硼在植物中的吸收和轉運機制研究進展

摘要：缺硼和硼毒害對植物生長的影響日趨嚴重，要解決生產中硼利用的問題，還需要從植物對硼的吸收和利用機制方面入手。著重闡述了硼對植物細胞膜的滲透性、植物對硼的吸收和轉運機制、硼相關基因克隆及功能分析、轉運系統調控等方面的研究進展，提出了進一步強化對植物硼吸收和轉運機制研究的必要性。

關鍵詞：硼；植物；吸收；轉運

中圖分類號：O613.8+1；Q945.12 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）24-6331-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.24.004

硼是植物生長所必需的微量元素，缺硼會導致作物嚴重減產甚至絕收，但過量的硼也會對植物產生毒害，而且植物對硼含量很敏感，最低、最適、最高硼含量之間變化幅度很小[1]，因此生產中硼肥的使用有很大的局限性。對硼在植物中的生理功能方面研究得較早，但是關于植物對硼的吸收和運輸機制的研究在最近幾年才有了突破性進展。本文從生理和分子生物學方面闡述了植物對硼的吸收和轉運機制，以期為改善和解決生產中缺硼和硼毒害帶來的不利影響提供思路。

1 硼的細胞膜滲透性

營養物質從根表面運輸到木質部需要穿過凱氏帶，至少要進行兩次跨膜運輸。硼酸的跨膜運輸方式有兩種，一是通過自由擴散穿過細胞質膜的磷脂雙分子層進入細胞內部，二是通過膜上的通道蛋白進入細胞內部。

硼酸對質膜磷脂雙分子層的滲透系數會因細胞膜成分產生差異，如膽固醇的比例、磷脂頭部的基團、脂肪酸碳鏈的長度等，其變化范圍為7×10-6～9.5×10-9 cm/s[2]。硼酸對細胞質膜的滲透性與pH緊密相關，在生理pH環境下，硼酸主要以未解離的中性硼酸分子[B（OH）3]形式存在。Raven[3]計算得出硼酸對膜的滲透系數的范圍在1×10-6～7×10-6 cm/s，如此高的滲透系數使人們在很長一段時間內都認為硼酸的跨膜方式主要是被動擴散。但Dordas等[4]從南瓜根中分離得到了質膜和少囊泡質膜，測定得到其硼酸的膜滲透系數分別為3.9×10-7和2.4×10-8 cm/s。Stangolius等[5]利用輪藻節間巨細胞來測定硼酸的膜滲透系數，結果為4.4×10-7 cm/s。這些數值比Raven[3]計算的滲透系數范圍以及Dordas等[2]用人工膜測得的數值要低出一個數量級。與人工膜相比，硼酸對植物細胞膜的滲透系數較低，這意味著僅靠硼酸的被動擴散可能滿足不了植物對硼的需求，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來滿足低硼條件下植物對硼的需求。

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水的吸收速率來決定[6]。很長一段時間內人們都認為植物對硼的吸收都是靠被動吸收，但這沒法解釋有些植物在同樣環境下對硼的吸收表現出巨大的差異[7]，說明植物對硼的吸收還可能存在著其他方式。生理研究發現低硼條件下向日葵能進行硼的逆濃度差運輸[8]，說明植物對硼存在著主動吸收的方式。近年來越來越多的研究表明植物對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入細胞的被動擴散；借助膜上MIPs（Major Intrinsic Proteins）協助的易化吸收；消耗能量利用轉運蛋白的主動運輸。其中前兩者為順濃度差的被動吸收，后者為逆濃度差的主動吸收。

2.1 高硼條件下硼的被動吸收

Brown等[9]對番茄細胞和向日葵根以及南瓜根用100 μmol/L硼同位素（11B）進行組織培養發現在根中硼的吸收與外界硼濃度在很大范圍內是呈線性關系的。且外界溫度會影響番茄細胞對硼的吸收，但在低溫（2 ℃）和高溫（47 ℃）時硼的吸收沒有停止。說明在高硼條件下，硼通過被動運輸進入細胞，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散進入細胞。

高等植物細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]。根據亞細胞定位和序列同源性分析，MIPs蛋白家族又可以分為4個亞家族：液泡膜內在蛋白（the tonoplast intrinsic proteins，TIPs）；質膜內在蛋白（the plasma membrane intrinsic proteins，PIPs）；一類堿性小分子的內在蛋白（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MIPs蛋白介導硼酸的跨膜轉運的研究在最近十來年取得了很大的進展，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吸收。

氯化汞可以抑制部分MIPs蛋白的跨膜轉運過程。在離體南瓜根中分離得到的質膜小泡，向其中添加氯化汞后，檢測發現硼的跨膜轉運系數降低了57%[4]。將植物和細菌中可以轉運硼酸和水的MIPs蛋白轉入非洲爪蟾卵母細胞（Xenopus laevis oocyte），結果顯示在爪蟾卵母細胞中，來自玉米的PIP1使其對硼的吸收增強了30%，而沒有對水的吸收能力；來自玉米的PIP3對硼吸收沒有效果，但使爪蟾卵母細胞對水的跨膜轉運增強了7倍；來自擬南芥NLM1對硼吸收沒有效果，但使爪蟾卵母細胞對水的跨膜轉運增強了5倍[2]。這些結果可以說明部分MIPs蛋白具有促進硼吸收的功能，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，分別用含有1和100 μmol/L的硼營養液培養向日葵的愈傷組織，然后測定其根原生質體中硼的含量，結果分別為22 μmol/L和65 μmol/L。這表明在低濃度硼的環境中，植物體內存在一個產生逆濃度梯度的吸收機制，以此來適應低硼的極端環境；而在高濃度硼的環境中，植物體內存在的是順濃度梯度的被動吸收機制。而隨后將含1 μmol/L硼的營養液換成含100 μmol/L的硼營養液繼續培養3 h，根原生質體中的硼含量顯著升高，達到150 μmol/L，這說明低硼誘導后短時間的正常硼濃度處理不能完全解除植物對硼的高親和吸收機制。但正常硼濃度（100 μmol/L）供應24 h后這種高親和吸收機制受到抑制，因為在此硼濃度條件下，向日葵對硼的被動吸收機制完全可以滿足需求[13，14]。因此，可以推斷在向日葵體內存在著一個受外界硼濃度調節的高親和吸收機制。而且，這種硼的高親和吸收系統會因為物理手段（降低根部溫度）和化學方法（添加二硝基酚）對植物硼的新陳代謝的抑制而受到抑制，這暗示著細胞內部與外界環境之間所建立的這種硼濃度梯度依賴于新陳代謝產生的能量[14]。為了確定這個結果，Dannel等[15]通過同位素示蹤技術研究表明向日葵在正常濃度硼環境中完全可以通過被動吸收獲得生長需要的硼，在低濃度硼環境下植物會誘導產生一個硼的高親和吸收系統，而且該系統對硼的飽和吸收能力以及它對能量的依賴性，表明其實質可能是關于硼主動運輸的跨膜轉運蛋白[16]。

擬南芥中的AtNIP5；1是低硼條件下對硼高效吸收的跨膜轉運蛋白。AtNIP5；1主要在擬南芥根的外皮層、皮層和內皮層中表達，且極端的表達在內皮層的外側。眾所周知，擬南芥根的內皮層上有凱氏帶，可以防止水和小分子自由穿梭進中柱中。AtNIP5；1蛋白的主要功能是在低硼條件下高效地將細胞外的硼吸收到細胞內，包括內皮層細胞，從而滿足擬南芥對硼的需求。缺硼時，AtNIP5；1基因在擬南芥根尖伸長區和根毛區增強表達，促進根系對硼的高效吸收，而2個T-DNA插入突變體nip5；1則表現為對硼的吸收下降，地上部和根的生長受抑制。基因NIP5；1的表達是低硼條件下擬南芥硼的高效吸收和植株生長所必需的[17，18]。

3 硼的運輸

在植物生長過程中，礦質營養元素的長距離運輸發生在木質部和韌皮部的維管系統中，水是運輸介質。在運輸過程中，營養物質通過細胞間的交換而在木質部與韌皮部之間進行穿梭，甚至在它們之間可能會有非新陳代謝營養物質的直接交換[19，20]

3.1 硼在木質部中的運輸

木質部是硼向上運輸的主要通道[21]。在維管植物中硼通過木質部的管道從根部向莖部運輸。硼吸收從根表面進入植物根的原生質體中，需要進行跨膜轉運；而硼的木質部運輸是從原生質體向木質部導管轉運，也需要進行跨膜運輸[22]。對于木質部的運輸機制，也分高硼和低硼兩種情況進行討論。

用含有100 μmol/L的硼營養液澆灌向日葵，然后測定其木質部流出液中的硼含量，結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液澆灌向日葵，然后測定不同組織中硼的含量，結果顯示木質部流出液中的硼含量分別只有營養液和根細胞液中硼含量的50%[13-15]。Shelp等[23]在椰菜中的測定結果表明木質部流出液中的硼濃度只有營養液的43%，支持了以上結果；而且還計算得出在蒸騰作用下，木質部流出液中的硼濃度是木質部體液中硼濃度的10倍，這說明蒸騰作用促使木質部中的水流量增加，從而將木質部體液中的硼運輸至導管，降低了木質部體液中的硼濃度，表明硼能隨蒸騰流被動運輸。由以上結果可以總結出，在硼充足條件下，硼在植物木質部中的運輸可以用被動運輸模式解釋。

Dannel等[15]用含有1 μmol/L的硼營養液澆灌向日葵，不僅在營養液與根原生質體之間發現了硼的逆濃度梯度，而且在根原生質體與木質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產生的，它顯示出了吸收飽和特性，需要依賴新陳代謝產生的能量。而Shelp等[23]也證明在白羽扇豆中存在營養液（硼濃度為30 μmol/L）與木質部流出液（硼濃度為67.5～83.2 μmol/L）之間的硼濃度梯度。因此可以推測在木質部運輸過程中也存在著類似硼吸收高親和跨膜系統的轉運機制，將細胞膜內的硼向膜外轉運[22]。

1997年Noguchi等[24]介紹了一個硼利用率低的擬南芥突變體bor1-1，測定發現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。硼供應充足條件下，野生型每個部位中的硼濃度都很接近；在低濃度硼條件下，野生型擬南芥木質部流出液中的硼濃度是根細胞液中的3～4倍。在硼供應充足條件下，野生型與突變體之間的硼含量很相似；而在低濃度硼供應時，突變體bor1-1的莖、木質部流出液和根細胞液中的硼含量分別是野生型的25%﹑30%和65%[25]。總的來說，這些結果表明擬南芥在低濃度硼供應時，也存在將硼從根部向莖部運輸的機制，與向日葵一致[15]。bor1-1突變體可能在硼的運輸積累機制上存在缺陷，利用含3 μmol/L的硼培養基對bor1-1植株和野生型進行培養，bor1-1植株則會表現出各種缺硼表型，而野生型生長正常[25]。這也證明了高親和跨膜轉運系統對低硼條件下的植物生長的重要性。最終利用bor1-1突變體對AtBOR1基因進行了克隆和功能分析，發現AtBOR1是一個硼的高效轉運蛋白，定位在擬南芥內皮層的內側和木質部薄壁細胞中，主要功能是將內皮層或木質部薄壁細胞中的硼轉運到木質部導管中[26]。在水稻中也成功克隆了與木質部裝載相關的基因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，一條位于內皮層[28]。通過分子生物學實驗發現OsBOR1主要在外皮層和內皮層這兩種細胞中表達，具有硼吸收和運輸的功能。

3.2 硼在韌皮部中的運輸

硼在韌皮部中的移動性不高，因此木質部是硼從根向地上部長距離運輸的惟一途徑。早期的研究認為，根系吸收硼和硼的向上運輸主要受蒸騰作用控制，硼隨蒸騰流進入組織后很少發生再轉移[29]。因此，當出現硼缺少時首先受到傷害的是植物的幼嫩部分；而硼過量時最先受到傷害的是成熟的組織。研究發現在大部分植物中，當硼缺乏時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，植物體中的硼還可以相對均勻的分布，甚至其幼葉中的硼濃度還高于老葉[1，29-31]，而這種現象用依賴于蒸騰流的硼分配原理解釋不了。對這些物種進行分析發現它們都能產生大量的糖醇，包括山梨醇和甘露醇，它們可以將光合作用的產物轉移到韌皮部。因為糖醇含有豐富的順式羥基，可以和硼酸結合，因此，推測硼酸可以被糖醇結合運到韌皮部。通過對芹菜韌皮部汁液中硼復合物的含量進行測定，發現硼與果糖、山梨醇和甘露醇形成了穩定的復合物[1]。因此能產生大量糖醇的植物對硼的缺乏都表現出一定的抗性。而且山梨醇合成酶基因過表達的轉基因煙草對缺硼環境的適應性比野生型的好，這是因為轉基因植物通過韌皮部轉移硼的能力得到了增強[32]。Lehto等[33]在蘇格蘭松樹和挪威云杉體內發現，硼可以與松醇或甘露醇形成復合物，經韌皮部從地上部運輸到根系。這些結果證明了硼可以與糖醇結合進行韌皮部運輸，但是目前只在植物中發現了這種現象。

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

4 與硼相關的基因的克隆及功能分析

目前已經克隆的關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蛋白定位在根的內皮層內側和中柱最外層細胞的質膜上，功能是在低硼條件下將硼轉運到木質部導管中，隨蒸騰流運輸到地上部分，供應植物生長發育所需要的硼。AtBOR1在酵母中表達后能夠降低細胞內的硼酸濃度，說明AtBOR1是一個硼酸的外向轉運蛋白。AtBOR1是受轉錄后調控的，在缺硼條件下，AtBOR1蛋白在質膜中積累；而在正常或者高硼情況下，AtBOR1蛋白通過內吞作用運輸到液泡中降解，這種精確的調控方式有助于植物在外界硼含量變化時保持體內硼的穩態[26，37，38]。AtBOR1在擬南芥基因組中共有7個同源的基因，其中AtBOR2編碼的也是硼的外排轉運蛋白，定位在質膜上，在側根的根冠和根伸長區的表皮上有很強的表達，AtBOR2的功能是在低硼條件下將共質體中的硼外排到質外體中，以滿足根細胞伸長過程中細胞壁形成成分RhamnogalacturonanⅡ交聯所需要的硼[39，40]。AtBOR4蛋白也是硼的外排蛋白，定位在根伸長區表皮細胞質膜的外側，功能是在高硼毒害的情況下將植物體內的硼轉運到外界，從而提高植物對高硼毒害的抗性。在高硼處理下，AtBOR4的表達升高，AtBOR4基因的過表達植株比野生型植株對高硼毒害的抗性明顯提高[41]。在水稻基因組中含有4個BOR1的同源基因，其中OsBOR1同樣編碼外向硼轉運蛋白，參與硼的吸收及向木質部的運輸[27]。OsBOR4蛋白也表現出外排硼的活性，并且特異地高水平地在花粉中表達，對花粉的正常萌發和花粉管伸長有重要意義[42]。最近，在玉米中報道了一個硼轉運蛋白RTE，與擬南芥的BOR1直系同源，具有硼的外排活性，在營養器官和生殖器官的木質部周圍高水平表達，對玉米的正常生長，尤其是生殖生長具有重要意義[43]。

NIPs家族，是MIP家族的亞家族，為植物中特有。大豆中的NOD26是這個亞家族中的第一個成員，它定位在大豆根瘤的共生質膜上，可以轉運甲酰胺、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），這與轉運的選擇性有關。Ⅰ型與NOD26相似，NIPⅡ型在ar/R結構域部位比Ⅰ型有更大的孔直徑，這些不同影響了它們的轉運選擇性。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蛋白定位在質膜上，在爪蟾卵母細胞中表達后可以快速地把培養液中的硼酸轉入細胞內，而轉運水的量很少，表明AtNIP5；1是一個向細胞內轉運硼酸的轉運蛋白。AtNIP5；1在根的表皮、皮層和內皮層細胞中都有表達，主要參與把根表面的硼吸收到根內。在低硼的條件下，AtNIP5；1缺失突變體的生長受到抑制，體內硼的含量下降。在擬南芥中，AtNIP5；1主要通過轉錄后的調控來調節根部對硼的吸收[17，18，38]。另外，擬南芥中的AtNIP6；1編碼的也是硼酸轉運蛋白，在硼缺乏的情況下表達量升高，但其表達部位是地上部分，而不是在根部。AtNIP6；1主要在地上部分的節間中表達，尤其是在韌皮部，其蛋白對硼酸有很高的轉運活性，但沒有轉運水的功能。低硼條件下，野生型正常生長，老組織中的硼含量下降；而AtNIP6；1基因的缺失突變體則生長受到抑制，幼嫩組織中硼的含量下降。這些結果說明，硼酸轉運蛋白AtNIP6；1參與硼在植物體中的分布，特別是優先向生長發育中的幼嫩組織運輸，對低硼條件下幼嫩組織的生長有重要意義[36]。NIP家族在擬南芥中一共有9個成員，另一個成員AtNIP7；1特異地在幼嫩花芽中發育著的花藥組織中表達，特別是在花粉粒發育的第9-11階段，具有極低的向內轉運硼的活性[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，對低硼條件下玉米的正常生長起關鍵作用[49]。另外，NIP家族的其他成員也可能具有轉運硼酸的活性。OsNIP3；1具有吸收和轉運硼的活性，定位在細胞質膜上，在根的外皮層和葉枕中有較高水平的表達，參與了硼在地下的吸收和地上部分的轉運，其轉錄活性受硼濃度調節，其對硼濃度敏感的部位為5'-UTR，在低硼條件下表達上調，對水稻在低硼條件下的正常生長具有重要意義[50，51]。水稻中的OsNIP2；1是植物中第一個被報道的硅轉運蛋白，研究發現它同時還具有運輸尿素和硼酸的能力，而且加入等量的尿素后不會影響其轉運硅酸的能力，但加入等量硼酸后其轉運硅酸的能力有輕微下降，因此OsNIP2；1可能具有轉運硼的能力[28，52]。

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

5 展望

隨著有機肥料使用的減少和化肥使用的增加，使得缺硼和硼毒害對作物產生危害的形勢越來越嚴峻。當土壤有效硼缺乏時，油菜、小麥、水稻等主要農作物均出現生長發育不良，結實率顯著下降甚至絕收。對于缺硼土壤，最常見的解決辦法是施肥。但植物對硼的適宜濃度范圍很窄，一旦土壤有效硼濃度偏高，就可能對植物產生毒害，因此硼肥的施用有很大的局限性。對于高硼土壤，灌溉水中硼的含量也較高，在這些地區過量硼毒害是限制農作物產量提高的一個重要因素。因此，研究植物對硼的吸收和轉運機制就顯得尤為重要，在對這些機制了解之后，可以通過生物學手段提高植物對硼的耐受能力。例如增加植物中的糖醇含量，可以增加硼的移動性，提高植物對硼缺乏的抗性[32，56]；在擬南芥中過表達AtBOR1可以提高植株對低硼的耐性[57]；過表達AtBOR4基因可以提高植株對高硼毒害的抗性[41]。這些研究結果可以為提高作物對硼的耐受性提供借鑒途徑。

目前在大田作物中關于硼吸收和轉運分子機制的研究還相當少，加強此方面的深入研究將有助于作物硼吸收和轉運機制的闡明和耐低硼、抗高硼作物品種的選育及對大田硼肥的施用進行針對性的指導，對大田生產具有重要意義。

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