五嫁接：细胞DNA和叶绿体在接穗和砧木横向传递

我们常吃的柿子、苹果、梨等水果，以及绝大多数果树的繁殖，都要经过嫁接：心灵手巧的果农们把优良品质的“接穗”下端和“砧木”的上端连在一起，使它们的形成层（树枝上木质部和韧皮部之间，细胞分裂最活跃的薄层）互相对齐，使砧木的液汁不断地流到接穗里，供给接穗生长的需要，两者不久就会愈合成一体。 但是我们想不到在树液这样流动的过程中，两者的细胞发生了什么变化。

大家知道，绿色植物细胞里有许多叶绿体，这种像“细菌”一样的绿色小颗粒是进行光合作用和制造氧气的“工厂”。 叶绿体里含有它自己的DNA，跟细胞DNA不同。 叶绿体的蛋白质都是叶绿体DNA编码的。

科学家的实验发现，接穗和砧木的细胞DNA能够彼此转换；不仅如此，而且整个的叶绿体都能跑到对方的细胞里去！

用来做实验的植物是烟草。 我们来看一下科学家们究竟是怎样做这个实验的。 这个实验需要动脑筋仔细设计。 当然，任何科学实验都要动脑筋好好设计，不想动脑筋是绝对做不好科学实验的。

科学家们先用分子生物学的方法（具体这里就不说了，笔者鼓励有兴趣的读者去看这方面的专业书籍），把一种烟草品种，在叶绿体DNA里插进了一个抗卡那霉素的基因，和一个在紫外光下能发黄色荧光的蛋白质基因，使这种烟草既不怕卡那霉素，又会在紫外光下发黄色的荧光。 然后，科学家们又把第二种烟草在它的叶绿体DNA里插入了一个抗光神霉素的基因和一个在紫外光下能发绿色荧光的蛋白质的基因。 这样，这株烟草既不怕光神霉素，又能发绿色荧光。

有了这两种带标记的烟草后，正式实验就可以开始了。 科学家拿这两种烟草分别做接穗或砧木，进行两种嫁接。 注意，这是在无菌条件下的嫁接，像给病人动手术一样的严格。 接穗和砧木长成一体后，就把结合处切下来，放在含有卡那霉素和光神霉素两种抗生素的培养基上培养。 这时，原来两种烟草的切块因为都只能抗一种抗生素，所以就被另一种抗生素杀死。 只有同时含抗这两种抗生素的基因的烟草，才能生长。 而且，还可以用紫外光灯照这些植株，看它们发什么荧光，来确定到底是哪些植株生长起来。

当科学家们观察实验结果时，发现嫁接株中的确有几株长起来了。这就说明这些植株可能同时抗两种抗生素，因此这些植株的嫁接是成功的。 用激光共聚焦显微镜，在紫外激光激发的荧光之下观察这些植株的细胞，在接穗和砧木的细胞核质中，果然看到了明亮的黄色荧光——说明有黄色荧光蛋白的积累，而在两者的叶绿体中，都看到了亮绿色的荧光——绿色荧光蛋白的积累。 这些都意味着有可能发生了细胞核DNA和叶绿体DNA在接穗和砧木间的交换传递，也就是说，这两种DNA既可以从接穗传递到砧木，也可以从砧木传递到接穗。(www.xing528.com)

科学最重要的是严谨性。 到底是否发生了横向基因传递，光看抗生素抗性和观察荧光是不够的，因为那都只是间接的证据。 为了保证实验结果的准确性，必须用实验来直接证实。 为此，科学家们使用了一种叫做PCR的实验方法（详见本书第八章）。

为了证实在嫁接的烟草中确实已经传递进了别的植株的叶绿体DNA，科学家用在双抗培养基中生长起来的烟草细胞中的那一丁点DNA进行了PCR扩增，对扩增的DNA做了序列分析。 结果证实所有的嫁接株都含有对方的基因。 这就无可争辩地证明，在嫁接中发生了横向基因传递的事件。 在此基础上，科学家进一步用了多种分子生物学研究方法，证明在嫁接中被转移到对方植株细胞中去的，不是叶绿体DNA，而是整个叶绿体。 因此，树木嫁接这种农业生产中广泛应用的技术，实际上是一种“转基因”的操作，使得基因在两种植物之间互相传递，结果是这两种植物都获得了对方的性状。

从上面的事实，可以知道，植物的遗传并不是像从前所认为的那样只是从亲代遗传到子代。 在遗传过程中还有“从旁边钻进来的”基因——横向的基因转递。 实际上，动植物的遗传和进化是一个包括纵向和横向的基因传递的复杂过程。

和上面的实验相似，我国科学家用简单的嫁接方法，就在两种棉花植株的嫁接中看到了横向基因传递。 他们拿高地棉（浅黄白色花瓣、花瓣上没有斑点、是转入了苏芸金杆菌抗虫蛋白基因的转基因棉）做接穗，用海岛棉（黄色花粉、亮黄色基部有红点的花瓣、非转基因棉）做砧木，进行实验嫁接。 为了便于检查横向转基因事件的发生，用这两种棉花分别和同种棉花植株做嫁接，作为两个对照。 为确保嫁接后新长出的腋芽受到砧木基因的影响，把一部分第一次长出的腋芽掐掉，观察随后长出的第二腋芽所长成的枝条开的花。 他们发现，第一次长出的腋芽所生成的枝条上开的花，以及对照嫁接的植株开的花，形态和接穗的花没有什么两样。 但是在实验嫁接的接穗上第二次长出的腋芽所开的花中，45朵花有3朵显现了砧木的形态，花瓣变成了较深的黄色，并且瓣基部出现了红点，虽然红点没有砧木的花的红点大，但是很清晰。 这清楚地表明，砧木的基因在接穗中得到了表达，而这种表达只能是通过直接的横向基因传递才能实现。

在观赏花卉的培育方面，我国园艺家也早就使用了嫁接方法，创造了不计其数的多彩斑斓的花草。 如梅花的嫁接，多用杏树、桃树作为砧木；嫁接桂花用女贞树做砧木；蔷薇的嫁接用月季花树作为砧木；等等。 这些嫁接搭配能培育出美丽而且品种优良的花木。 在其中少不了砧木的基因横向传递到接穗，对提高花木的品质做出的贡献。