植物硼高效吸收利用調(diào)控生長的研究進展

劉玲，段賢杰，徐芳森，汪社亮

1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)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(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，武漢 430070

硼（boron）是植物細胞壁結(jié)構(gòu)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(xué)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(fù)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(yīng)，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(shù)和植物生物學(xué)的快速發(fā)展，研究人員從植物營養(yǎng)學(xué)、遺傳學(xué)和環(huán)境脅迫等角度鑒定了植物應(yīng)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(yīng)的生理和代謝調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。本文將從研究較深入的植物硼吸收轉(zhuǎn)運途徑、硼生理應(yīng)激和硼調(diào)控植物脅迫適應(yīng)性三方面系統(tǒng)總結(jié)重要的研究進展，以期為植物獲取硼調(diào)控逆境適應(yīng)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(chǔ)。此前，學(xué)術(shù)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(shù)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(cè)的細胞膜上表達，負責(zé)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(cè)表達，主要負責(zé)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(zé)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(dǎo)管中表達，負責(zé)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(dǎo)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(yīng)并不一致［19］。例如BnaA3.NIP5；1特異地在側(cè)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(zé)將硼運輸?shù)匠墒靺^(qū)導(dǎo)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(zé)硼向木質(zhì)部的裝載，在地上部節(jié)點負責(zé)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(dǎo)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(dǎo)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(xué)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(yīng)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(chǔ)。早期研究結(jié)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(guān)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(guān)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(xué)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(gòu)建連鎖群并基于SNP芯片重新構(gòu)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(gòu)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(cè)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(fù)序列；W10 的5’UTR中存在2 個CTTTC 串聯(lián)重復(fù)，而QY10 的5’UTR中只有1 個CTTTC 串聯(lián)重復(fù)，這一串聯(lián)重復(fù)的缺失提高了BnaA3.NIP5；1的表達，導(dǎo)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(dǎo)入油菜恢復(fù)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(dǎo)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(jié)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(cè)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(shù)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(dǎo)相關(guān)的應(yīng)答基因有關(guān)；其中，茉莉酸（jasmonic acid，JA）相關(guān)基因?qū)θ迸鸬捻憫?yīng)最顯著，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(dǎo)表達，表明JA 可能是缺硼應(yīng)激反應(yīng)的關(guān)鍵因素。Eggert 等［39］發(fā)現(xiàn)油菜子葉期幼苗隨著硼的供應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)，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(jié)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(yīng)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(dǎo)相關(guān)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(dǎo)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(dǎo)、花藥及花粉管發(fā)育等多方面，但對硼的響應(yīng)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(yīng)激反應(yīng)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(yīng)性調(diào)節(jié)中取得重要進展。缺硼誘導(dǎo)乙烯響應(yīng)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(jié)合酶JAR1 的作用下，累積更多的茉莉酸-異亮氨酸復(fù)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(dǎo)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(guān)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(guān)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(dǎo)，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(yīng)

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(xué)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(yīng)將加劇缺硼癥狀，而在低K 條件下供應(yīng)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(yīng)，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(guān)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(yīng)不同。但無論是協(xié)同作用還是拮抗作用，都會導(dǎo)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(guān)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(dǎo)致植物發(fā)育不良的重要原因之一。研究表明，硼的供應(yīng)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(yīng)改善細胞壁結(jié)構(gòu)，減少了Al在細胞壁上潛在的負電荷結(jié)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(jié)晶度，提高纖維素的交聯(lián)度及拉伸強度緩解Al 毒害所導(dǎo)致的細胞壁加厚狀況。第二，根系A(chǔ)l 的累積激活了ROS（活性氧）系統(tǒng)，而硼供應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)。第四，硼供應(yīng)通過抑制NRAT1（負責(zé)將Al 從胞外運輸?shù)桨麅?nèi)）的表達，誘導(dǎo)ALS1（負責(zé)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(cè)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(yīng)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(yīng)促使葉片細胞壁中的可溶性果膠增加，以提供更多的Cd 結(jié)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(yīng)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(yīng)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(yīng)激以緩解Cd對植株毒害的效應(yīng)。

5 總結(jié)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(dǎo)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(dǎo)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(yīng)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(xué)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(yīng)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(guān)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。