作者：岩鸣（天津）

斑锦变异的生物学机制一
——概论

   斑锦变异，是指植物体的茎、叶甚至子房等部位发生颜色上的改变，如变成白、黄、红等各种颜色。多肉植物的斑锦变异的数目和类型在植物界中可以xxxx，这是和多肉植物特殊的生理生化特点密切相关的。
     
    仙人掌科、百合科（包括龙舌兰科）发生斑锦变异的概率相当高，并且多数以黄色锦化出现，其次是红色和白色等其它颜色。具体的种、属的变异情况各异，比如星球属的变异类型就相当多，各种锦化类型之间也相互融合，所以表现出相当复杂的园艺性状。（关于斑锦变异的基本情况可以详见徐民生教授专著《仙人掌科与多肉植物》P80-84）

   习惯上把斑锦变异按照形态学分为黄色锦化、红色锦化等等，这种分类方法仅仅是以表观性状为依据，显然很不科学并且对园艺遗传育种学的意义也有限。现代生物学研究的对象是微观世界，从细胞、亚细胞到分子水平，在细胞生物学和植物生物化学相结合的基础上，可以提出一种全新的分类方法。这一分类的提出之前，必须要对锦化的生物学机制有所了解：

    锦化的生物学机制：一个正常的植物细胞的新陈代谢必须在适宜的外环境和内环境当中进行，所谓的外环境就是指细胞间的液态环境，而内环境是指细胞的内液。而对于植物体来说，它的外环境就是指自然或者人工环境，内环境则是指植物体的内部。内环境的稳态（Homaostasis）是生命得以实现的基础和充分条件，外环境作用于内环境而发挥作用，所以内环境的改变是造成新陈代谢紊乱的直接原因。一些物理（射线、环境骤变）、化学（诱变剂）以及生物因素（病毒），均可以作用于细胞外环境或者直接作用于内环境，这一系列的作用会导致细胞中产生一些“杀伤信号”，一部分信号会被内环境所代偿，仅会有很小的一部分作用于细胞内所有生物化学反应的指挥者——基因，使得基因突变。在一系列复杂的生物化学反应进行之后，某些调控色素生成的基因发生了突变；或者启动了相关色素基因的封闭基因；或者使色素生成基因的启动子失活等等。最终的结果是导致该基因调控的色素合成受阻，色素不能被合成，表观上就表现为斑锦变异。

   并不是同一株植物的所有细胞都要发生锦化，而是仅仅一个或者几个细胞发生了变异。这些变异细胞不断的分裂，并且和正常细胞共存而形成了嵌合体（chimaera）,例如我们常见到的兜锦、玉扇锦等。变异细胞的根源是基因突变，所以这种变异是具有遗传性的。这种遗传可能有两套机制存在：1.核基因受损的双系遗传；2.叶绿体基因受损的细胞质遗传。当子一代的锦化植株产生后会发现其中有很多xx锦化的个体，这些个体不具有嵌合性状，而是全部由锦化细胞组成的，这种锦化现象可以称为xx锦化，而xx锦化的个体称为极端体。由此锦化可以分为xx锦化和不xx锦化，不xx锦化就是以嵌合体为代表的锦化细胞和正常细胞共存的锦化类型。
   在长期的养护当中会发现有些锦化的程度不是很明显，可能初期很明显而到了后期就和正常的绿色融合在一起了，习惯上我们认为这样的为“暗锦化”，而把色彩分明的锦化称为“鲜明锦化”。这种现象的发生引出了锦化机理的另外一部分——细胞融合。由于锦化突变细胞的高度不稳定性，它们的细胞膜钙离子含量往往较高，这种环境很容易造成细胞膜穿孔，进而发生两个细胞的原生质体的融合，甚至细胞核的融合。当这种融合发生在锦化细胞和正常细胞之间时，就形成了嵌合细胞。这种嵌合细胞形成的植物体就表现为“暗锦化”，也就是颜色不是很分明，是杂合在一起的。值得提出的是，由嵌合细胞形成的锦化个体和嵌合体有着本质的不同，嵌合体是由非嵌合细胞组成的。为避免这个概念的混淆，我们称“鲜明锦化”（嵌合体）为非融合性不xx锦化，称“暗锦化”为融合性不xx锦化。综上所述，锦化变异就可以分为xx锦化和不xx锦化，而不xx锦化又可以分为非融合性不xx锦化和融合性不xx锦化。
这种分类方法是基于细胞生物学和遗传学提出的，它可以对遗传育种有一定的指导意义，但是这种分类方法没有对色素进行定位，所以从分子生物学角度对色素基因进行一定的克隆和分离是对这种分类方法的必要补充。（我们目前正在进行相关色素基因的定位，这个研究会对遗传育种产生相当大的影响）
明确了锦化的机理和分类，就可以概括出锦化的特点：
  自养紊乱性：部分锦化细胞的突变基因恰好是叶绿素基因，那么这样的细胞就不具有自养能力（不能进行光合作用），所以称这样的细胞为叶绿素缺陷型细胞。
其他的色素缺陷也会对自养产生一定的影响，这样的细胞统称为自养紊乱细胞。
  遗传性：关于锦化遗传性上文已阐述。遗传性是锦化的园艺学价值的重要方面。
  分离性：嵌合体的子一代会形成极端体，这就是典型的遗传性状分离；在组织培养中，当环境条件适宜的时候，嵌合体也会发生分离，例如京之华锦的继代培养中就可以观察到极端体（全绿和全黄植株）的形成。
  可逆性：这一现象并不是经常出现，但相当一部分锦化（基因封闭型锦化）具有这种可能，也就是已经发生锦化的植株，在培养了一段时间以后，或者经历了几代的无性繁殖后，会自发的发生锦化细胞复位现象，表现为锦化消失。

    斑锦变异生物学机理的研究相当一部分是通过组织培养技术完成的，以上所述的锦化现象和相关的特性在组织培养中都有所体现。另外值得一提的是，组织培养中的某些生理现象和表观锦化有着相当密切的关系，但形成机理尚未阐明，例如，组织培养中由于环境和xx的作用不当会产生“玻璃化现象”，这样的苗子在瓶子里通体透明，呈水浸状。把这样的苗子出瓶后可以形成融合性不xx锦化的植株，将这种植株培养一段时间，可发现锦化越发鲜明，经过2-3次的无性或者有性繁殖可以得到非融合性不xx锦化（鲜明锦化植株），这一点又体现了锦化的可逆性和遗传性。

     锦化的根源在于基因突变和异常调控。所以对锦化的深层研究必须从分子水平上讨论，要借助分子生物学的相关技术，对锦化的成因做深一步的探讨，这不仅仅为园艺遗传育种提供了依据，更重要的是为多肉植物的生理特点研究提供了路径和手段。


斑锦变异的生物学机制之二
——细胞平衡学说

     斑锦变异是个复杂的生物学过程，在变异过程中会出现很多意想不到的问题，所以单一的分析斑锦变异的成因是不够的。以前我们曾经提到过斑锦变异形成的两个机制：基因封闭和细胞融合，根据这两个观点可以将斑锦变异植株划分为：xx锦化和不xx锦化；不xx锦化又分为融合性不xx锦化和非融合性不xx锦化。这样划分的论据是来源于“组织培养”中出现现象的分析，然而锦化变异植株是高度不稳定的，这个也是大家所公认的，在长期的养护、杂交、嫁接等人工干预过程中，斑锦变异植株不停的发生着变化。

   在栽培中，我们可以发现将一个嫁接的黄绿相间的兜锦小苗用锡箔纸罩住培养，其中的黄色部分会生长得很快，甚至抑制绿色的部分；在有经验的大棚里，对于全斑锦化的养护经常用锡箔纸罩住球体，这样不但生长很快，还容易出子球。这提示，非绿色细胞或锦化细胞（叶绿素基因封闭细胞）对于光能的需求是有限的，在一定范围内它们需要光能，但是当光线过强时（如，大棚环境）则抑制锦化细胞的生长。当遮住阳光后，锦化细胞的生长具有更强的吸收砧木营养的能力，这种能力超过绿色细胞的摄取，结果就表现为锦化细胞的旺盛生长，同时由于光照强度不够，茎尖生长素分泌大大降低，下部运输的细胞分裂素水平提高，结果使得锦化球体大量萌生子球。对于正常细胞或绿色细胞来说，光照是他们最为喜爱的，在有光能的时候，它们大量合成有机物，故对于砧木的有机物摄取就会相对减低，久而久之他们对砧木供给的营养就产生了耐受，一旦缺乏光照，他们不能及时从砧木那里获得有效的养分，从而在短时间内抑制生长。这个机会正好为锦化细胞提供了很好的环境，他们的生长就会超过正常细胞。另外，在遮住阳光一段时间后，锦化细胞虽然由砧木提供养分，但有些特殊的有机物还是要求自身来合成，故而会发生转绿现象，但是比较少见。
     
    不同的锦化对光能的反应是不同的，一般认为他们对光能的利用为：绿色/黑色或褐色〉红色〉黄色〉白色。所以这也决定了多锦化杂合时候的特点，比如增大光照时，全斑兜锦会发红、杂和兜锦的绿色部分颜色会更加浓重等等。对于黑色和褐色的情况就不尽相同了，这两种颜色对光的反应情况要看叶绿素占的比例。
     
    由于环境和一些人为因素的影响，比如高温高湿、强光和嫁接等，会使得锦化植株发生改变。例如用砧木嫁接一些兜锦的小苗，锦化部分往往比实生这些苗子的锦化部分多得多。在高温和强光的温室中，兜锦往往是黄里透红，杂合的兜锦一般都是绿色越来越强等等。这些现象是和环境因素相关的，但其成因都是由于锦化细胞和正常细胞，或者锦化细胞间的“细胞平衡”所造成的。某些细胞存在对光能和温度的高敏感性或反应性，这些细胞的生长优势就比较强，同样存在对环境不敏感的细胞。不同反应性的细胞存在于同一植物体中，就会产生一定的平衡。刚才所说的是关于环境对细胞平衡的一些影响，同样在杂交和苗期管理时，这些平衡也存在。
     以兜锦为例，用不同颜色的兜锦作父本，普通的兜作母本，杂交出的子一代锦化概率有着相当大的差异，甚至相差10倍左右（有些高达80%）。这个现象的出现说明不同的锦化基因存在着优势差，或者称之为“锦化种性”的强弱。由于一些锦化细胞的种性强，那么只要这个细胞存在于胚中，在适宜的条件下，就可以抑制其他细胞（包括绿色细胞）的生长，最终表现为锦化。同样在后期育苗和正常生长中，也是环境的适宜，导致优势细胞占了主导地位，一些表现就是在正常养护的绿色植株生长点出现了锦化。
不同的锦化细胞有着不同的种性，合理利用这些，会给杂交育种带来意想不到的欣喜。对可能发生锦化的苗子进行嫁接，也是扩大锦化斑块和提高锦化细胞优势的很好措施。


斑锦变异的生物学机制三
——变异机制的假说和人工诱变      

    在各种变异的形成机制之中，一般认为斑锦变异和遗传密切相关，而畸形变异和嵌合体则多与后期栽培有关。那么显然对于斑锦变异的研究就更有科学价值，这对于阐述仙人掌科高度的变异性、多样性和特殊的生态学特性是大有裨益的。

     对于斑锦植物，根据近年来生物化学和分子生物学的研究成果，可以对斑锦形成机制、遗传特点和亚细胞遗传定位进行较为深入的解释：一个正常的植物细胞的新陈代谢必须在适宜的外环境和内环境当中进行，所谓的外环境就是指细胞间的液态环境，而内环境是指细胞的内液。对于植物整体来说，它的外环境就是指自然或者人工环境，内环境则是指植物体的内部。内环境的稳态（Homaostasis）是生命得以实现的基础和充分条件，外环境作用于内环境而发挥作用，所以内环境的改变是造成新陈代谢紊乱的直接原因。一些物理（射线、环境骤变）、化学（诱变剂）以及生物因素（病毒），均可以作用于细胞外环境或者直接作用于内环境，这一系列的作用会导致细胞中产生一些“杀伤信号”，一部分信号会被内环境所代偿，仅会有很小的一部分作用于细胞内所有生物化学反应的指挥者——基因，使得基因突变。在一系列复杂的生物化学反应进行之后，某些调控色素生成的基因发生了突变；或者启动了相关色素基因的封闭基因；或者使色素生成基因的启动子失活等等。最终的结果是导致该基因调控的色素合成受阻，色素不能被合成，表观上就表现为斑锦变异。锦化是叶绿素基因缺陷和其它色素基因高度表达的结果，这些色素基因并不是定位在细胞核之中的，而是定位于漂浮在细胞质中的叶绿体和白质体当中的，间接受核基因调控，保持一定的“半自主遗传性”。
      
    这种遗传不是严格按照“孟德尔遗传定律”的，而是属于一种特殊的遗传模式——“细胞质遗传”。这种遗传和锦化细胞的分裂密切相关（如图16），这就造成了斑锦变异遗传的高度不稳定性和不确定性，这虽然给定向遗传育种带来了困难，但却极大丰富了斑锦变异的类型。