最近一直在學(xué)習(xí)植物再生能力方面的知識(shí)。今天分享一篇2020年發(fā)表在science上的一篇文章搅轿，根據(jù)報(bào)道脊奋，題目是《Cell-cell adhesion in plant grafting is facilitated by b-1,4-glucanases》熬北。該研究論文指出，研究人員通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)煙草能夠充當(dāng)非近緣物種之間進(jìn)行嫁接的“媒人”诚隙，同時(shí)發(fā)現(xiàn)了煙草嫁接成功率高的原因讶隐。
嫁接是常見(jiàn)的一種無(wú)性繁殖技術(shù)，即通過(guò)將一種植物的接穗（scion）與另一種植物的砧木（stock）相結(jié)合久又，通過(guò)傷口愈合的過(guò)程使兩種植物的形成層緊密結(jié)合并最終成活為單個(gè)植物巫延。嫁接被廣泛應(yīng)用與果樹和蔬菜繁殖中，以提高果蔬的抗病抗逆能力并保留優(yōu)良品質(zhì)地消。值得注意的是炉峰，由于嫁接親和性的限制，同種植物之間的嫁接最易成功而親緣關(guān)系較遠(yuǎn)的植物之間實(shí)現(xiàn)嫁接的可能性較小脉执。而有研究發(fā)現(xiàn)疼阔，不同種植物也具有不同嫁接的潛力。但是半夷，到底是什么影響了嫁接的成功率尚不清楚婆廊。
========實(shí)驗(yàn)結(jié)果========
首先，作者先測(cè)試了不同屬之間植物的嫁接兼容性玻熙。然后發(fā)現(xiàn)煙草可以與比較遠(yuǎn)的物種成功嫁接否彩，不同屬之間的嫁接可以存活一個(gè)月以上的時(shí)間（Table S1，附圖3）嗦随。
在初步實(shí)驗(yàn)中列荔，研究人員設(shè)置了三組對(duì)照實(shí)驗(yàn)敬尺，第一組的嫁接實(shí)驗(yàn)在同種類菊花之間展開(kāi)（Cm/Cm）（圖1A），第二組嫁接實(shí)驗(yàn)在本氏煙草和同種類的菊花之間展開(kāi)（Cm/Nb）(圖1C)贴浙，第三組嫁接實(shí)驗(yàn)在大豆和同種菊花之間展開(kāi)（Gm/Cm）（圖1B）砂吞。三個(gè)月過(guò)去之后，研究人員發(fā)現(xiàn)本氏煙草的嫁接實(shí)驗(yàn)成功了崎溃，因?yàn)榫栈ㄉ祥L(zhǎng)出了本氏煙草蜻直。在嫁接連接的地方，在嫁接不成功的組合Gm/Cm邊界處發(fā)現(xiàn)了壞死層（圖1D-1F）袁串。壞死層的形成是嫁接過(guò)程中細(xì)胞與細(xì)胞不相融的標(biāo)志概而。而Nb/Cm嫁接則顯示細(xì)胞與細(xì)胞粘附成功。嫁接不成功的Gm/Cm則出現(xiàn)了由嫁接損傷引起的細(xì)胞壁折疊（圖1G）囱修，但是成功的Nb/At則在嫁接出形成了薄的細(xì)胞壁（圖1H-1K）赎瑰。因此，Nb可以在跨屬的嫁接之間實(shí)現(xiàn)細(xì)胞與細(xì)胞的黏連破镰，從而達(dá)到成功嫁接的目的餐曼。或者鲜漩，我換種想法源譬，是不是也是再生能力比較強(qiáng)，并且這種能力可以打破不同屬之間的壁壘孕似。
為了研究煙草能夠成功進(jìn)行不同屬之間嫁接的分子機(jī)制踩娘，作者在嫁接后的2小時(shí)到28天分析了Nb/At嫁接處的轉(zhuǎn)錄表達(dá)情況（圖2）。轉(zhuǎn)錄水平在嫁接之后2個(gè)小時(shí)內(nèi)發(fā)生了明顯的變化鳞青，并且隨著時(shí)間的推移進(jìn)一步變化（圖2A霸饲，2B）。與嫁接相關(guān)的基因臂拓，在Nb/At嫁接后上調(diào)，包括與生長(zhǎng)素響應(yīng)习寸，創(chuàng)傷修復(fù)胶惰，形成層以及維管束發(fā)育相關(guān)（圖2B）。這些基因的表達(dá)和Nb/Nb嫁接相比霞溪，水平差不多l(xiāng)evel孵滞，甚至還高（圖2C）。嫁接植物連接處的轉(zhuǎn)錄變化與形態(tài)上的變化是一致的：在嫁接處觀察到了增值細(xì)胞和木質(zhì)部的形成鸯匹，只不過(guò)木質(zhì)部比較狈蝗摹（圖S4A-S4E）。染色實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在嫁接后大概3天后發(fā)現(xiàn)了質(zhì)外和同質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)（圖S4F-S4H）殴蓬。并且還檢測(cè)到了mRNA和綠色熒光蛋白通過(guò)嫁接植物的轉(zhuǎn)運(yùn)匿级，但是低于同種植物的嫁接（圖S4I-S4J）蟋滴。因此，Nb接穗的活力通過(guò)在嫁接處形成實(shí)體的組織成功生長(zhǎng)痘绎。
為了闡述嫁接背后的分子機(jī)制津函，我們?cè)贜b/At嫁接的Nb接穗處鑒定到了189個(gè)早期上調(diào)的基因（圖2D）。這些基因的GO富集分析結(jié)果表明主要和細(xì)胞外區(qū)域孤页，細(xì)胞壁尔苦，質(zhì)外體等功能有關(guān)（圖2E），也說(shuō)明了煙草的細(xì)胞壁經(jīng)過(guò)了調(diào)控和修飾行施。其中編碼細(xì)胞壁修飾的酶包括：β-1,4-葡聚糖酶允坚、β-1,3-葡聚糖酶、木葡聚糖水解酶和膨脹素蛾号，在嫁接后顯著上調(diào)（圖2F）稠项。Nb/At嫁接植物連接的激光顯微切割樣品證實(shí)了這些基因表達(dá)的增強(qiáng)（圖2G和2H）。屬間嫁接和機(jī)械損傷的轉(zhuǎn)錄組結(jié)果也表明細(xì)胞壁相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄變化须教。因此皿渗，煙草激活了屬內(nèi)和屬間嫁接過(guò)程中的細(xì)胞壁重建。
為了比較屬間嫁接的轉(zhuǎn)錄變化轻腺，作者鑒定了在Nb/At嫁接中Nb接穗上上調(diào)的基因,但是在Gm/At嫁接中Gm接穗中并不上調(diào)【作者是從Gm中選取的與Nb中相似度最高的homolog】乐疆。在Nb接穗中上調(diào)的189個(gè)基因中（圖2D），Gm接穗中只有110個(gè)同源基因上調(diào)（圖3A）贬养。因此,作者接下來(lái)進(jìn)一步分析了這79個(gè)基因,GO富集結(jié)果表明與細(xì)胞外區(qū)域和細(xì)胞壁相關(guān)的基因比例過(guò)高（圖3B）（與圖2E相比挤土，與細(xì)胞外區(qū)和細(xì)胞壁有關(guān)的基因數(shù)量為14個(gè)中的9個(gè)，而與其他GO術(shù)語(yǔ)相關(guān)的基因數(shù)量則為50個(gè)中的16個(gè)）误算。
通過(guò)比較家族間移植轉(zhuǎn)錄組仰美，我們鑒定了在Nb/At家族間移植的Nb接穗中上調(diào)的基因，但在Gm/At家族間移植物的大豆（Gm）接穗中不上調(diào)的基因儿礼。我們從Gm中選擇了與每個(gè)上調(diào)的Nb基因顯示出最高同源性的基因。在Nb接穗中上調(diào)的189個(gè)基因中（圖2D）蚊夫，Gm接穗中只有110個(gè)同源基因上調(diào)（圖3A和補(bǔ)充材料）诉字。我們進(jìn)一步分析了在Nb而不是Gm接穗中上調(diào)的79個(gè)同源基因。在79個(gè)基因中知纷，與細(xì)胞外區(qū)域和細(xì)胞壁相關(guān)的基因比例也過(guò)高（圖3B）（與圖2E相比壤圃，與細(xì)胞外區(qū)和細(xì)胞壁有關(guān)的基因數(shù)量為14個(gè)中的9個(gè)）。這一結(jié)果也再次說(shuō)明琅轧，成功的煙草屬間嫁接需要細(xì)胞壁重建伍绳。
在Nb屬間嫁接植物上表達(dá)的一個(gè)基因是NbGH9B3，它編碼糖基水解酶9B（GH9B）家族的β-1,4-葡聚糖酶乍桂。NbGH9B3的表達(dá)在1 天時(shí)上調(diào)冲杀，在3 天時(shí)進(jìn)一步升高效床，但在Gm/At屬間嫁接中Gm同源物的表達(dá)不顯著（圖3C）。GH9B家族的β-1,4-葡聚糖酶在植物生長(zhǎng)過(guò)程（如根系伸長(zhǎng)）中的纖維素消化和細(xì)胞壁松弛或構(gòu)建中發(fā)揮作用漠趁。因此扁凛，作者推斷NbGH9B3可能促進(jìn)了嫁接植物邊界處細(xì)胞與細(xì)胞之間的粘附。因此闯传，作者接下來(lái)進(jìn)一步分析了NbGH9B 3在嫁接植物中的功能谨朝。
作者利用VIGS來(lái)測(cè)試NbGH9B3在Nb/At屬間嫁接過(guò)程中的功能（圖3D-3F）。NbGH9B3沉默后導(dǎo)致在嫁接兩周后失敗甥绿，Nb接穗從At中分離,并且在嫁接處i改昵稱了壞死層（圖3D）字币。NbGH9B3的表達(dá)量反映了嫁接的失敗（圖3E和3F）共缕。在嫁接的連接處看到折疊的細(xì)胞壁,通常是嫁接失敗的特征.當(dāng)NbGH9B3被沉默后,在嫁接處觀察到了折疊的細(xì)胞壁,但是對(duì)照中則沒(méi)有（圖3G-3J）洗出。對(duì)于NbGH9B3的編輯材料，作者發(fā)現(xiàn)與At的嫁接中,野生型是91%,而編輯材料是60%（圖3K）图谷。因此翩活，NbGH9B3編碼的β-1,4-葡聚糖酶促進(jìn)了煙草屬間嫁接的建立。
接下來(lái)便贵，作者開(kāi)始研究β-1,4-葡聚糖酶是否也在其他屬的科內(nèi)嫁接中發(fā)揮作用（圖4A和4B）菠镇，包括大豆（Gm）、牽懦辛В花（in）利耍、玉米（Zm）和擬南芥（At）。在Gm盔粹、In和At同源植物嫁接中隘梨，一個(gè)GH9家族基因在7天內(nèi)上調(diào)；均屬于GH9B3分支（圖4A和4B）舷嗡。對(duì)于At為砧木轴猎，Gm和In接穗中，GH9B3在1天后上調(diào)进萄，其余時(shí)間不變化（圖4B）税稼。Zm在嫁接過(guò)程中失敗，因?yàn)閱巫尤~職業(yè)缺乏形成層的形成垮斯。在Zm嫁接的植物中，GH9B3的同源基因均不發(fā)生變化只祠。
為了探索GH9B3在其他植物屬的嫁接中的作用兜蠕，作者又選取了擬南芥中這個(gè)基因的兩個(gè)突變體（圖4C）。然而抛寝，與野生型相比熊杨，兩個(gè)突變系植物在嫁接后成功率沒(méi)有變化曙旭，但是發(fā)芽率都有所下降（圖4C）。因此晶府，GH9B3不需要在At中建立嫁接植物連接桂躏，但確實(shí)有助于嫁接后的芽生長(zhǎng)。為了檢測(cè)GH9B3過(guò)表達(dá)對(duì)嫁接的影響川陆，作者在擬南芥中過(guò)表達(dá)了NbGH9B3剂习，然后發(fā)現(xiàn)過(guò)表達(dá)后移栽成功率顯著高于野生型（圖4D）。因此GH9B3在煙草和擬南芥的嫁接過(guò)程中同樣都起作用较沪。
作者研究結(jié)果表明鳞绕，煙草的這種嫁接能力需要在屬間嫁接時(shí)才能被激活。為了利用這種能力尸曼，作者探索了煙草是否可以作為不同植物的嫁接中間體们何。作者使用煙草作為At/Cm和番茄的中間嫁接體。結(jié)果表明控轿，可以成功實(shí)現(xiàn)番茄和At/Cm的嫁接（圖4E-4G）冤竹，當(dāng)然作者也測(cè)試了其它的砧木和接穗。
