植物嫁接新發現：跨越物種的神奇PAT1基因

 

挪威杉。圖片來源：維基百科

嫁接（grafing）這種技術已經有大約兩千年的歷史，但是到底成功的關鍵是什麼，過去只知道同科的植物嫁接成活率高，但其中的機制並不是很明瞭。

2020年的研究發現了一個β-1,4-葡聚醣酶對嫁接成活很重要。2021年更進一步成功地完成了單子葉植物的嫁接。最近發表在《自然植物》（Nature Plants）上的研究，發現了一個跨物種的重要因子PAT1。

在這篇研究中，研究團隊開發了一種「微嫁接」（micrografting）的技術。微嫁接通常涉及到非常小的植物組織或幼嫩的植物部分，比如種子苗的頂端或年輕的枝條。由於涉及的組織非常細小，這種技術要求高度精確的操作，通常需要在顯微鏡下進行。

聽起來感覺對農民不大友善，但是根據研究團隊，微嫁接可用於不同種類的植物，包括那些傳統嫁接方法難以操作的品種。而且嫁接部位的癒合更快，成活率也相對較高，特別是在使用年輕組織進行嫁接時更是如此。

研究團隊以挪威杉為實驗材料，透過對嫁接前後挪威杉的RNA定序，研究者分析了嫁接過程中基因表達的差異。他們鑑定了在嫁接過程中活化的基因，特別是與維管束發育和細胞分裂相關的基因。他們還進行了外源激素處理實驗，分析了這些激素對基因表達的影響，特別是與細胞壁相關的基因。

為了進一步探索嫁接過程中的轉錄調控，研究者鑑定了差異表達的轉錄因子，並進行了加權相關網絡分析（WGCNA），來找到在嫁接過程中活化的關鍵轉錄因子。結果他們發現了PAT1基因家族，並且在阿拉伯芥中進行了高度表達和突變株分析，以探索這些基因在嫁接癒合過程中的功能。

研究團隊在進行松柏科植物間的微嫁接後，觀察到不同物種間嫁接（稱為異種嫁接）和相同物種間嫁接（稱為同種嫁接）的高存活率。這些存活率根據基因型不同而變化，介於70%至100%之間。

將嫁接的植物移至土壤中進行長期觀察後，同種嫁接的植物存活率仍然很高（90%至100%），但異種嫁接的組合，特別是不同屬之間的嫁接組合，顯示出較低的存活率。例如，挪威杉嫁接到瑞典松和北美黑松的存活率分別只有3.6%和1.8%，但當挪威杉用作砧木時，與瑞典松或北美黑松的接穗組合的存活率分別提高到19.6%和30.1%。

儘管某些異種嫁接組合的植株在嫁接接合部位出現膨大，且生長高度有所不同，但一般而論，成功嫁接的植物都生長良好。此外，某些嫁接組合的植物在外觀上與未嫁接的植物相似。

嫁接過程中活化的主要基因包括與生長素和細胞壁相關的基因、與細胞分裂和維管束發育相關的基因以及PAT1基因家族。與生長素和細胞壁相關的基因有漆酶（laccase）、果膠甲基酯酶（pectin methyl esterase）、β-1,4-葡聚糖酶（beta-1-4-glucanase，這在2020年的研究中也被發現）和果膠裂解酶（pectate/pectin lyase）等；與細胞分裂和維管束發育相關的基因包括了幹細胞分裂和分化相關的基因，這對於嫁接接合部的癒合和維管束的重新連接非常重要；PAT1基因家族（PHYTOCHROME A SIGNAL TRANSDUCTION 1 ，PAT1） 基因則是這篇論文的最大發現，研究團隊發現PAT1在挪威杉和阿拉伯芥的嫁接過程中擔任核心調節作用，且這個基因家族在嫁接過程中的上調是共同的。

在挪威杉的嫁接過程中，研究團隊發現生長素和細胞分裂素反應的基因被激活。他們對2週大的挪威杉幼苗進行了外源生長素（IAA）和細胞分裂素（BAP）處理，隨後進行RNA定序分析。他們發現數千個基因對這些激素有反應，其中生長素誘導的基因數量略多於細胞分裂素誘導的基因。

在這些對外源激素有反應的基因中，研究團隊發現許多與細胞壁相關的基因，如漆酶、果膠甲基酯酶、β-1,4-葡聚糖酶和果膠裂解酶，在外源生長素處理和嫁接後都表現出差異性表達。特別是，生長素處理和嫁接過程中漆酶和果膠甲基酯酶的表達有顯著的重疊。

在嫁接過程中活化了一些特定的轉錄因子。研究團隊透過加權相關網絡分析（WGCNA）對這些轉錄因子進行了分析，發現在嫁接組織中特別是接穗和砧木中，而非未嫁接植物中的一些轉錄因子表現出差異性。這些轉錄因子的活化反映了嫁接過程中的複雜分子調控。這些轉錄因子包括PaPAT1-like、PaWIP4-like、PaMYB4-like、PaLRP1-like與PaMYB123-like。其中PaPAT1-like基因在挪威杉和阿拉伯芥（Arabidopsis thaliana）的嫁接過程中都被強烈上調。

當研究團隊以阿拉伯芥進行PAT1基因的高度表達和缺失突變實驗時，發現PAT1高度表達（AtPAT1OE）的阿拉伯芥在葉柄的傷口處表現出增加的癒傷組織（callus）形成，而pat1及其相關突變體（如pat1pat1scl5和pat1scl5scl21）則在癒傷組織形成方面顯示出顯著的損害，嫁接附著率也顯著地降低。使用CFDA介質的韌皮部再連接試驗表明，PAT1過表達（PAT1OE）的系列在韌皮部再連接方面沒有顯著變化，但PAT1相關的單、雙和三重突變體在韌皮部再連接方面顯示出從中等到強烈的抑制。

研究團隊還選殖了挪威杉中的PaPAT1-like基因，並在阿拉伯芥中進行了高度表達實驗。發現PaPAT1-like高度表達（PaPAT1-likeOE）的阿拉伯芥在切割的葉柄處表現出增加的癒傷組織面積。

總而言之，這項研究為植物嫁接的分子機制提供了更多寶貴的見解，特別是PAT1基因家族的作用。它還為林業和園藝提供了實際應用，增強了我們在植物嫁接方面的理解和能力。

參考文獻：

Feng, M., Zhang, A., Nguyen, V. et al. A conserved graft formation process in Norway spruce and Arabidopsis identifies the PAT gene family as central regulators of wound healing. Nat. Plants (2024). https://doi.org/10.1038/s41477-023-01568-w