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植物嫁接理论与技术 Theoretics and technology of Plant Grafting

植物嫁接理论与技术 Theoretics and technology of Plant Grafting. 上海交通大学 黄丹枫. 2006 年 11 月. 第四讲 植物嫁接与器官移植 Chapter4 Plant Grafting and Xenotransplantation. Story ， dream or truth?. Story or troth?. 近代 《 封神榜 》 ？. Xenotransplantation.

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植物嫁接理论与技术 Theoretics and technology of Plant Grafting

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Presentation Transcript

  1. 植物嫁接理论与技术 Theoretics and technology of Plant Grafting 上海交通大学 黄丹枫 2006年11月

  2. 第四讲 植物嫁接与器官移植Chapter4 Plant Grafting and Xenotransplantation

  3. Story，dream or truth? Story or troth?

  4. 近代《封神榜》？

  5. Xenotransplantation

  6. 第十四届世界器官移植运动会于2003年7月19日在法国南锡开幕，中国代表队的五位成员将披着生命的阳光，带着生命的希望，在特奥会的赛场上展现中国移植患者的风采，健康生命在运动中再度闪光。

  7. 谢蜀生教授实验室 • 关于免疫耐受和移植免疫的研究于1998年作为重点项目获得国家自然科学基金的资助。 • 通过建立稳定异基因中枢嵌合体，诱导成年动物之间的移植耐受，并探讨耐受形成的机理。 • 通过异基因大鼠和小鼠联体共生（parabiosis）成功诱导了完全MHC不同的大鼠（或小鼠）之间的皮肤、心脏、肾脏移植耐受（长期存活>80天）。 • 用针对CD4、TCR、Ia、H-2b、B7-1/2等分子的单克隆抗体单独或联合应用，成功地获得了小鼠皮肤移植物的长期存活。

  8. 同种异基因器官移植后，由于供、受者之间的组织相容性抗原不同，它们可以刺激相互的免疫系统，引起宿主抗移植物或移植物抗宿主的移植排斥。同种异基因器官移植后，由于供、受者之间的组织相容性抗原不同，它们可以刺激相互的免疫系统，引起宿主抗移植物或移植物抗宿主的移植排斥。

  9. Graft versus host disease

  10. 移植排斥的遗传学基础MHC:主要组织相容复合物；HLA:人类白细胞抗原移植排斥的遗传学基础MHC:主要组织相容复合物；HLA:人类白细胞抗原

  11. 受者对供者组织器官产生的排斥反应称为宿主抗移植物反应

  12. 免疫抑制机理

  13. 移植排斥的防止（HLA配型）

  14. 嵌合体小鼠

  15. 植物嫁接=器官移植 ？ 讨论： ？ 嫁接不亲和=排异反应

  16. 嫁接愈合原理与亲和性 • 丁平海等将嫁接愈合过程其细分为5个阶段： (1)未形成愈伤组织； (2)开始形成愈伤组织； (3)砧穗间愈伤组织的连接； (4)形成层的分化与连接； (5)输导组织的分化与连接

  17. 嫁接愈合期结合部位组织学变化 图1 砧木未嫁接时组织结构,×100 图2 嫁接后3天砧木与接穗产生厚厚的隔离层 ×400 图3嫁接后6天砧木与接穗产生假导管,×100 图14 嫁接后13天砧木与接穗间隔离层基本消失

  18. 植物嫁接研究案例（一） The relationship of the activity of PAL and the transfer of the resistance to Fusarium oxysporum f.sp. niveum in grafted watermelon Jinghua Xu, Danfeng Huang 2003

  19. Aims • 对影响嫁接成活率及其亲和性的因素进行分析，并对嫁接愈合过程中嫁接苗接合部进行了组织解剖学观察； • 对枯萎病致病菌进行分离鉴定和抗性西瓜品种和砧木品种的筛选； • 嫁接苗及自根苗接种以后枯萎病抗性与苯丙烷类代谢的关系。

  20. 编号number A1 A1B1 A1B2 A2 A2B1 A2B2 接穗/砧木 scion/rootstock 早佳(8424) Zaojia(8424) 早佳/极地863 Zaojia/Jidi863 早佳/西域砧 Zaojia/Xiyuzhen 春光 Chunguang 春光/极地863 Chunguang/Jidi863 春光/西域砧 Chunguang/Xiyuzhen Table1 Treatments of the materials of rootstocks and watermelon scions

  21. Table 2 The disease incidence after 120 hours inoculated with Fusarium wilt spores

  22. Table 3 Changes of PAL activity in leaves after 120 hours inoculated with Fusarium wilt 不同字母表示差异达到显著水平（p=0.05）

  23. Summary • Grafting significantly reduced the incidence and disease index of Fusarium wilt in watermelon. • The resistance of grafted seedlings was correlated with the adaptability of the scions and the resistance of the rootstocks. • The activity of PAL and the resistance of Fusarium wilt in watermelon were directly correlated. • The PAL activity kept a high level in the disease resistance plants .

  24. 植物嫁接研究案例（二） Effects of Rootstocks on Growth and Fruit Quality of Grafted Watermelon Liu Runqiu, Danfeng Huang 2003

  25. Aims • 不同砧木对早佳8424的嫁接亲和性； • 6种嫁接组合的果实发育进程的研究：根系吸收能力强、光合速率、产量等； • 不同砧木对嫁接西瓜果实品质的影响。

  26. Materials and methods • 西瓜品种：早佳8424 • 砧木品种：将军(葫芦)、华砧二号（葫芦）、超丰F1（葫芦）、华砧一号（瓠瓜）、抗砧二号（南瓜）、西域砧（野生西瓜）、强刚一号（葫芦） • 测试内容：根系吸收能力；果实品质分析：手持糖度计测定可溶性固形物含量；Vc含量；可溶性糖含量；有机酸总量；总胡萝卜素含量；可溶性蛋白含量。感官鉴定方法：应用综合评定法分析。

  27. 嫁接组合 Treatments 顶插接嫁接成活率（%） The survival rate of Top-insert grafted 单叶切接嫁接成活率（%） The survival rate of one-leaf-cut grafted 早佳/将军 74.8 c 72.9 c 早佳/华砧二号 95.4 b 94.8 b 早佳/超丰F1 95.7 a 95.1 a 早佳/西域砧 65.0 d 65.1 d 早佳/抗砧二号 60.3 e 54.8 e Results Table1 Effects of rootstocks on the survival rate of grafted watermelon

  28. 嫁接组合 Treatment 叶绿素a(mg﹒g-1) chlorophyll a 叶绿素b(mg﹒g-1) chlorophyll b 早佳/将军 25.013 a 14.796 bac 早佳/华砧二号 24.013 a 17.175 a 早佳/超丰F1 25.010 a 12.641 c 早佳/西域砧 24.723 a 14.290 bac 早佳/抗砧二号 24.845 a 13.360 bc 早佳 21.792 a 13.435 bc 砧木对嫁接西瓜苗叶绿素含量的影响 Table2 Effects of rootstocks on the chlorophyll content of grafted watermelon

  29. 处理组合 Treatments 早佳 早佳/华砧二号 早佳/超丰F1 早佳/将军 早佳/西域砧 早佳/抗砧二号 根系活力 Activity of absorbing roots/µg﹒TTF﹒（gh）－1 270.67b 254.86b 254.86b 270.68b 258.66b 530.95a 根系体积 Volume of root/cm3 6.06b 5.96d 7.23b 6.36c 7.30b 12.54a 根系总吸收面积 Area of absorbing roots /ｍ2 10.17e 12.31d 14.64b 12.83c 14.56b 23.65a 活跃吸收面积 Active area of absorbing roots /ｍ2 4.74e 5.25d 6.76b 5.67c 6.69b 11.40a 砧木对嫁接西瓜根系吸收能力的影响 Table 3 Effects of rootstocks on capabilities of root absorption of grafted watermelon

  30. 嫁接组合 Treatment 伤流液量 Volume of xylem sap（ml） 游离氨基酸含量 Soluble amino（mg/g） 可溶性蛋白质含量Soluble Protein（mg/g） 早佳/将军 6.000b 4.204a 10.095b 早佳/华砧二号 2.833cd 3.665e 14.093a 早佳/超丰F1 3.466c 4.083b 0.904d 早佳/西域砧 3.133c 3.977c 6.908c 早佳/抗砧二号 20.366a 3.527f 0.120e 早佳 1.733d 3.933d 7.083c 砧木对嫁接西瓜伤流量及其成分的影响 Table 4 Effect of rootstocks on xylem exudates in grafted watermelon

  31. 砧木对嫁接西瓜伤流液中矿物质含量的影响 Table5 Effects of rootstocks on mineral concentrations of xylem sap in grafted watermelon 嫁接组合 Treatment K(ppm) Na(ppm) Ca(ppm) Mg(ppm) P(ppm) S(ppm) NO2- 早佳/将军 459.73d 4.76c 85.23b 40.26c 82.17c 18.91f 2.82c 早佳/华砧二号 397.40f 3.99d 79.57b 30.27e 35.93f 25.27e 1.14e 早佳/超丰F1 408.03e 2.93e 120.10b 41.40b 134.25a 33.71c 3.32b 早佳/西域砧 611.80b 48.13a 104.00b 51.74a 42.09e 46.71a 1.35d 早佳/抗砧二号 1020.90a 2.92e 404.10a 51.56a 66.30d 31.49d 5.04a 早佳 477.13c 21.42b 111.87b 38.56d 97.73b 43.81b 1.09e

  32. 嫁接组合 Treatments 平均单果重（kg/个） Average weight 小区产量（kg） Little district yield 亩产量(kg/666.7 m2) Yield 早佳/ 将军 0.927a 38.833ab 2590.2ab 早佳/华砧二号 0.662b 26.413c 1761.8c 早佳/超丰F1 0.933a 37.633b 2510.1ab 早佳/西域砧 1.020a 40.833ab 2723.6ab 早佳/抗砧二号 1.073a 43.433a 2897.0a 早佳 0.927a 37.333b 2490.1b 砧木对嫁接西瓜产量的影响 Table6 Effects of rootstocks on the yield of grafted watermelon

  33. 表2－5 砧木对嫁接西瓜营养品质的影响Table 2－5 Effects of rootstocks on nutrition quality of grafted watermelon

  34. 表2－6 砧木对嫁接西瓜感官品质的影响Table 2－6 Effects of rootstocks on taste quality of grafted watermelon

  35. Summary • Powerful absorption of rootstocks accelerated growth and development of grafted watermelon, and enhanced fruit yield. • Rootstock species have great effects on fruit formation. Flavor of watermelon grafted with pumpkin was influenced by reducing sugar content and increasing organic acid.

  36. 植物嫁接研究案例（三） Selection of Rootstocks and fruit qualities of Grafted Watermelons Wei Han, Danfeng Huang 2004

  37. 在临床医学上，当某器官患有用其他疗法已不能治愈的致命性疾病时，需采用器官移植手术，将保持活力的健康器官，从身体的某一部分移植到自己或另一个体的某一部位，以取代有病的器官。 • 器官移植已有一个世纪的历史，真正蓬勃发展只。在近40年。目前同种器官移植已是有实用价值的医疗方法。同胞间，异卵双生子之间，父代与子代间，亲属及非亲属间的移植均属同种移植移植用的器官可用来自活体或尸体，成双的器官如肾来自自愿献出一个健康肾的活体，多半为同胞或父母；而单一器官如心、肝等，则尸体是唯一来源。动物供给器官的异种移植，由于会引起强烈排斥反应，目前作了大量的试验，正逐步向临床过度。 • 进入21世纪的器官移植，将要解决供体器官、人体器官与人造器官、排斥与抗排斥反应等问题，使器官移植更好地为人类服务。 • 21世纪将需要建立更多的调剂移植器官的机构棗器官移植中心。如荷兰的欧洲器官移植中心，，凡有可供移植的器官时，立即通过电脑寻找患者，可在极短的时间内，从全欧洲找到合适的病人。该中心科学的管理，灵通的信息，高效的工作，仅在1990年就调度和输送了5000多个器官，其中包括3219个肾，690颗心脏，599个肝，62个胰腺，50个肺和大约1000块眼睛角膜。随着对“脑死亡”判断死亡定义的确定，已可为更多病人提供移植的器官，下个世纪将会有更多的供体器官来源。 • 一些移植方法的改进是未来解决器官供需矛盾的办法。如脾内肝细胞移植，形成肝化脾，使之具有一定的肝功能，当克服临床难点后，脾内肝细胞移植可与同种异体肝移植、辅助性肝移植成三足鼎立之势；将成人肝分成两上体积较小，且具有完整功能的减体肝移植，既可解决供体器官缺乏，供两个病人需要，也可为肝体积较小的儿童患者供肝；将小块脾组织移植到腹膜腔作异位移植的自体脾移植术进入临床，则可解决供脾来源。 • 全世界每年仅肾、心、肝病晚期患者分别有50、30、和20万，器官总需求每年00万个，供体器官远远不能满足需要。除同种移植外，动物器官的异种移植将是供体来源的重要手段。1992年英国科学家已将人的基因导入猪胚胎，出生了世界上首例转基因猪，植入的人基因使猪的器官与人的免疫系统相适应，免疫排斥较小。

  38. 1954年世界上首次施行同卵双生姐妹间的肾移植成功。70年器官移植技术发展速度加快，其中肾移植始终占据首位。到目前为止，全球肾移植即达35万余例，心脏移植3万余例，肝脏移植4万余例。心移植一年以上存活率在70%以上，肝移植则达88%。最长存活者为31年。肾、心、肝移植长期存活者恢复了工作、学习和生活能力，已各自成为晚期肾、心、肝病一种不可替代的治疗手段。目前，世界各国已先后在临床上开展了肾、心、肝脾、胰、腺、骨髓、肾上腺、胰岛、甲状旁腺、肺睾丸、关节、胎胰、胎甲状旁腺、胎肾、胎胸腺、胰肾联合、肝细胞、脾细胞、脑细胞和神经组织等的器官移植。我国器官移植起步约晚于世界10年，但进展较快，上述各种器官移植我国均已开展，并形成了自己的特点，特别是多种类别的胚胎器官移植在国际上处于领先地位。

  39. 动物器官的异种移植：21世纪器官移植的主攻方向动物器官的异种移植：21世纪器官移植的主攻方向 • 1995年，美国学者把一头转基因猪的脑组织移入一位帕金森氏病患者的大脑获得成功，病人震颤消失。 • 由于猪的器官和人的器官大小相仿，形态相似，繁殖力强，成长迅速，因而其心、肝、肾、肺和其它器官均可供移植，转基因猪将成为人类未来的器官工厂。 • 讨论：植物器官的异种移植已经普遍成功应用于生产，有哪些方面值得借鉴？

  40. Plant Graft vs. Xenotransplantation • 砧木-宿主 • 接穗-移植器官 • 接穗来自其他不同种或不同品种植物 • 移植器官来自宿主个体本身或其他人或动物

  41. 嫁接成功与否决定于两植物的亲和性大小 • 器官移植成功与否要看移植物和宿主的组织相容程度，即是否发生排异反应

  42. 嫁接后，某些不亲和植物会很快显示出不亲和现象，而另一些则可能很久以后才表现出不亲和嫁接后，某些不亲和植物会很快显示出不亲和现象，而另一些则可能很久以后才表现出不亲和 • 器官移植的排异现象：超急排斥，急性排斥，慢性排斥三种类型

  43. 影响嫁接不亲合的因素很多：如砧穗内部组织结构的差异、生理生化的差异、病毒及病害、砧穗生长期长短、环境因素、激素水平等；影响嫁接不亲合的因素很多：如砧穗内部组织结构的差异、生理生化的差异、病毒及病害、砧穗生长期长短、环境因素、激素水平等； • 影响器官移植成功的因素：如移植物和宿主的组织相容程度，宿主的身体状况，移植后伤口是否会发生感染等。

  44. 嫁接亲和性机制 • 嫁接亲和性机制①遗传因素②病毒③组织结构④生理特性和生化反应 • 避免不亲和的方法①挑选亲和性高的砧木和接穗②防止病毒感染③充足的营养条件等

  45. 器官移植排斥机制 • 器官移植排斥机制： ①遗传学基础 ②免疫学基础 • 器官移植排斥反应的防止： ①HLA配型 ②免疫抑制 ③移植耐受的诱导

  46. 讨论 • 植物嫁接与动物器官移植有什么共性？ • 它们的不同之处有哪些？ • 植物嫁接主要解决什么实际问题？ • 试分析动物器官移植的目的。 • 植物嫁接和动物器官移植技术应用的难度分别是什么？

  47. 推荐阅读的文献 • Alice Chen; Elizabeth A Komives; Julian I Schroeder. An Improved Grafting Technique for Mature Arabidopsis Plants Demonstrates Long-distance Shoot-to-Root Transport of Phytochelatins in Arabidopsis, Plant Physiology; May 2006; 141, 1; ProQuest Agriculture Journals, pg. 108 • K. J. P. T. van den Heuvel, P. H. F. Heijnen, G. W. M. Barendse and G. J. Wullems*. Expression of two gibberellin-regulated cDNAs during early flower development in tomato (Solanum lycopersicon). Effect of grafting and paclobutrazol, PHYSIOLOGIA PLANTARUM 108: 95–100. 2000 • Lázaro E.P. Peres, , Rogério F. Carvalho, Agustín Zsögön, Oscar D. Bermúdez-Zambrano, Walter G.R. Robles and Silvio Tavares, Grafting of tomato mutants onto potato rootstocks: An approach to study leaf-derived signaling on tuberization

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