劉凱+游艾青

摘要：缺硼和硼毒害對(duì)植物生長(zhǎng)的影響日趨嚴(yán)重，要解決生產(chǎn)中硼利用的問題，還需要從植物對(duì)硼的吸收和利用機(jī)制方面入手。著重闡述了硼對(duì)植物細(xì)胞膜的滲透性、植物對(duì)硼的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制、硼相關(guān)基因克隆及功能分析、轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)調(diào)控等方面的研究進(jìn)展，提出了進(jìn)一步強(qiáng)化對(duì)植物硼吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制研究的必要性。

關(guān)鍵詞：硼；植物；吸收；轉(zhuǎn)運(yùn)

中圖分類號(hào)：O613.8+1；Q945.12 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2016）24-6331-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.24.004

硼是植物生長(zhǎng)所必需的微量元素，缺硼會(huì)導(dǎo)致作物嚴(yán)重減產(chǎn)甚至絕收，但過量的硼也會(huì)對(duì)植物產(chǎn)生毒害，而且植物對(duì)硼含量很敏感，最低、最適、最高硼含量之間變化幅度很小[1]，因此生產(chǎn)中硼肥的使用有很大的局限性。對(duì)硼在植物中的生理功能方面研究得較早，但是關(guān)于植物對(duì)硼的吸收和運(yùn)輸機(jī)制的研究在最近幾年才有了突破性進(jìn)展。本文從生理和分子生物學(xué)方面闡述了植物對(duì)硼的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制，以期為改善和解決生產(chǎn)中缺硼和硼毒害帶來的不利影響提供思路。

1 硼的細(xì)胞膜滲透性

營養(yǎng)物質(zhì)從根表面運(yùn)輸?shù)侥举|(zhì)部需要穿過凱氏帶，至少要進(jìn)行兩次跨膜運(yùn)輸。硼酸的跨膜運(yùn)輸方式有兩種，一是通過自由擴(kuò)散穿過細(xì)胞質(zhì)膜的磷脂雙分子層進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部，二是通過膜上的通道蛋白進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部。

硼酸對(duì)質(zhì)膜磷脂雙分子層的滲透系數(shù)會(huì)因細(xì)胞膜成分產(chǎn)生差異，如膽固醇的比例、磷脂頭部的基團(tuán)、脂肪酸碳鏈的長(zhǎng)度等，其變化范圍為7×10-6～9.5×10-9 cm/s[2]。硼酸對(duì)細(xì)胞質(zhì)膜的滲透性與pH緊密相關(guān)，在生理pH環(huán)境下，硼酸主要以未解離的中性硼酸分子[B（OH）3]形式存在。Raven[3]計(jì)算得出硼酸對(duì)膜的滲透系數(shù)的范圍在1×10-6～7×10-6 cm/s，如此高的滲透系數(shù)使人們?cè)诤荛L(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)都認(rèn)為硼酸的跨膜方式主要是被動(dòng)擴(kuò)散。但Dordas等[4]從南瓜根中分離得到了質(zhì)膜和少囊泡質(zhì)膜，測(cè)定得到其硼酸的膜滲透系數(shù)分別為3.9×10-7和2.4×10-8 cm/s。Stangolius等[5]利用輪藻節(jié)間巨細(xì)胞來測(cè)定硼酸的膜滲透系數(shù)，結(jié)果為4.4×10-7 cm/s。這些數(shù)值比Raven[3]計(jì)算的滲透系數(shù)范圍以及Dordas等[2]用人工膜測(cè)得的數(shù)值要低出一個(gè)數(shù)量級(jí)。與人工膜相比，硼酸對(duì)植物細(xì)胞膜的滲透系數(shù)較低，這意味著僅靠硼酸的被動(dòng)擴(kuò)散可能滿足不了植物對(duì)硼的需求，尤其是在缺硼脅迫情況下，因此還需要有更高效的硼吸收系統(tǒng)來滿足低硼條件下植物對(duì)硼的需求。

2 硼的吸收

一般土壤中都含有硼，而能被植物吸收利用的主要是吸附在土壤膠體或顆粒表面的緩效硼。植物對(duì)土壤中硼的吸收效率主要由土壤溶液中的硼濃度和植物對(duì)水的吸收速率來決定[6]。很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)人們都認(rèn)為植物對(duì)硼的吸收都是靠被動(dòng)吸收，但這沒法解釋有些植物在同樣環(huán)境下對(duì)硼的吸收表現(xiàn)出巨大的差異[7]，說明植物對(duì)硼的吸收還可能存在著其他方式。生理研究發(fā)現(xiàn)低硼條件下向日葵能進(jìn)行硼的逆濃度差運(yùn)輸[8]，說明植物對(duì)硼存在著主動(dòng)吸收的方式。近年來越來越多的研究表明植物對(duì)硼的吸收主要存在著3種方式：即通過與磷脂雙分子層融合進(jìn)入細(xì)胞的被動(dòng)擴(kuò)散；借助膜上MIPs（Major Intrinsic Proteins）協(xié)助的易化吸收；消耗能量利用轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的主動(dòng)運(yùn)輸。其中前兩者為順濃度差的被動(dòng)吸收，后者為逆濃度差的主動(dòng)吸收。

2.1 高硼條件下硼的被動(dòng)吸收

Brown等[9]對(duì)番茄細(xì)胞和向日葵根以及南瓜根用100 μmol/L硼同位素（11B）進(jìn)行組織培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)在根中硼的吸收與外界硼濃度在很大范圍內(nèi)是呈線性關(guān)系的。且外界溫度會(huì)影響番茄細(xì)胞對(duì)硼的吸收，但在低溫（2 ℃）和高溫（47 ℃）時(shí)硼的吸收沒有停止。說明在高硼條件下，硼通過被動(dòng)運(yùn)輸進(jìn)入細(xì)胞，即使通道蛋白的活性受到低溫抑制，硼還是能夠通過自由擴(kuò)散進(jìn)入細(xì)胞。

高等植物細(xì)胞存在著豐富的允許水分子和小分子通過的水通道蛋白，MIPs蛋白[10]。根據(jù)亞細(xì)胞定位和序列同源性分析，MIPs蛋白家族又可以分為4個(gè)亞家族：液泡膜內(nèi)在蛋白（the tonoplast intrinsic proteins，TIPs）；質(zhì)膜內(nèi)在蛋白（the plasma membrane intrinsic proteins，PIPs）；一類堿性小分子的內(nèi)在蛋白（small and basic intrinsic proteins，SIPs）；與大豆NOD26蛋白同源的類NOD26蛋白（the NOD26-like intrinsic proteins，NIPs），NOD26定位于大豆根瘤共生體膜上[11，12]。對(duì)MIPs蛋白介導(dǎo)硼酸的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)的研究在最近十來年取得了很大的進(jìn)展，目前已證明了MIPs蛋白家族中的部分蛋白參與了硼的易化吸收，還有部分MIPs蛋白參與了硼的主動(dòng)吸收。

氯化汞可以抑制部分MIPs蛋白的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)過程。在離體南瓜根中分離得到的質(zhì)膜小泡，向其中添加氯化汞后，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)硼的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)降低了57%[4]。將植物和細(xì)菌中可以轉(zhuǎn)運(yùn)硼酸和水的MIPs蛋白轉(zhuǎn)入非洲爪蟾卵母細(xì)胞（Xenopus laevis oocyte），結(jié)果顯示在爪蟾卵母細(xì)胞中，來自玉米的PIP1使其對(duì)硼的吸收增強(qiáng)了30%，而沒有對(duì)水的吸收能力；來自玉米的PIP3對(duì)硼吸收沒有效果，但使爪蟾卵母細(xì)胞對(duì)水的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)增強(qiáng)了7倍；來自擬南芥NLM1對(duì)硼吸收沒有效果，但使爪蟾卵母細(xì)胞對(duì)水的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)增強(qiáng)了5倍[2]。這些結(jié)果可以說明部分MIPs蛋白具有促進(jìn)硼吸收的功能，但不是所有的MIPs都能作為硼的通道蛋白。

2.2 低硼條件下硼的主動(dòng)吸收

Dannel等[8]首次提出了依賴能量消耗的高親和性硼吸收系統(tǒng)，分別用含有1和100 μmol/L的硼營養(yǎng)液培養(yǎng)向日葵的愈傷組織，然后測(cè)定其根原生質(zhì)體中硼的含量，結(jié)果分別為22 μmol/L和65 μmol/L。這表明在低濃度硼的環(huán)境中，植物體內(nèi)存在一個(gè)產(chǎn)生逆濃度梯度的吸收機(jī)制，以此來適應(yīng)低硼的極端環(huán)境；而在高濃度硼的環(huán)境中，植物體內(nèi)存在的是順濃度梯度的被動(dòng)吸收機(jī)制。而隨后將含1 μmol/L硼的營養(yǎng)液換成含100 μmol/L的硼營養(yǎng)液繼續(xù)培養(yǎng)3 h，根原生質(zhì)體中的硼含量顯著升高，達(dá)到150 μmol/L，這說明低硼誘導(dǎo)后短時(shí)間的正常硼濃度處理不能完全解除植物對(duì)硼的高親和吸收機(jī)制。但正常硼濃度（100 μmol/L）供應(yīng)24 h后這種高親和吸收機(jī)制受到抑制，因?yàn)樵诖伺饾舛葪l件下，向日葵對(duì)硼的被動(dòng)吸收機(jī)制完全可以滿足需求[13，14]。因此，可以推斷在向日葵體內(nèi)存在著一個(gè)受外界硼濃度調(diào)節(jié)的高親和吸收機(jī)制。而且，這種硼的高親和吸收系統(tǒng)會(huì)因?yàn)槲锢硎侄危ń档透繙囟龋┖突瘜W(xué)方法（添加二硝基酚）對(duì)植物硼的新陳代謝的抑制而受到抑制，這暗示著細(xì)胞內(nèi)部與外界環(huán)境之間所建立的這種硼濃度梯度依賴于新陳代謝產(chǎn)生的能量[14]。為了確定這個(gè)結(jié)果，Dannel等[15]通過同位素示蹤技術(shù)研究表明向日葵在正常濃度硼環(huán)境中完全可以通過被動(dòng)吸收獲得生長(zhǎng)需要的硼，在低濃度硼環(huán)境下植物會(huì)誘導(dǎo)產(chǎn)生一個(gè)硼的高親和吸收系統(tǒng)，而且該系統(tǒng)對(duì)硼的飽和吸收能力以及它對(duì)能量的依賴性，表明其實(shí)質(zhì)可能是關(guān)于硼主動(dòng)運(yùn)輸?shù)目缒まD(zhuǎn)運(yùn)蛋白[16]。

擬南芥中的AtNIP5；1是低硼條件下對(duì)硼高效吸收的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。AtNIP5；1主要在擬南芥根的外皮層、皮層和內(nèi)皮層中表達(dá)，且極端的表達(dá)在內(nèi)皮層的外側(cè)。眾所周知，擬南芥根的內(nèi)皮層上有凱氏帶，可以防止水和小分子自由穿梭進(jìn)中柱中。AtNIP5；1蛋白的主要功能是在低硼條件下高效地將細(xì)胞外的硼吸收到細(xì)胞內(nèi)，包括內(nèi)皮層細(xì)胞，從而滿足擬南芥對(duì)硼的需求。缺硼時(shí)，AtNIP5；1基因在擬南芥根尖伸長(zhǎng)區(qū)和根毛區(qū)增強(qiáng)表達(dá)，促進(jìn)根系對(duì)硼的高效吸收，而2個(gè)T-DNA插入突變體nip5；1則表現(xiàn)為對(duì)硼的吸收下降，地上部和根的生長(zhǎng)受抑制?；騈IP5；1的表達(dá)是低硼條件下擬南芥硼的高效吸收和植株生長(zhǎng)所必需的[17，18]。

3 硼的運(yùn)輸

在植物生長(zhǎng)過程中，礦質(zhì)營養(yǎng)元素的長(zhǎng)距離運(yùn)輸發(fā)生在木質(zhì)部和韌皮部的維管系統(tǒng)中，水是運(yùn)輸介質(zhì)。在運(yùn)輸過程中，營養(yǎng)物質(zhì)通過細(xì)胞間的交換而在木質(zhì)部與韌皮部之間進(jìn)行穿梭，甚至在它們之間可能會(huì)有非新陳代謝營養(yǎng)物質(zhì)的直接交換[19，20]

3.1 硼在木質(zhì)部中的運(yùn)輸

木質(zhì)部是硼向上運(yùn)輸?shù)闹饕ǖ繹21]。在維管植物中硼通過木質(zhì)部的管道從根部向莖部運(yùn)輸。硼吸收從根表面進(jìn)入植物根的原生質(zhì)體中，需要進(jìn)行跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)；而硼的木質(zhì)部運(yùn)輸是從原生質(zhì)體向木質(zhì)部導(dǎo)管轉(zhuǎn)運(yùn)，也需要進(jìn)行跨膜運(yùn)輸[22]。對(duì)于木質(zhì)部的運(yùn)輸機(jī)制，也分高硼和低硼兩種情況進(jìn)行討論。

用含有100 μmol/L的硼營養(yǎng)液澆灌向日葵，然后測(cè)定其木質(zhì)部流出液中的硼含量，結(jié)果顯示硼的濃度范圍在43～70 μmol/L之間。另外，還用了一系列含有不同濃度硼的營養(yǎng)液澆灌向日葵，然后測(cè)定不同組織中硼的含量，結(jié)果顯示木質(zhì)部流出液中的硼含量分別只有營養(yǎng)液和根細(xì)胞液中硼含量的50%[13-15]。Shelp等[23]在椰菜中的測(cè)定結(jié)果表明木質(zhì)部流出液中的硼濃度只有營養(yǎng)液的43%，支持了以上結(jié)果；而且還計(jì)算得出在蒸騰作用下，木質(zhì)部流出液中的硼濃度是木質(zhì)部體液中硼濃度的10倍，這說明蒸騰作用促使木質(zhì)部中的水流量增加，從而將木質(zhì)部體液中的硼運(yùn)輸至導(dǎo)管，降低了木質(zhì)部體液中的硼濃度，表明硼能隨蒸騰流被動(dòng)運(yùn)輸。由以上結(jié)果可以總結(jié)出，在硼充足條件下，硼在植物木質(zhì)部中的運(yùn)輸可以用被動(dòng)運(yùn)輸模式解釋。

Dannel等[15]用含有1 μmol/L的硼營養(yǎng)液澆灌向日葵，不僅在營養(yǎng)液與根原生質(zhì)體之間發(fā)現(xiàn)了硼的逆濃度梯度，而且在根原生質(zhì)體與木質(zhì)部流出液之間也存在這種逆濃度梯度。這種濃度差是植物由低濃度硼誘導(dǎo)產(chǎn)生的，它顯示出了吸收飽和特性，需要依賴新陳代謝產(chǎn)生的能量。而Shelp等[23]也證明在白羽扇豆中存在營養(yǎng)液（硼濃度為30 μmol/L）與木質(zhì)部流出液（硼濃度為67.5～83.2 μmol/L）之間的硼濃度梯度。因此可以推測(cè)在木質(zhì)部運(yùn)輸過程中也存在著類似硼吸收高親和跨膜系統(tǒng)的轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制，將細(xì)胞膜內(nèi)的硼向膜外轉(zhuǎn)運(yùn)[22]。

1997年Noguchi等[24]介紹了一個(gè)硼利用率低的擬南芥突變體bor1-1，測(cè)定發(fā)現(xiàn)它莖中的硼含量比野生型要低，在低濃度硼條件下尤為顯著。硼供應(yīng)充足條件下，野生型每個(gè)部位中的硼濃度都很接近；在低濃度硼條件下，野生型擬南芥木質(zhì)部流出液中的硼濃度是根細(xì)胞液中的3～4倍。在硼供應(yīng)充足條件下，野生型與突變體之間的硼含量很相似；而在低濃度硼供應(yīng)時(shí)，突變體bor1-1的莖、木質(zhì)部流出液和根細(xì)胞液中的硼含量分別是野生型的25%﹑30%和65%[25]?？偟膩碚f，這些結(jié)果表明擬南芥在低濃度硼供應(yīng)時(shí)，也存在將硼從根部向莖部運(yùn)輸?shù)臋C(jī)制，與向日葵一致[15]。bor1-1突變體可能在硼的運(yùn)輸積累機(jī)制上存在缺陷，利用含3 μmol/L的硼培養(yǎng)基對(duì)bor1-1植株和野生型進(jìn)行培養(yǎng)，bor1-1植株則會(huì)表現(xiàn)出各種缺硼表型，而野生型生長(zhǎng)正常[25]。這也證明了高親和跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)對(duì)低硼條件下的植物生長(zhǎng)的重要性。最終利用bor1-1突變體對(duì)AtBOR1基因進(jìn)行了克隆和功能分析，發(fā)現(xiàn)AtBOR1是一個(gè)硼的高效轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，定位在擬南芥內(nèi)皮層的內(nèi)側(cè)和木質(zhì)部薄壁細(xì)胞中，主要功能是將內(nèi)皮層或木質(zhì)部薄壁細(xì)胞中的硼轉(zhuǎn)運(yùn)到木質(zhì)部導(dǎo)管中[26]。在水稻中也成功克隆了與木質(zhì)部裝載相關(guān)的基因OsBOR1[27]，與AtBOR1的功能相似。與擬南芥不同的是，水稻中有兩條凱氏帶，一條位于外皮層，一條位于內(nèi)皮層[28]。通過分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)OsBOR1主要在外皮層和內(nèi)皮層這兩種細(xì)胞中表達(dá)，具有硼吸收和運(yùn)輸?shù)墓δ堋?/p>

3.2 硼在韌皮部中的運(yùn)輸

硼在韌皮部中的移動(dòng)性不高，因此木質(zhì)部是硼從根向地上部長(zhǎng)距離運(yùn)輸?shù)奈┮煌緩健Ｔ缙诘难芯空J(rèn)為，根系吸收硼和硼的向上運(yùn)輸主要受蒸騰作用控制，硼隨蒸騰流進(jìn)入組織后很少發(fā)生再轉(zhuǎn)移[29]。因此，當(dāng)出現(xiàn)硼缺少時(shí)首先受到傷害的是植物的幼嫩部分；而硼過量時(shí)最先受到傷害的是成熟的組織。研究發(fā)現(xiàn)在大部分植物中，當(dāng)硼缺乏時(shí)受到傷害的首先是幼嫩的部分；但在一些物種中，例如桃、杏、蘋果和李子等，在硼缺少時(shí)，植物體中的硼還可以相對(duì)均勻的分布，甚至其幼葉中的硼濃度還高于老葉[1，29-31]，而這種現(xiàn)象用依賴于蒸騰流的硼分配原理解釋不了。對(duì)這些物種進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)它們都能產(chǎn)生大量的糖醇，包括山梨醇和甘露醇，它們可以將光合作用的產(chǎn)物轉(zhuǎn)移到韌皮部。因?yàn)樘谴己胸S富的順式羥基，可以和硼酸結(jié)合，因此，推測(cè)硼酸可以被糖醇結(jié)合運(yùn)到韌皮部。通過對(duì)芹菜韌皮部汁液中硼復(fù)合物的含量進(jìn)行測(cè)定，發(fā)現(xiàn)硼與果糖、山梨醇和甘露醇形成了穩(wěn)定的復(fù)合物[1]。因此能產(chǎn)生大量糖醇的植物對(duì)硼的缺乏都表現(xiàn)出一定的抗性。而且山梨醇合成酶基因過表達(dá)的轉(zhuǎn)基因煙草對(duì)缺硼環(huán)境的適應(yīng)性比野生型的好，這是因?yàn)檗D(zhuǎn)基因植物通過韌皮部轉(zhuǎn)移硼的能力得到了增強(qiáng)[32]。Lehto等[33]在蘇格蘭松樹和挪威云杉體內(nèi)發(fā)現(xiàn)，硼可以與松醇或甘露醇形成復(fù)合物，經(jīng)韌皮部從地上部運(yùn)輸?shù)礁怠＿@些結(jié)果證明了硼可以與糖醇結(jié)合進(jìn)行韌皮部運(yùn)輸，但是目前只在植物中發(fā)現(xiàn)了這種現(xiàn)象。

一些研究結(jié)果證明，在一些不產(chǎn)生糖醇的植物中硼也可以有效地向幼嫩的組織轉(zhuǎn)移，例如：擬南芥、蓖麻、向日葵。這種轉(zhuǎn)運(yùn)形式只有在硼缺乏的條件下才可以檢測(cè)到，可能有硼的通道或轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白參與了這個(gè)過程[5，25，34，35]。Tanaka等[36]報(bào)道擬南芥中的AtNIP6；1就是這樣一個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。AtNIP6；1基因主要在擬南芥地上部分的節(jié)部位表達(dá)，特別是在韌皮部。低硼條件下，野生型正常生長(zhǎng)，老組織中的硼含量下降；而AtNIP6；1基因的缺失突變體生長(zhǎng)受到抑制，幼嫩組織中硼的含量下降。這些結(jié)果說明，硼酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白AtNIP6；1參與硼在植物體中的分布，通過韌皮部運(yùn)輸將老組織中的硼輸送到其他組織，特別是優(yōu)先向生長(zhǎng)發(fā)育中的幼嫩組織運(yùn)輸。

4 與硼相關(guān)的基因的克隆及功能分析

目前已經(jīng)克隆的關(guān)于硼的基因主要分為兩類：BORs家族和NIPs家族。其中最先被克隆的是擬南芥中的AtBOR1。AtBOR1蛋白定位在根的內(nèi)皮層內(nèi)側(cè)和中柱最外層細(xì)胞的質(zhì)膜上，功能是在低硼條件下將硼轉(zhuǎn)運(yùn)到木質(zhì)部導(dǎo)管中，隨蒸騰流運(yùn)輸?shù)降厣喜糠?，供?yīng)植物生長(zhǎng)發(fā)育所需要的硼。AtBOR1在酵母中表達(dá)后能夠降低細(xì)胞內(nèi)的硼酸濃度，說明AtBOR1是一個(gè)硼酸的外向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。AtBOR1是受轉(zhuǎn)錄后調(diào)控的，在缺硼條件下，AtBOR1蛋白在質(zhì)膜中積累；而在正?；蛘吒吲鹎闆r下，AtBOR1蛋白通過內(nèi)吞作用運(yùn)輸?shù)揭号葜薪到?，這種精確的調(diào)控方式有助于植物在外界硼含量變化時(shí)保持體內(nèi)硼的穩(wěn)態(tài)[26，37，38]。AtBOR1在擬南芥基因組中共有7個(gè)同源的基因，其中AtBOR2編碼的也是硼的外排轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，定位在質(zhì)膜上，在側(cè)根的根冠和根伸長(zhǎng)區(qū)的表皮上有很強(qiáng)的表達(dá)，AtBOR2的功能是在低硼條件下將共質(zhì)體中的硼外排到質(zhì)外體中，以滿足根細(xì)胞伸長(zhǎng)過程中細(xì)胞壁形成成分RhamnogalacturonanⅡ交聯(lián)所需要的硼[39，40]。AtBOR4蛋白也是硼的外排蛋白，定位在根伸長(zhǎng)區(qū)表皮細(xì)胞質(zhì)膜的外側(cè)，功能是在高硼毒害的情況下將植物體內(nèi)的硼轉(zhuǎn)運(yùn)到外界，從而提高植物對(duì)高硼毒害的抗性。在高硼處理下，AtBOR4的表達(dá)升高，AtBOR4基因的過表達(dá)植株比野生型植株對(duì)高硼毒害的抗性明顯提高[41]。在水稻基因組中含有4個(gè)BOR1的同源基因，其中OsBOR1同樣編碼外向硼轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，參與硼的吸收及向木質(zhì)部的運(yùn)輸[27]。OsBOR4蛋白也表現(xiàn)出外排硼的活性，并且特異地高水平地在花粉中表達(dá)，對(duì)花粉的正常萌發(fā)和花粉管伸長(zhǎng)有重要意義[42]。最近，在玉米中報(bào)道了一個(gè)硼轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白R(shí)TE，與擬南芥的BOR1直系同源，具有硼的外排活性，在營養(yǎng)器官和生殖器官的木質(zhì)部周圍高水平表達(dá)，對(duì)玉米的正常生長(zhǎng)，尤其是生殖生長(zhǎng)具有重要意義[43]。

NIPs家族，是MIP家族的亞家族，為植物中特有。大豆中的NOD26是這個(gè)亞家族中的第一個(gè)成員，它定位在大豆根瘤的共生質(zhì)膜上，可以轉(zhuǎn)運(yùn)甲酰胺、甘油、氨和少量的水[44-47]。NIP亞家族又可以分成2種ar/R類型（Ⅰ和Ⅱ），這與轉(zhuǎn)運(yùn)的選擇性有關(guān)。Ⅰ型與NOD26相似，NIPⅡ型在ar/R結(jié)構(gòu)域部位比Ⅰ型有更大的孔直徑，這些不同影響了它們的轉(zhuǎn)運(yùn)選擇性。擬南芥中的AtNIP5；1是NIPs家族中最先被克隆的硼通道蛋白，屬于Ⅱ型。AtNIP5；1蛋白定位在質(zhì)膜上，在爪蟾卵母細(xì)胞中表達(dá)后可以快速地把培養(yǎng)液中的硼酸轉(zhuǎn)入細(xì)胞內(nèi)，而轉(zhuǎn)運(yùn)水的量很少，表明AtNIP5；1是一個(gè)向細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)硼酸的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。AtNIP5；1在根的表皮、皮層和內(nèi)皮層細(xì)胞中都有表達(dá)，主要參與把根表面的硼吸收到根內(nèi)。在低硼的條件下，AtNIP5；1缺失突變體的生長(zhǎng)受到抑制，體內(nèi)硼的含量下降。在擬南芥中，AtNIP5；1主要通過轉(zhuǎn)錄后的調(diào)控來調(diào)節(jié)根部對(duì)硼的吸收[17，18，38]。另外，擬南芥中的AtNIP6；1編碼的也是硼酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，在硼缺乏的情況下表達(dá)量升高，但其表達(dá)部位是地上部分，而不是在根部。AtNIP6；1主要在地上部分的節(jié)間中表達(dá)，尤其是在韌皮部，其蛋白對(duì)硼酸有很高的轉(zhuǎn)運(yùn)活性，但沒有轉(zhuǎn)運(yùn)水的功能。低硼條件下，野生型正常生長(zhǎng)，老組織中的硼含量下降；而AtNIP6；1基因的缺失突變體則生長(zhǎng)受到抑制，幼嫩組織中硼的含量下降。這些結(jié)果說明，硼酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白AtNIP6；1參與硼在植物體中的分布，特別是優(yōu)先向生長(zhǎng)發(fā)育中的幼嫩組織運(yùn)輸，對(duì)低硼條件下幼嫩組織的生長(zhǎng)有重要意義[36]。NIP家族在擬南芥中一共有9個(gè)成員，另一個(gè)成員AtNIP7；1特異地在幼嫩花芽中發(fā)育著的花藥組織中表達(dá)，特別是在花粉粒發(fā)育的第9-11階段，具有極低的向內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)硼的活性[48]。玉米中的硼通道蛋白TLS1也屬于NIPs家族，為ZmNIP3；1，與擬南芥的AtNIP5；1直系同源，對(duì)低硼條件下玉米的正常生長(zhǎng)起關(guān)鍵作用[49]。另外，NIP家族的其他成員也可能具有轉(zhuǎn)運(yùn)硼酸的活性。OsNIP3；1具有吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)硼的活性，定位在細(xì)胞質(zhì)膜上，在根的外皮層和葉枕中有較高水平的表達(dá)，參與了硼在地下的吸收和地上部分的轉(zhuǎn)運(yùn)，其轉(zhuǎn)錄活性受硼濃度調(diào)節(jié)，其對(duì)硼濃度敏感的部位為5'-UTR，在低硼條件下表達(dá)上調(diào)，對(duì)水稻在低硼條件下的正常生長(zhǎng)具有重要意義[50，51]。水稻中的OsNIP2；1是植物中第一個(gè)被報(bào)道的硅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，研究發(fā)現(xiàn)它同時(shí)還具有運(yùn)輸尿素和硼酸的能力，而且加入等量的尿素后不會(huì)影響其轉(zhuǎn)運(yùn)硅酸的能力，但加入等量硼酸后其轉(zhuǎn)運(yùn)硅酸的能力有輕微下降，因此OsNIP2；1可能具有轉(zhuǎn)運(yùn)硼的能力[28，52]。

另外，植物中還有一些其他的基因參與硼的轉(zhuǎn)運(yùn)。WRKY6是擬南芥中一個(gè)由低硼介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄因子。低硼條件下其啟動(dòng)子活性在根尖被誘導(dǎo)，對(duì)低硼條件下根的正常生長(zhǎng)具有重要意義[53]。AtTIP5；1也是擬南芥中的一個(gè)水通道基因，屬于TIPs蛋白亞家族，定位在液泡膜上。AtTIP5；1的過表達(dá)轉(zhuǎn)基因植株顯著地增加了對(duì)硼毒害的耐性[54]。OsPIP2；4和OsPIP2；7與硼的滲透性和耐性有關(guān)，在高硼條件下OsPIP2；4和OsPIP2；7的表達(dá)水平在地上部分下調(diào)，但在根中顯著上調(diào)。OsPIP2；4和OsPIP2；7參與水稻中硼的運(yùn)輸，能排除根和地上組織中多余的硼而提高水稻對(duì)高硼毒害的抗性[55]。

5 展望

隨著有機(jī)肥料使用的減少和化肥使用的增加，使得缺硼和硼毒害對(duì)作物產(chǎn)生危害的形勢(shì)越來越嚴(yán)峻。當(dāng)土壤有效硼缺乏時(shí)，油菜、小麥、水稻等主要農(nóng)作物均出現(xiàn)生長(zhǎng)發(fā)育不良，結(jié)實(shí)率顯著下降甚至絕收。對(duì)于缺硼土壤，最常見的解決辦法是施肥。但植物對(duì)硼的適宜濃度范圍很窄，一旦土壤有效硼濃度偏高，就可能對(duì)植物產(chǎn)生毒害，因此硼肥的施用有很大的局限性。對(duì)于高硼土壤，灌溉水中硼的含量也較高，在這些地區(qū)過量硼毒害是限制農(nóng)作物產(chǎn)量提高的一個(gè)重要因素。因此，研究植物對(duì)硼的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制就顯得尤為重要，在對(duì)這些機(jī)制了解之后，可以通過生物學(xué)手段提高植物對(duì)硼的耐受能力。例如增加植物中的糖醇含量，可以增加硼的移動(dòng)性，提高植物對(duì)硼缺乏的抗性[32，56]；在擬南芥中過表達(dá)AtBOR1可以提高植株對(duì)低硼的耐性[57]；過表達(dá)AtBOR4基因可以提高植株對(duì)高硼毒害的抗性[41]。這些研究結(jié)果可以為提高作物對(duì)硼的耐受性提供借鑒途徑。

目前在大田作物中關(guān)于硼吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)分子機(jī)制的研究還相當(dāng)少，加強(qiáng)此方面的深入研究將有助于作物硼吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制的闡明和耐低硼、抗高硼作物品種的選育及對(duì)大田硼肥的施用進(jìn)行針對(duì)性的指導(dǎo)，對(duì)大田生產(chǎn)具有重要意義。

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