嫁接技术作为一种古老的农业智慧，已被人类使用了数千年，用于改良作物的产量、品质和抗逆性。然而，尽管科学家们在分子层面取得了一些进展，关于植物嫁接过程中“接穗”与“砧木”（底部）之间究竟如何进行深层基因交流，依然是一个未解之谜。

日前，这一长期挑战取得了突破性进展。北京雁栖湖应用数学研究院（BIMSA）邬荣领研究员团队在国际著名交叉学科期刊《Advanced Science》在线发表了题为“A Statistical Mechanics Model to Decode Tissue Crosstalk During Graft Formation” 最新研究成果。团队开发了一项广义统计力学模型，成功解码了嫁接植物中复杂的基因互作机制。该研究不仅揭示了植物愈合与再生的分子蓝图，更为植物学、进化理论甚至人类器官移植提供了全新的数学框架与理论视角。论文第一作者为助理研究员董昂，论文第二作者为博士生孟依晗。丘成栋教授、丘成桐教授对图统计模型的数学理论做出贡献。

从“单兵作战”到“团队博弈”

植物嫁接的成功，依赖于接穗与砧木在维管束重连过程中的精密协作。以往的分子生物学研究多致力于寻找个别的差异表达基因，难以窥见系统全貌。

针对这一瓶颈，研究团队另辟蹊径，将进化博弈论与复杂网络科学等工具引入植物学研究，整合丘先生开创的有向图拓扑数学理论，发展出一套广义统计力学模型。这使得研究不再局限于单一基因的表达差异，而是将成千上万个互动基因编码为“信息丰富，动态，全向，个性化网络”（idopNetworks）。该模型巧妙地将接穗和砧木视为博弈的双方，量化了它们为了实现整体生长最大化，在基因层面表现出的“合作”（如鸽派）或“竞争”（如鹰派）策略。

嫁接实验材料（左）与实验设计（右）

杨树嫁接实验：揭示基因的“外交策略”

为了验证这一模型，研究人员设计了一项精妙的实验，选取了两个亲缘关系较远的杨树物种——藏川杨（P. szechuanica var. tibetica，简称S）和毛白杨（P. tomentosa Carr.，简称T）进行微型交互嫁接及转录组测序。藏川杨是高海拔地区涵养水源、防风固沙的重要生态屏障树种，同时也蕴含着丰富的抗逆基因资源，是林木遗传育种中宝贵的“基因库”。而毛白杨是中国北方最重要的用材林和城乡绿化树种之一，在木材加工、造纸及城市景观建设中具有巨大的经济价值和社会效益。解决其嫁接问题对高原绿化和良种扩繁具备较高的的现实意义。

分析结果表明：

• 种间嫁接的基因波动更大： 相比于同种嫁接，不同物种间的嫁接会导致更剧烈的基因表达波动，类似于生态系统中的物种入侵引发的震荡。

• 合作优于对抗： 研究发现，促进接穗与砧木“合作”的基因数量远多于引发“对抗”的基因。这解释了为什么某些嫁接组合存活率更高。

• 最佳拍档： 藏川杨（S）展现出了更强的韧性。数据显示，当毛白杨（T）作为接穗，藏川杨（S）作为砧木时，基因网络表现出更有利于生存的相互作用，这为林业生产中如何搭配树种提供了科学依据。

• 关键枢纽基因的锁定：MblContig84328、MblContig44348等关键枢纽基因，在维管束重连和信号传递中起着指挥官的作用。

模块间网络与网络指标

超越植物学的意义

该研究不仅仅是植物学领域的突破，更是应用数学与生命科学的深度交叉研究典型范例。研究作者指出，idopNetworks 模型提供了一个强大的计算实验框架，不仅可以帮助园艺学家提高嫁接成功率，其背后的原理——即两个异质生物体如何通过分子信号建立连接并共存——同样适用于探索广泛的生物学现象。

藏川杨和毛白杨微型交互嫁接过程砧木与接穗的博弈关系

“这套广义统计物理学模型让我们能够绘制出接穗与砧木在愈合过程中基因如何对话的完整图谱。”论文通讯作者邬荣领表示，“未来，这一框架甚至有望用于探索人类器官移植中的排异与融合机制，为医学难题提供跨物种的启示与理论支持。”

来源：北京怀柔