍光比例尚無定論，同時其他光質如綠光、遠紅光對嫁接苗的愈合影響機制還不清楚。值得進一步開展試驗，探究不同的LED光源的紅藍光配比和其他光質對嫁接苗愈合的影響機制。

其次，針對不同嫁接苗得到的光環境調控策略只存在于植物的形態建成表面，鮮有深入研究內部機理的；因此，明確嫁接苗光環境調控策略的內部機理，是揭示嫁接苗光環境對植物嫁接成活機理的必然途徑，也只有充分闡明嫁接苗光環境調控策略的內部機理，才能更好地為嫁接育種提供有力支持。

再次，嫁接苗的品種不同，所需要的光環境調控條件也不同，針對不同嫁接苗品種的研究暫時還不清楚，未來可進行深入研究。