烟草竟能成功嫁接于菊花、大豆拟、南芥等多种植物！

来源：iNature

植物嫁接通过细胞与细胞的黏附，将一块活组织与另一块附着在一起。然而，嫁接相容性限制了近缘物种的组合，其机制尚不清楚，研究者发现烟草可与多种被子植物嫁接粘附。对移植物组合的转录组分析比较表明，分泌到细胞外区域的β-1,4-葡聚糖酶有助于移植物界面附近的细胞壁重建，提高了嫁接的成活率。

2020年8月6日，日本名古屋大学Michitaka Notaguchi课题组在Science在线发表了题为“Cell-cell adhesion in plant grafting is facilitated by β-1,4-glucanases”的研究论文，发现并阐述了烟草可以与多种被子植物进行嫁接，并阐述了β-1,4-葡聚糖酶（β-1,4-glucanase）在植物嫁接过程中的作用。

首先，研究者以菊花（Cm），烟草（Nb），大豆（Gm），拟南芥（At），长春花（Vm）为材料，通过Cm/Cm、Gm/Cm、Nb/Cm、Nb/At和Nb/Vm不同嫁接方式，发现同种植物，以及烟草与不同植物嫁接可存活，而Gm/Cm嫁接处出现坏死，初步确定了烟草可以与多种被子植物进行嫁接。同时通过7种烟草品种与从416种被子植物中筛选出的来自42科的84种植物进行嫁接实验，发现烟草可以嫁接到一系列被子植物上，另外确定了被子植物中烟草可以建立的嫁接范围（图1）。

图1

为研究烟草与被子植物嫁接的细胞机制，对嫁接2h到28 days的Nb/At进行了转录组分析，转录信息在2h后开始发生变化，通过分析发现，与嫁接相关的基因上调表达，主要包括：生长素、伤口修复以及形成层和导管发育相关的基因，且表达量比Nb/Nb嫁接体系更高，对嫁接早期上调表达的基因进行提取，确定了189个候选基因，对其进行了GO富集分析，富集到的主要的GO条目包括细胞外区域，细胞壁和质外体，暗示了嫁接过程中主要进行了细胞壁修饰。与细胞壁修饰相关的基因包括：β-1,4-葡聚糖酶（β-1,4-glucanase）, β-1,3-葡聚糖酶（β-1,3-glucanase）, 木聚糖水解酶（xyloglucan hydrolase）和 膨胀素（expansin），其在1-28天上调表达，Nb/Nb的转录组分析也显示是细胞壁动态相关基因的表达变化。综上所述，烟草与同种植物或者是不同的被子植物嫁接都能激活细胞壁的重建。对Nb/At和 Gm/At的嫁接位点进行激光切割的组织进行转录组分析，鉴定了在Nb/At嫁接口处Nb中上调的基因，而在Gm/At的嫁接位点处Gm中未上调的基因，从Gm中选择了与上调的Nb基因中同源性最高的基因，189个基因中只有110个同源基因上调，进一步分析了79个在Nb中上调但是在Gm中没有上调的基因，其中主要包括与细胞外区域和细胞壁相关的基因，综上所述，烟草与不同被子植物之间的嫁接需要细胞壁重建（图2）。

图2

通过以上的转录组分析，研究人员锁定了嫁接过程中一个上调表达基因：NbGH9B3（编码糖基水解酶9B家族的β-1,4-葡聚糖酶），其在Gm/At中表达不显著。通过VIGS检测了NbGH9B3在Nb/At嫁接过程中的功能，沉默NbGH9B3导致嫁接2周后Nb/At嫁接的失败：在接口处形成了坏死层，Nb很容易地从At上脱落下来（图3）。

图3

为了进一步研究NbGH9B3的功能，研究者使用CRISPR/Cas9编辑生成了一个敲除系NbGH9B3（NbGH9B3-KO）的Nb植株进行嫁接的成功率为91%，而NbGH9B3-KO的成功率仅有60%，因此，NbGH9B3编码的β-1,4-葡聚糖酶促进了烟草的嫁接效果。

进一步分析β-1,4-葡聚糖酶在其他属的家族内嫁接中的作用，对大豆（Gm）、牵牛花（In）、玉米（Zm）和拟南芥（At）进行了嫁接实验，在Gm、In、At同种植物之间的嫁接实验显示,一个GH9家族基因在7d内上调表达，其属于GH9B3的一个分支。而在Zm/Zm嫁接是失败的，因为单子叶植物在茎部缺乏形成层活动。

为了研究其他植物属嫁接过程中GH9B3基因，研究人员利用野生型和两个T-DNA插入突变体株系（AtCEL3）在拟南芥中进行了幼苗微移，发现纤维素酶3（AtCEL3）是一种在同种植物嫁接过程中上调的GH9B3分支基因，嫁接成功率并没有显著差异，但是突变体系嫁接后的芽生长收到抑制，说明在拟南芥中嫁接不需要GH9B3，但GH9B3有助于芽的生长。通过构建拟南芥的超表达系（NbGH9B3-ox），发现NbGH9B3-ox系嫁接成功率显著高于野生型嫁接，因此说明GH9B3在烟草和拟南芥的嫁接过程中都起作用，且通常只在不同植物嫁接时激活。为了验证这种能力，研究者研究了烟草是否可以作为不同植物嫁接的中间载体，对Nb/At嫁接21天、4个月，Nb/Cm嫁接3个月的植株进行番茄接穗，番茄生长良好，且结果。烟草在拟南芥，大豆和番茄之间做了一次“媒娘”，而GH9B3的作用功不可没，后续研究发现烟草可以作为很多种被子植物的“媒娘”（图4）。

图4

日本名古屋大学Michitaka Notaguchi 教授为该论文的通讯作者和第一作者。