劉玲，段賢杰，徐芳森，汪社亮

1.華中農(nóng)業(yè)大學微量元素研究中心/作物遺傳改良國家重點實驗室，武漢 430070；

2.華中農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，武漢 430070

硼（boron）是植物細胞壁結構所必需的元素，原子序數(shù)為5。在土壤中（非堿性）主要以不帶電的硼酸（B（OH）3）形式存在，對細胞膜磷脂雙分子層具有滲透性，因此很長時間內(nèi)，硼的跨膜擴散被認為是植物體內(nèi)硼獲取的主要方式。Dordas 等［1］研究發(fā)現(xiàn)水通道蛋白抑制劑Hg+以及通道抑制劑根皮素能有效降低硼酸通過南瓜根細胞膜的效率，且在非洲爪蟾卵母細胞中表達玉米水通道蛋白PIP1能使硼酸的吸收量提高30%，進而推測植物細胞中水通道蛋白可能具有運輸硼酸的能力。研究人員先后于2001年和2006 年在模式植物擬南芥中克隆和鑒定了硼酸轉(zhuǎn)運子BOR1基因和硼酸通道NIP5；1基因，從根本上證明了硼轉(zhuǎn)運蛋白對硼獲取的重要作用，明確了硼在植物體中的運輸機制［2］。

長期以來，硼的確切生理功能并不清楚。1996年，有學者分別從蘿卜和甜菜細胞壁中鑒定到硼交聯(lián)的鼠李半乳糖醛酸聚糖（RG-Ⅱ）復合物［3-4］。同年，O’Neill 等［5］研究發(fā)現(xiàn)植物RG-Ⅱ與硼酸在體外能發(fā)生共價反應，進一步證明了硼交聯(lián)的RG-Ⅱ雙體在維持植物細胞壁完整性中具有重要作用。近20年來，隨著分子技術和植物生物學的快速發(fā)展，研究人員從植物營養(yǎng)學、遺傳學和環(huán)境脅迫等角度鑒定了植物應對養(yǎng)分脅迫和逆境脅迫的重要功能基因，并進一步解析了相應的生理和代謝調(diào)控網(wǎng)絡。本文將從研究較深入的植物硼吸收轉(zhuǎn)運途徑、硼生理應激和硼調(diào)控植物脅迫適應性三方面系統(tǒng)總結重要的研究進展，以期為植物獲取硼調(diào)控逆境適應研究提供理論參考，從而實現(xiàn)硼高效的遺傳改良。

1 硼的吸收調(diào)控

硼轉(zhuǎn)運蛋白的鑒定是全面理解硼吸收轉(zhuǎn)運途徑和調(diào)控機制的基礎。此前，學術界對硼進入植物體內(nèi)是否需要轉(zhuǎn)運蛋白的問題存在爭議。2006 年，Takano 等［6］通過基因芯片技術從擬南芥中鑒定到水通道蛋白基因AtNIP5；1（nodulin 26-like intrinsic protein）。AtNIP5；1主要在根最外層細胞朝向土壤側的細胞膜上表達，負責低硼條件下根從土壤中獲取硼。高硼脅迫下，AtNIP5；1通過上游5’端蛋白非翻譯區(qū)（5’UTR）快速調(diào)控mRNA 的降解，防止植物因硼過量而中毒［7-8］。植物根對硼的吸收和轉(zhuǎn)運過程涉及多次穿膜移動（圖1）。AtBOR1，屬于重碳酸鹽家族（SLC4）成員，編碼硼的外排型轉(zhuǎn)運蛋白，在根最外層和內(nèi)皮層及中柱鞘的細胞質(zhì)膜朝向中柱側表達，主要負責硼從皮層細胞經(jīng)質(zhì)外體和共質(zhì)體途徑向中柱裝載［9］。高硼條件下，AtBOR1的蛋白翻譯效率降低，經(jīng)泛素化修飾后運往液泡降解，防止植物硼毒害［10］。隨后，在表皮細胞質(zhì)膜上鑒定到硼轉(zhuǎn)運子AtBOR2，其主要負責將硼從表皮向皮層轉(zhuǎn)移［11］。

圖1 植物中硼的吸收與運輸Fig.1 Absorption and transport of boron in plants

硼轉(zhuǎn)運蛋白基因在地上部硼的分配中發(fā)揮重要作用。其中，NIP6；1和BOR1主要在地上部幼嫩組織的莖葉節(jié)點、導管中表達，負責將硼從木質(zhì)部中卸載轉(zhuǎn)移進入營養(yǎng)器官，供植物生長發(fā)育［12-14］。在植物花器官中，NIP6；1和BOR1也存在很強的表達，其功能缺失嚴重阻礙了花器官的硼獲取，導致敗育和減產(chǎn)［12-13，15］。此外，植物花器官還存在特異表達的硼酸通道基因NIP7；1，主要在雄蕊的未成熟花藥中表達，特別是在9～11 葉期花藥的絨氈層中表達量最高［16］。類似的機制也存在于水稻（OsBOR1Os-BOR4OsNIP3；1）和玉米（TLS1RTE）中［17-18］，說明NIP5；1、NIP6；1和NIP7；1等內(nèi)流型硼酸通道和BOR1和BOR2等硼外排型轉(zhuǎn)運子共同調(diào)控了植物組織中的硼穩(wěn)態(tài)。值得注意的是，在多倍體植物甘藍型油菜中分別存在6 個NIP5；1基因和6 個BOR1基因，這些基因的表達模式以及對硼的響應并不一致［19］。例如BnaA3.NIP5；1特異地在側根冠細胞中表達，在根尖發(fā)育中發(fā)揮重要作用，而BnaA2.NIP5；1則主要負責將硼運輸?shù)匠墒靺^(qū)導管組織［20］。BnaC4.BOR1；1c在根和地上部節(jié)點處均有表達，在根中負責硼向木質(zhì)部的裝載，在地上部節(jié)點負責硼的分配，與擬南芥中BOR1基因的功能存在差異［13，15］。這些同源基因的差異化調(diào)控說明多倍體植物比模式植物基因組存在更為精細化的調(diào)控模式，這將有助于硼高效品種的遺傳改良。對多倍體作物硼的精細調(diào)控機制還需要深入研究。

2 硼高效植物的遺傳改良

棉花、油菜和柑橘是對缺硼敏感的作物［21］。早在1976 年，湖北武漢新洲區(qū)就出現(xiàn)了由硼缺乏所導致的棉花“蕾而不花”癥狀［22］；在我國多地（湖北、浙江、陜西、江西），油菜也因缺硼表現(xiàn)出典型的“花而不實”癥狀［23-25］；在水果中也存在相同的問題，例如紐荷爾臍橙進入掛果期后，常因硼的缺乏導致葉片黃化甚至落果，嚴重制約了臍橙產(chǎn)業(yè)的發(fā)展［26］。因此，當土壤中有效硼含量不能滿足植物生長需求，將嚴重制約作物的產(chǎn)量與品質(zhì)。目前，施用硼肥是解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上土壤硼缺乏的重要措施之一。與此相比，通過遺傳學和生物工程方法培育硼高效的作物新品種是一種更為有效和經(jīng)濟的手段。不同植物或同種植物的不同品種在響應低硼脅迫中的吸收和利用效率存在廣泛的基因型變異，為硼高效吸收和利用基因的定位和克隆提供了遺傳基礎。早期研究結果表明，芹菜、番茄和紅甜菜的硼效率受單個基因控制；小麥的硼效率則受多個基因控制［27］。Jia 等［28］利用春大麥關聯(lián)分析群體221 份材料研究籽粒中硼濃度的遺傳變異特征，共鑒定出23 個QTLs，進而對硼轉(zhuǎn)運相關的候選基因進行分析發(fā)現(xiàn)，在主效QTLqB21附近存在HvNIP2；2/HvLsi6和HvNIP2；3等基因，其可能編碼硼轉(zhuǎn)運蛋白。

不同油菜品種對低硼脅迫的耐性也存在顯著差異［29-30］。近年來，華中農(nóng)業(yè)大學徐芳森團隊在油菜硼高效的分子調(diào)控機理和油菜硼高效遺傳改良上取得重大突破。他們以硼高效基因型QY10 和硼低效基因型Wester10 為親本構建連鎖群并基于SNP芯片重新構建遺傳連鎖圖譜，鑒定到硼高效的主效QTLqBEC-A03a［31-34］。隨后以QY10 為供體親本，Wester10 為輪回親本構建qBEC-A03a 的近等基因系群體BC4F2，通過連續(xù)自交產(chǎn)生的BC4F3：4家系，在該主效QTL 中鑒定到與擬南芥硼酸通道基因At-NIP5；1同源的基因BnaA3.NIP5；1，該基因在根尖側根冠細胞上特異表達；進一步研究發(fā)現(xiàn)，兩親本中BnaA3.NIP5；1的表達差異取決于該基因5’UTR 中的CTTTC 串聯(lián)重復序列；W10 的5’UTR中存在2 個CTTTC 串聯(lián)重復，而QY10 的5’UTR中只有1 個CTTTC 串聯(lián)重復，這一串聯(lián)重復的缺失提高了BnaA3.NIP5；1的表達，導致QY10 根尖的硼吸收效率高于W10，從而促進了植物根系的良好發(fā)育。將QY10 中的硼高效基因BnaA3.NIP5；1導入油菜恢復系材料中，能很大程度提高油菜的低硼抗性［35］（圖2）。此外，徐芳森團隊從甘藍型油菜中鑒定到一個受缺硼誘導的轉(zhuǎn)錄因子BnaA9.WRKY47，其作用于BnaA3.NIP5；1的啟動子區(qū)域，能增強其轉(zhuǎn)錄活性；過表達轉(zhuǎn)錄因子BnaA9.WRKY47提高了油菜低硼抗性［36］。結果表明BnaA3.NIP5；1基因在油菜硼高效遺傳改良中具有重要的生產(chǎn)運用潛力。

圖2 側根冠特異表達的NIP5；1表達豐度決定油菜的硼效率Fig.2 The abundance of NIP5；1 specifically expressed in lateral root cap determines the boron efficiency of Brassica napus

3 激素參與硼調(diào)控植物生長發(fā)育

激素參與植物的整個生長發(fā)育過程，植物體內(nèi)硼穩(wěn)態(tài)的失衡破壞激素的內(nèi)穩(wěn)態(tài)，抑制植物正常生長。比如缺硼脅迫下，棉花葉柄中的生長素濃度降低，顯著抑制了植物組織器官的生長發(fā)育［37］。Peng等［38］利用全基因組芯片技術對擬南芥短期和長期缺硼脅迫下的基因表達進行研究，發(fā)現(xiàn)硼脅迫與大量激素合成、運輸與信號轉(zhuǎn)導相關的應答基因有關；其中，茉莉酸（jasmonic acid，JA）相關基因?qū)θ迸鸬捻憫铒@著，其生物合成和調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)錄本在硼缺乏脅迫下不斷被誘導表達，表明JA 可能是缺硼應激反應的關鍵因素。Eggert 等［39］發(fā)現(xiàn)油菜子葉期幼苗隨著硼的供應脫落酸（abscisic acid，ABA）和吲哚-3-乙酸（indole-3-acetic，IAA）的濃度下降；細胞分裂素（cytokinin，CK）和赤霉素（gibberellin，GA）的生物合成增強，但水楊酸（salicylic acid，SA）不隨硼供應而改變。綜上研究表明硼營養(yǎng)狀態(tài)的變化破壞了多個植物激素穩(wěn)態(tài)，最終決定了植物的生長發(fā)育方向。

根尖非根毛區(qū)和莖尖生長點既是硼營養(yǎng)供應的重要場所，也是各種植物激素調(diào)控生長的作用點。缺硼激活乙烯前體合成酶基因ACS11 上調(diào)表達，促進乙烯在根尖伸長區(qū)累積并放大乙烯信號響應，同時缺硼使根尖伸長區(qū)生長素累積，共同限制根尖細胞的生長（圖3）［40］。Gómez-Soto等［41］的研究結果表明，外源添加ABA 能提高硼轉(zhuǎn)運子AtNIP5；1啟動子的活性，可能有助于植物對硼的吸收，但ABA 信號途徑對植物的生長調(diào)控與促進硼吸收的綜合效應需要進一步評估。在根尖分生區(qū)，缺硼引起根尖CK信號轉(zhuǎn)導相關基因（CRE1/WOL/AH4）表達下調(diào)，進而抑制細胞的有絲分裂活性與組織的正常分化過程，負調(diào)控根細胞的生長；同時，QC（靜止中心）因缺硼喪失功能，抑制細胞分裂和伸長，最終導致根系生長受阻［40］。GA 是植物生長發(fā)育重要的內(nèi)源調(diào)節(jié)因子，涉及種子萌發(fā)、花誘導、花藥及花粉管發(fā)育等多方面，但對硼的響應研究較少。研究人員發(fā)現(xiàn)離體培養(yǎng)的花粉中，外源添加GA 抑制花粉的萌發(fā)率，添加硼酸則可以促進花粉萌發(fā)［42］。

圖3 不同激素參與植物缺硼應激反應Fig.3 Different hormones participate in boron-deficient stress response in plants

近期，JA 和油菜素甾醇（brassinolide，BR）在參與植物缺硼適應性調(diào)節(jié)中取得重要進展。缺硼誘導乙烯響應轉(zhuǎn)錄因子ERF018 表達，上調(diào)JA 合成基因AOCs，促使JA 生物合成增加，在茉莉酸氨基酸結合酶JAR1 的作用下，累積更多的茉莉酸-異亮氨酸復合物（JA-lle），進一步激活JA 下游信號，增強了缺硼對擬南芥生長的抑制作用［43］。另一方面，JA 穩(wěn)定了乙烯信號轉(zhuǎn)導因子EIN3 的蛋白水平，促使JA 與乙烯協(xié)同發(fā)揮作用，負調(diào)控缺硼脅迫下的主根生長［44-45］。利用硼酸通道蛋白基因atnip5；1-1突變體材料進一步研究表明，JA 信號對根系的調(diào)控不依賴于硼的吸收過程，表明缺硼脅迫激活的JA 調(diào)控作用于硼吸收的下游［44-45］。BR 是控制根系發(fā)育的關鍵激素，主要在伸長區(qū)促進細胞伸長。Zhang等［46］通過RNA-Seq分析發(fā)現(xiàn)，受缺硼調(diào)控和受BR調(diào)控的基因存在高度重疊但調(diào)控模式相反。缺硼抑制BR 的關鍵合成基因BR6OX1和BR6OX2的表達，減少油菜素內(nèi)酯（brassinolide，BL）的合成，從而抑制對BRI1受體的激活作用，減弱BR 信號傳導，顯著降低了根尖細胞的伸長速率［46］。最近的研究表明，分生區(qū)BR水平上升促進生長素合成的同時抑制了生長素信號輸出［47］，但在硼脅迫下互作機制還不清楚。

4 硼的養(yǎng)分平衡和抗逆效應

養(yǎng)分之間的平衡配施決定了作物的最優(yōu)生長發(fā)育及產(chǎn)量。1843 年德國學者李比希（Justus von Liebig）提出了最小養(yǎng)分律，指出植物的生長受相對含量最少的養(yǎng)分所支配，其實質(zhì)就是養(yǎng)分平衡決定植物的生長。植物細胞中硼不足和硼過量都極大地破壞了細胞生理和代謝過程，阻礙了植物的生長發(fā)育。硼與大量元素氮（N）、鉀（K）間存在相互作用，在高K條件下減少硼的供應將加劇缺硼癥狀，而在低K 條件下供應更高的硼則更易出現(xiàn)硼毒癥狀；硼脅迫降低硝酸還原酶的活性，抑制硝態(tài)氮的同化過程，且硼脅迫破壞了N 和碳（C）的平衡狀態(tài)，擾亂了光合作用中的多個反應，但是具體哪些酶受到影響還不清楚［48-50］。在甘藍型油菜中，低磷（P）低硼（B）比低B更有利于苗期和苔期P的吸收，增加成熟期P向種子的分配，提高植物地上部光合效率和生長參數(shù)，并獲得更高的產(chǎn)量［51］。說明硼與大量元素間的營養(yǎng)平衡在植物的生長發(fā)育過程中發(fā)揮著重要的作用。

中微量元素也受硼脅迫的影響。土培條件下，硼缺乏降低了番茄葉片中的鈣（Ca）、鎂（Mg）、鐵（Fe）、銅（Cu）、鋅（Zn）的濃度；然而在水培系統(tǒng)中，硼缺乏和過量都能促進番茄中Ca、Mg、Zn、Mn、Fe的吸收和轉(zhuǎn)運［52］。因此，植物培養(yǎng)系統(tǒng)的差異可能是影響硼與其他養(yǎng)分關系研究的一個重要因素。另外，硼與中微量元素的互作對不同植物表現(xiàn)出的互作效應不同。但無論是協(xié)同作用還是拮抗作用，都會導致植物中其他養(yǎng)分的失衡，從而抑制植物生長。因此，硼是養(yǎng)分平衡的重要因子。目前，我們對硼與其他養(yǎng)分的互作調(diào)控機制的理解還不夠深入。

硼不僅是養(yǎng)分平衡的關鍵因子，同時也是重要的抗逆因子。鋁（Al）毒害是酸性土壤中導致植物發(fā)育不良的重要原因之一。研究表明，硼的供應能夠有效緩解鋁毒，其存在多種作用機制（圖4）［53］。第一，硼供應改善細胞壁結構，減少了Al在細胞壁上潛在的負電荷結合位點，減少了Al在根細胞壁的累積；同時硼通過降低細胞壁中纖維素的積累并增加其結晶度，提高纖維素的交聯(lián)度及拉伸強度緩解Al 毒害所導致的細胞壁加厚狀況。第二，根系Al 的累積激活了ROS（活性氧）系統(tǒng)，而硼供應強化了ROS（活性氧）清除能力包括調(diào)節(jié)超氧化物歧化酶、過氧化物酶、過氧化氫酶、多酚氧化酶等的活性，減少了胼胝質(zhì)沉積等，從而減輕Al對植物的氧化毒性。第三，硼供應促進了根表面pH 升高，顯著降低了根尖過渡區(qū)Al 的累積；硼供應調(diào)節(jié)根尖液泡和細胞質(zhì)的pH 值，減弱細胞內(nèi)酸性微環(huán)境，以確保根尖細胞中的正常生化反應。第四，硼供應通過抑制NRAT1（負責將Al 從胞外運輸?shù)桨麅?nèi)）的表達，誘導ALS1（負責將Al 隔離到液泡中）的表達上調(diào)，減少Al 向胞內(nèi)的轉(zhuǎn)運，將Al 隔離在液泡中以降低Al 的毒害作用。因此，根中硼對Al 毒性的緩解主要通過改變細胞壁組分、根區(qū)pH、代謝通路、Al吸收和區(qū)室化而實現(xiàn)。

圖4 硼緩解鋁毒害的機制Fig.4 Mechanism of boron alleviating aluminum toxicity

重金屬鎘（Cd）具有很強的生物毒性。當植物體中Cd 積累到一定程度時，就會表現(xiàn)出葉片枯黃、莖稈縮短、側根減少的毒害癥狀［54］。在作物中，Cd 的毒性會降低養(yǎng)分和水分的吸收和轉(zhuǎn)運、增加氧化損傷、抑制植物形態(tài)和擾亂生理生化代謝［54］。硼緩解Cd 毒與緩解Al毒存在類似的機制。第一，硼的供應增強抗氧化系統(tǒng)來減輕Cd 毒激活的ROS 脅迫［55］。第二，硼的供應促使葉片細胞壁中的可溶性果膠增加，以提供更多的Cd 結合位點，同時纖維素含量的增加可將更多的Cd 螯合在細胞壁中［55-56］。第三，硼供應下調(diào)了小麥中與Cd 轉(zhuǎn)運蛋白高度同源的基因表達水平，減少了小麥對Cd 的吸收量，降低了Cd 在植物中的累積［57］。因此，硼供應有效地減少了Cd 吸收、促進Cd 在細胞壁上的吸附同時減輕氧化應激以緩解Cd對植株毒害的效應。

5 總結與展望

盡管硼是植物生長發(fā)育所必需的微量元素的認知仍存在一定的爭議，但過去二十多年的深入研究充分證明硼的不可或缺性，尤其是硼在細胞壁果膠形成過程中的重要作用。硼在植物體內(nèi)的吸收、運輸和分配系統(tǒng)具有典型的養(yǎng)分獲取和分配特征：養(yǎng)分缺乏誘導轉(zhuǎn)運子蛋白表達，提升吸收能力；養(yǎng)分過量抑制轉(zhuǎn)運子mRNA 和加速蛋白質(zhì)的降解防止其產(chǎn)生毒害。這種智能化的穩(wěn)態(tài)維持機制有助于缺素土壤中作物養(yǎng)分高效利用品種的遺傳改良，例如，自然群體中挖掘到的受低硼脅迫誘導的強表達基因NIP5；1，已經(jīng)在甘藍型油菜分子輔助育種中展現(xiàn)出應用潛力［35］。但是，我們對硼的生理功能研究還處于初期階段，仍然存在很多科學問題有待解答，比如硼如何交聯(lián)果膠鼠李半乳糖醛酸聚糖（RG-Ⅱ），哪些基因參與交聯(lián)過程，在哪個細胞器中發(fā)生等，目前這些過程仍未知。氮和磷作為信號調(diào)節(jié)細胞生理過程，相應的核心調(diào)控因子和信號路徑也逐漸被熟知［58-59］。缺硼或硼過量都顯著擾亂了植物細胞的生理代謝過程，然而硼是作為信號還是養(yǎng)分來觸發(fā)這一系列的生理紊亂，其核心調(diào)控因子目前還有待挖掘。此外，硼在各種非生物脅迫中起到積極作用（抗鋁、鎘等），且經(jīng)濟成本低、環(huán)境效益高，因此硼參與這些非生物脅迫的分子調(diào)控機制正越來越受到關注，這將在理論上拓寬對硼的認知：硼不僅是必需的微量元素，還是各種非生物脅迫的調(diào)節(jié)因子。