硼在植物結構和功能中的作用

黃大明++黃善迎+付一宸++孟航開++張巨功+何大勇

摘 要：研究硼元素在植物中的作用。純化和識別硼-多元醇運輸分子（the first boron-polyol transport molecules）解決了很多有關硼在韌皮部移動性的問題。對來自細胞壁的硼-多糖復合物的分離和特征描述為果糖多聚物的硼交聯提供了直接的證據。植物培養液中硼的缺失和恢復實驗實現了抑制和恢復質子釋放，表明硼參與了膜過程。快速的硼引發的膜功能變化可以歸功于硼絡合膜成分。硼可能通過將非質體蛋白與細胞壁或膜上的順式羥基相連接和通過干擾錳依賴的酶催化反應來影響代謝路徑。除此之外，硼也被運用在中和鋁在雙子葉植物根部生長的毒性效應中。由于發現了新的對硼改變需求的擬南芥突變體，開始研究硼營養的分子機理。

關鍵詞：硼；植物；結構；功能；新陳代謝

中圖分類號：Q945 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）06-0234-06

Boron in Plant Structure and Function

Huang Daming1 Huang Yingshan1 Fu Yichen1 Meng Hangkai1 Zhang Jugong2 He Dayong2 Dale G. Blevins3

（1. Laboratory of ecology， School of life Sciences，Tsinghua University，Beijing 100084，PRC；

2. Expert Committee on urban economy in China， Beijing 100102， PRC；

3. Interdisciplinary Plant Group， University of Missouri， Columbia， Missouri 65211，US）

Abstract：Research on boron in plant structure and function to better understanding of the role of boron in plants. Purification and identification of the first boron-polyol transport molecules resolved much of the controversy about boron phloem mobility. Isolation and characterization of the boron-polysaccharide complex from cell walls provided the first direct evidence for boron crosslinking of pectin polymers. Inhibition and recovery of proton release upon boron withdrawal and restitution in plant culture medium demonstrated boron involvement in membrane processes. Rapid boron-induced changes in membrane function could be attributed to boron-complexing membrane constituents. Boron may affect metabolic pathways by binding apoplastic proteins to cis-hydroxyl groups of cell walls and membranes， and by interfering with manganese-dependent enzymatic reactions. In addition， boron has been implicated in counteracting toxic effects of aluminum on root growth of dicotyledonous plants. Molecular investigations of boron nutrition have been initiated by the discovery of a novel mutant of Arabidopsis thaliana with an altered requirement for boron.

Key words：Boron；Plant；Structure；Function；Metabolism

在自然界，硼是植物最缺乏的微量元素。疏松的土壤普遍缺硼，在疏松土壤中水溶性硼很輕易濾過土壤剖面而無法被植物利用。充足的硼對于農作物的高產和高質量都非常關鍵。缺硼會導致植物解剖學、生理學和生物化學上的變化，大多數的這些變化都表現出了次級效應。由于缺硼的癥狀的廣泛和快速，測定硼在植物中的主要作用成為了植物營養研究中的一個最重要課題。本文探討硼在細胞壁中的結構功能，硼在細胞膜中的角色，硼參與的代謝活動。

1 研究歷史

1910年，Agulhon記錄了多種不同種類的植物含有硼[1]，但是他并沒有說明硼是非常基本的元素。接著，Maz′e宣稱硼、鋁、氟化物和碘是基本的營養元素，但是他的實驗技術受到質疑。因此，Warington是第一個給出高等植物需求硼的關鍵性證明。Warington觀察結果是植物持續供應硼，這是對于硼在植物生長過程中功能的一個重要認識。Sommer & Lipman確定了六種非豆科雙子葉植物和一種禾本植物：大麥，對于硼的需求。認識到硼是高等植物的基本元素后，結構損傷：如芹菜裂莖病、花椰菜莖腐病、甜菜心腐病和內部黑色斑點、煙草的頂腐、蘋果內木栓化和苜蓿黃疸病都被歸結為缺硼癥。使用硼肥成了多種園藝作物、甜菜和苜蓿生產過程中的一般做法。這一做法使得研究者發現不同種類之間對硼元素的需求是存在非常大的差異，一種植物合適的需求量對于另一種植物可能是有毒的或者是不足的。基于它們對于硼的需求，植物可以被分為三組：禾本科植物：對硼需求最低；其余的單子葉植物和大多數雙子葉植物：對硼需求中等；有乳膠的植物：對硼需求最大。Shkolnik提出另一種重要的分類，他依據缺硼癥狀出現的部位和生長階段來將單子葉和雙子葉植物進行分類。一些缺硼雙子葉植物（向日葵、西紅柿、南瓜和苜蓿），伴隨著分生區退化，根部生長受到迅速抑制；另一些雙子葉植物（豌豆、大豆、羽扇豆），生長部位的退化緩慢。一些單子葉植物（玉米、高粱、小米、紫鴨拓草、洋蔥）能在無硼條件下，比雙子葉植物，更長時間地維持正常的根部生長和營養生長。小型谷物和草（黑麥、燕麥、小麥、貓尾草）可以維持正常的營養生長，并且僅在生殖器官形成階段出現缺硼癥狀。在生殖生長階段對于硼的大量需求是植物中一個非常普遍的特點，這一特點將在另一部分中討論（見“生殖，花粉管生長和花粉萌發”）。除了維管植物，包括硅藻、一些海洋鞭毛藻類（marine algal flagellates）和藍藻等依賴異體細胞固氮的植物也需要硼。在人類，Niesen et al認為：硼有利于保持鈣，特別是中老年婦女。目前沒有發現人類必需硼。Nd2Fe14B是磁化度最高的磁性材料。

2 硼韌皮部移動性和運輸分子

在維管植物中，硼隨蒸騰流從根部移動并在葉子或莖的生長部位積累。已經有文獻表明植物頂端組織的局部濃度導致植物分生組織在代謝過程某些方面對硼依賴的發展演化。在葉中，硼的再易位會受到限制并在質外體中固定。基于這種機制，硼通常被認為是固定在韌皮部。但是，對穩定同位素10B的示蹤研究顯示：在一些果樹中，秋天使用硼進行葉面施肥會臨時提高葉片中硼的濃度，在晚秋和冬天硼會移動到樹皮。在春天，硼會從樹皮移動到花并導致結果增加。這種硼移動需要韌皮部運輸。除了果樹之外，蕓苔屬植物、蘿卜、菜花和蕪菁甘藍都存在韌皮部運輸。Hu & Brown研究了硼在梨屬、蘋果屬和李屬的一些種類中的移動性并將它們的韌皮部運輸與其運輸碳作為多元醇的特點相聯系。從二十世紀初期開始，化學家已經利用多元醇，例如甘油和甘露醇，去提升硼酸鹽溶液的酸度。這一反應的原理是硼酸鹽能與一些二醇和多元醇形成環二元酸脂。Brown和他的合作者從桃花蜜中分離并識別了可溶性山梨醇-硼-山梨醇復合物，從芹菜韌皮部汁液中分離并識別了甘露醇-硼-甘露醇復合物。這是首次在植物中分離并鑒定硼轉運分子。Brown還獲得了韌皮部中硼的移動運輸衛矛醇的證據。這些結果解釋了許多植物中硼韌皮部運輸的困擾。結論：硼在韌皮部的移動與一些特定植物的糖或多元醇運輸分子有關。美國的一種主要作物，大豆，含有大量的多元醇（松醇），并對葉子使用硼有反應。以后，也許韌皮部汁液可以用來進行松醇-硼-松醇復合物的分析。

3 硼在細胞壁結構中的作用

高等植物的初生細胞壁是在植物發育過程中決定細胞形狀和大小的很重要因素。可以通過交聯細胞壁主要成分、纖維素聚合物和基體聚合物如半纖維素和果膠多糖從而改變細胞壁的機械特性。多年以來，研究者已經觀察到初生細胞壁和硼營養有著密切的聯系。多達90%的細胞內的硼會被定位到細胞壁部分。硼缺乏的首發癥狀包括細胞壁和中層組織的異常。近來，與細胞壁糖和/或糖蛋白的羥基形成硼酸鹽被認為是膠聯細胞壁聚合物的一種機制。硼酸鹽膠聯可以解釋多種硼缺乏或硼中毒植物的特點。能解釋缺硼植物葉子脆弱。當植物在最適濃度的硼條件下生長，葉子對于彎折表現出可塑性和彈性。除此之外，由于硼酸鹽分子的羥基和聚乙烯醇的羥基導致的滑動性可以解釋主細胞壁早期發育的特征。

Loomis&Drust對能夠參與到硼酸鹽膠聯細胞壁聚合物的特殊植物分子進行討論，硼酸鹽和順二醇在呋喃環上形成最穩定的二元酸脂。植物中化合物形成這一構形受到核糖和芹菜糖的限制。根據Loomis&Durst的文章，形成于多種單子葉和雙子葉植物細胞壁的芹菜糖是硼酸鹽-膠聯細胞壁聚合物的關鍵糖基元，核苷酸中大量出現的核糖可能和硼毒性的化學過程有關。另一個可能的有關硼酸鹽細胞壁橋接的物質是海藻糖。硅藻類和特定的海藻的細胞壁中含有海藻糖，這些植物需要硼。除了禾本科植物之外的高等植物含有細胞壁木葡聚糖和鼠李糖半乳糖醛酸聚糖，這兩種物質都含有海藻糖末端。除此之外，一些分泌到質外體的糖蛋白是海藻糖基化的。值得注意：缺乏海藻糖的擬南芥突變體會出現易碎葉片，這是缺硼植物中的癥狀。

硼含量和果膠緊密相關。1961年，Ginsburg發現強螯合劑EDTA與弱螯合劑（如IAA）混合能夠有效地通過移除果膠/蛋白基質進而導致細胞分離，但是硼酸鹽緩沖劑能夠比其他緩沖劑更久地保持基質完整。Clarkson&Hanson提出通過在果膠形成膠聯，硼保護了細胞壁中的鈣。Yamanouchi發現缺硼番茄細胞壁含有較少的鈣。我們可以假設羥基氫鍵和硼酸酯的形成可以將聚合物的羧酸基團極為接近并允許鈣或鎂與聚合物連接。基于不同濃度的硼、鎂、和鈣的松樹細胞培養的復雜生長分析，Teasdale&Richards提出植物細胞壁受體分子在不緊密地連接硼后能夠有效地連接鈣。鎂和鈣會競爭性地與受體分子連接。Teasdale&Richard認為：形成于果膠或糖蛋白聚合物上的糖（如芹菜糖或海藻糖）的羥基的硼酸酯為鈣或鎂在細胞壁上的螯合提供了位點。

在Loomis&Durst提出硼連接細胞壁聚合物的模型后，此時芹菜糖已經被認為是連接硼酸鹽的主要糖培基，Matoh et al從崩潰酶處理的蘿卜根細胞的細胞壁中分離出了第一個硼-多糖復合物，該復合物的分子量為7.5kDa，其中含有0.232%的硼，52.3%的糖醛酸，17.4%的樹膠醛糖，9.8%的鼠李糖，4.9%的半乳糖和0.3%的木糖。高達80%的細胞壁硼都被定位到這種復合物中，11B-NMR分析表明硼以雙配體硼酸鹽-二醇，BL2，的形式出現。Brown發現在南瓜和番茄的細胞壁中的硼和果膠含量存在著關聯。通過他們對14種植物的測量發現糖羰含量、果膠糖和硼含量緊密相關。Kobayashi et al 從蘿卜根細胞比中提純了pectin fraction并從植物中分離了第一個含硼果膠多糖復合物，boron-rhamnogalacturonan-II（RG-II-B）。他們的小組通過從RG-II-B復合物中移除硼之后發現復合物分子量減少了一半，這首次提供了硼酸鹽與兩個RG-II單體交聯的直接證據。接著，Matoh et al發現22種其它植物-包括2種十字花科，3種葫蘆科，4種豆科，2中傘形科，2種藜科，2種茄科，2種菊科，1種百合科，1種天南星科，2種石蒜科和3種禾本科-的細胞壁中的RG-II-B復合物。根據這一實驗，Matoh et al提出RG-II可能是細胞壁中排他的多糖連接硼。從培養的懸鈴木細胞，黃化的豌豆莖和紅酒中獲得RG-II-B復合物，Neil et al發現硼酸酯定位在二聚RG-II的其中2個3-端連接的芹糖殘基的C-2和C-3。作者假設二聚的RG-II-B在雙子葉植物、非禾本科的單子葉植物和禾本植物中會與細胞壁果膠基質共價膠聯，盡管在禾本種植物中果膠含量比其它種類的植物低很多。Ishii&Matsunaga和Kaneko et al分別從甜菜（一種雙子葉植物）的果肉和竹筍（一種單子葉植物）中分離了RG-II-B復合物。實驗表明加入鍶、鉛、鎘之后增強二聚體的形成，而鈣和鎂對于增加二聚體的形成是沒有效果。作者認為在正常生理pH值下，快速地由硼酸形成二聚體需要催化劑-例如某種酶的參與。另一些可能與硼酸交聯初生細胞壁的物質是富含羥（基）脯氨酸的糖蛋白和富含脯氨酸的蛋白，如伸展蛋白。缺乏硼的豆根結節細胞壁中富含羥（基）脯氨酸的糖蛋白含量特別低。有趣的是，其中一種蛋白（一種叫做ENOD2的早期結瘤素）的mRNA出現在了結節中，顯然，這種蛋白并沒有被裝配到細胞壁結構中去。這和Jackson有關矮牽牛花花粉管生長的研究結果是一致的，在矮牽牛花花粉管中是沒有硼的，蛋白被分泌出去而不是裝配到管壁因此也就失去了中間媒介。

4 膜和膜相關的反應

硼在植物中的作用不僅是細胞壁結構方面，還有膜功能的快速變化。Pollard et al在玉米根細胞膜中定位了硼，Tanada在綠豆原生質體膜也發現硼。盡管在細胞膜中硼的含量并不是太高，特別是相比于細胞壁而言，但是它們對于離子吸收是非常重要的。蠶豆根部對銣（一種鉀的類似物）的吸收在無硼溶液中受到抑制，關鍵部位在根部10-mm末端部分。蠶豆根對磷的吸收在缺硼條件下十分緩慢，在吸收實驗之前1小時對根部用硼預先處理之后，對磷的吸收恢復到正常水平。缺硼的玉米和蠶豆根對磷、氯化物、銣的吸收在往生根培養基中加入硼的20分鐘內就恢復到正常水平的40%。在缺硼的向日葵根部對磷的吸收和釋放都降低。Goldbach et al證明了胡蘿卜和土豆的懸浮培養中，硼缺乏會導致鐵氰化物引起的凈質子釋放減少50%，在60分鐘內加入硼，這種抑制就是可逆的。這種硼素效應只有在植物生長素出現的情況下才會發生。因此認為生長素刺激的鐵氰化物引起的質子釋放是需要硼的。釩酸酯抑制質子釋放，表明原生質膜的質子泵是這一過程的關鍵。事實上，缺硼影響從向日葵根分離出來的微體中的釩酸酯敏感的H+-ATP酶。盡管免疫印跡法顯示缺乏硼并不會影響這種酶的數量，但是熒光各向異性顯示從缺乏硼和充足硼條件下獲得的細胞膜是有差異的。這種差異展現為細胞膜的剛性上升。在其他的研究中，Lawrence et al 的工作顯示，缺乏硼的鷹嘴豆根中富含質膜的囊泡的ATP酶活性相較控制組的更低。Obermeyer et al發現百合未萌發花粉粒中硼的積累。

Barr&Crane的工作報道了硼對質膜電子轉移反應的影響并表明生長素敏感的質膜NADH氧化酶在缺乏硼的胡蘿卜細胞培養中受到了抑制。證明與H+-ATP酶有關的質子分泌同樣會受到缺硼的抑制，但并不如鐵氰化物刺激的質子釋放受到的影響那么嚴重。這意味著鐵氰化物刺激跨膜電子轉移，這種電子轉移只有在含有硼的時候會和質子釋放進行耦合。Barr&Crane的工作還說明了使用添加外源硼酸（有或沒有2，4-D）的方法降低細胞硼會導致質膜NADH氧化酶的瞬時積累，這是有記錄的最快速的對硼反應。更早一些的Schon et al的文章表明在加入硼的33分鐘內向日葵細胞膜會發生明顯的超極化。1986年，Morr′e et al展示了有關鑒定生長素敏感的質膜NADH氧化酶作為抗壞血酸自由基氧化還原酶的活性的證據。這一發現支持了JC Brown的一個假設：硼素對于維持質外體還原環境是非常重要的，從而能夠支持離子吸收。通過積累NADH氧化酶，硼可能和保持細胞壁或細胞膜表面抗壞血酸鹽減少有關。值得質疑的是，NADH氧化酶活性和抗壞血酸鹽還植物生長過程有關。

總之，對低硼植物進行硼處理會導致根部細胞膜的超極化，并刺激鐵氰化物引來的H+的釋放、ATP酶的活性、NADH氧化酶活性和離子轉運。盡管這些變化都和膜功能有關，一些研究者推測硼影響的是膜蛋白的物理特性。1977年，Pollard et al認為對于缺硼植物在補充硼之后能夠快速恢復ATP酶活性和鉀的吸收這一現象可以解釋為硼與膜成分的多羥基基團配位的結果。Marchner研究：缺硼的向日葵葉子出會出現鉀、蔗糖、酚類物質和氨基酸的流失，認為硼有維持質膜完整的作用，硼通過和質膜成分進行配位從而實現穩定質膜結構的作用。與糖脂或糖蛋白形成氫鍵或酯類可以輕易地使酶或通道保持一個正確的構形并錨定在膜上。在缺乏硼的植物的細胞膜中存在較少的磷脂和半乳糖脂。

此外，Shkolnik觀察到一些酶，通常以潛伏態與細胞膜或細胞壁連接，會在缺硼的情況下釋放并變得具有活性。這些酶包括核糖核酸酶、葡萄糖-6-磷酸鹽脫氫酶、苯丙氨酸解氨酶、β-葡糖苷酶和多酚氧化酶。在缺乏硼的條件下這些酶的釋放會強烈改變植物的新陳代謝活動、消耗RNA和升高酚的合成。多種酚是植物生長的抑制劑，這些酚同時會抑制離子吸收并因此阻滯膜功能。Shkolnik還注意到盡管缺硼反應在雙子葉植物中非常常見，但是這一現象沒有在禾本的單子葉植物中觀察到。這一現象產生了一個問題：禾本植物中的質外體蛋白糖基化是否是不同的，或者說這些蛋白在禾本植物的細胞膜或細胞壁中是不豐富的。

5 生殖，花粉管生長和花粉萌發

硼對于細胞壁構成非常重要。在大多數植物中生殖生長比營養生長需要更大量的硼，對于禾本植物尤其如此。禾本植物中含有最低的細胞壁果膠成分，需要最少的硼維持正常的營養生長，但是在生殖期需要和其他植物一樣多的硼。Gauch&Dugger記錄了70個參照中硼對花粉萌發，或開花和結果的影響。缺硼會導致玉米的不育和多種單子葉和雙子葉植物的花畸形。苜蓿用硼處理增加600%的產種量，相比之下，甘草產量只增加3%。Schmucker發現一種熱帶睡蓮屬植物的花粉在1%的葡萄糖中無法發芽，但是能夠在柱頭提取物中快速發芽。斷定柱頭提取物中含有硼，發現將硼酸加入1%葡萄糖溶液中能夠成為非常有效的萌發培養基。Schmucker認為硼酸與富含羥基的有機分子-例如糖-相連并參與到花粉管的形成過程。

自然條件下，大多數植物種類的花粉粒中硼的含量都比較低，但在花柱、柱頭和子房中硼濃度都比較高。Visser的工作顯示花粉管的生長需要持續重組的硼供給，Visser推斷在花粉管伸長過程中硼會和細胞內的物質發生配位。根據這一研究，Johri&Vasil發現硼對于花粉管伸長比對花粉萌發更為重要。花粉管的快速生長依賴于囊泡持續融合形成的質膜和連續分泌的細胞壁物質。Jackson提出通過含糖殘基的硼復合物捕獲分泌的花粉蛋白來進行膜和細胞壁的構建。矮牽牛花的花粉中含有多種糖蛋白，植物糖蛋白的低聚糖中含有大量的甘露糖和海藻糖，這兩種糖都已知可以和硼形成穩定的酯類物質。Jackson研究了在不同溫度下矮牽牛花花粉管生長過程中的蛋白分泌情況，他發現膜油脂的相變方式在培養基中含有硼的情況下是完全不同的，這可能是由于在含有硼的情況下，一大部分的蛋白質會被裝配到細胞膜和細胞壁（membrane and wall matrices）中。Jackson也提到花粉管的萌發在超過21℃時會被完全抑制，除非有硼的提供。這一發現很好的解釋了硼在熱帶作物-例如玉米-的生殖生長中為何扮演了非常重要的作用。

Robbertse et al發現在從柱頭沿著花柱到子房存在著硼濃度梯度，矮牽牛花的花粉管朝著硼濃度高的方向生長。硼可能是一種生殖系統的趨化因子，這一理論和高濃度硼一般位于雌花這一現象是相符的。花粉生長研究的結果和硼配位細胞壁聚合物相一致。脂熱穩定性研究的結果表明硼在膜結構和功能中是非常重要的。不管是什么樣的機制，硼在植物的生殖生長的作用是非常引人注目的。植物在生殖生長過程中普遍對硼的大量需求令人矚目，這表明了植物生殖器官的相似性，和細胞壁不同，植物的花粉管壁的組成是相似的。花粉硼研究對認識硼在生化過程中作用非常重要。

6 固氮作用

在魚腥草ACC 7199的異型細胞中發現硼對于固氮作用非常重要。在缺乏硼的條件下固氮酶失活曾被解釋為氧破壞了固氮酶的結構。缺乏硼的異形細胞的O2狀態改變意味著缺乏硼的異形細胞中超氧物歧化酶、過氧化氫酶和過氧化物酶活性的提高。異形細胞在形態上和功能上都與營養細胞有很大的不同，異形細胞能夠進行固氮作用因為他們維持了一個還原（低氧）的環境。異形細胞中一層由特殊糖脂組成的厚包膜使得其能夠維持一個低氧的狀態。這些糖脂不存在于營養細胞中，因此被認為是異形細胞中的細胞擴散閥門。缺乏這些包膜糖脂的藍藻突變體在有氧實驗中無法進行固氮。對異形細胞包膜糖脂的提取和定量分析表明在將硼移除后的6小時內，糖脂含量下降了33%并在24小時內僅剩下不足硼充足條件下的1%。這表明硼起到了穩定異形細胞包膜內糖脂層的作用從而阻止氧氣的擴散。

在一些早期的研究中，Brenchley & Thornotn發現栽培缺乏硼的蠶豆中導管與結瘤數的減少和固氮作用的降低。結瘤的導管連接減少，結果許多細菌變為類菌體。作者推測在缺乏硼的條件下，共生體會轉變為寄生的狀態。在缺乏硼的豌豆結瘤中，感染的宿主細胞數目相較于充足硼的控制組而言要少很多。缺硼植物的宿主細胞增大和異形侵染線。植物基質糖蛋白與豆科根瘤菌的細胞表面的連接受到培養緩沖液（incubation buffer）中硼酸鹽的抑制。顯示在無硼情況下細胞基質糖蛋白的連接會阻礙細菌表面和植物細胞膜多糖-蛋白質復合物的連接。發育中的大豆根瘤比完全發育的根瘤對低硼營養更加敏感。幼根瘤的發育和固氮在移除硼之后會受到阻礙，但是在大根瘤中的乙炔還原速率仍然保持不變。

在最近有關豆根結節的研究中，羥基脯氨酸和細胞壁干重的比例在缺乏硼的結節中會比硼充足的控制組低5倍。富含羥基脯氨酸共價連接的ENOD2蛋白在缺乏硼的結節薄壁細胞的細胞壁中特別低，盡管RNA印跡法（Northern blot）表明在缺乏硼和硼充足的細胞中均有mRNA存在。細胞壁中ENOD2缺失和不規則的細胞壁結構有關。總之，在無硼條件下ENOD2蛋白的無法結合導致細胞壁異常因而阻礙了正常的氧氣閥門形成，而氧氣閥保護了固氮酶復合物并保證了共生固氮的發生。

7 硼在植物新陳代謝中的作用

初生細胞壁結構和膜功能與硼營養緊密相關。有確鑿的證據證實硼與抗壞血酸鹽的代謝有關。在早期的研究中，兩篇有關蔬菜作物的報告非常有趣。Chandler&Miller發現經過硼處理的蕪菁甘藍比未處理的對照組含有更多的抗壞血酸鹽，并且在經過脫水存儲后，硼處理的植物中較對照組含有兩倍的抗壞血酸鹽。Mondy&Munshi發現在栽培后的10到13周對土豆進行葉敷硼砂導致種植后18周收割時的塊莖中含有顯著多的抗壞血酸鹽。在儲存了6個月之后，來自硼處理的塊莖褪色程度較低，這是由于硼處理的塊莖中含有更低的酚濃度和更高的抗壞血酸鹽濃度。

硼提高抗壞血酸鹽濃度的其中一種機制是通過影響質膜電子傳遞反應。Barrr和其同伴發現硼瞬時刺激植物生長素敏感的質膜NADH氧化酶。這種酶（也叫做抗壞血酸鹽自由基氧化還原酶）催化電子轉移到抗壞血酸自由基。無硼條件會抑制這一過程，并導致缺少還原態的抗壞血酸鹽。研究中，缺乏硼對南瓜根伸長的抑制與根尖抗壞血酸鹽濃度有關。但是，在抗壞血酸自由基、脫氫抗壞血酸和氧化形式抗壞血酸鹽的濃度下沒有和硼或生長相關的變化。這表明了缺乏硼導致的抗壞血酸鹽濃度的降低至少不能完全歸因于硼影響氧化還原循環，但標志著根部分生組織抗壞血酸鹽的降低。值得注意的是在無土栽培培養液中加入壞血酸鹽能夠在無硼或低硼條件下促進根的伸長。這表明附加的抗壞血酸鹽能在一定程度上替代在根部生長過程的作用。

硼的另一個作用且和細胞壁或細胞膜結構無關的方面是生長素代謝。硼與生長素會發生反應已經被提出了很久。盡管存在爭議，但對認識硼在植物中的作用非常重要。過去有記錄硼流失導致IAA積累并產生毒性，也有IAA流失并缺乏硼的現象發生。這背后的機制沒有得到很好的解釋。1977年，Bochnsack&Albert證實了在將培養基中硼除去之后的24小時，IAA氧化率升高而來20倍。作者將這一升高歸因為缺乏惡評的組織中IAA的積累的刺激。但是，Hirsch&Torrey證實缺乏硼導致的超微結構變化與IAA毒性導致的并不相同。進一步，頂端組織缺乏硼的癥狀表現為不變或者降低的IAA水平。

實驗室研究證實剝奪硼的南瓜根尖有明顯的IAA氧化率增長，這歸因于硼和IAA氧化酶的輔酶因子、錳和對香豆酸（p-coumaric acid）的反應。曾有記錄用硼進行葉面施肥會導致薄荷和大豆的葉子錳濃度下降。在大豆葉中，硼抑制了一種錳依賴的酶-尿囊酸酰胺水解酶的活性。硼酸葉敷于田間種植的有結節大豆會導致處理葉片組織中尿囊酸濃度增長高達10倍。在使用錳進行預噴之后，對硼反應引起的尿囊酸積累會消除或明顯下降。體外實驗中，部分純化的尿囊酸酰胺水解酶活性反映了孵育液中硼/錳比例。

南瓜跟根尖IAA氧化酶活性依賴于硼素營養，在某種程度上與大豆尿囊酸酰胺水解酶很相似。在充足硼的植物根尖，IAA氧化率低，而在無硼生長條件下的植物中較高。添加錳對于缺乏硼的根尖中的IAA氧化酶活性影響很小，而在充足硼植物中會導致活性的大幅度增加，這表明了在含有鵬的條件下需要更多的錳去刺激酶。在孵化過程中，離體根尖的IAA氧化酶活性會受到硼/比例改變的影響。

IAA氧化率也和根尖抗壞血酸鹽含量負相關，而抗壞血酸鹽含量已經被證實依賴于硼素營養。在培養液中添加硼會抑制缺硼的南瓜根分生組織中的IAA氧化酶活性。抗壞血酸鹽抑制IAA氧化酶活性伴隨著組織中對香豆酸濃度下降和monophenolic cofactor活性的降低。盡管IAA內源水平還沒有能夠被完全理解，轉基因植物實驗也已經對IAA氧化酶在IAA分解代謝過程中的重要性提出了挑戰，但我們發現在根生長和IAA的氧化分解表現出強烈的負相關，這兩者都會受到硼素營養的影響。總之，特定組織、缺乏硼、充足硼的植物伸長區的細胞質外體中的IAA水平是很重要的指標[2]。

8 改善鋁引起的根生長抑制

鋁在酸性土壤中會通過破壞根部結構和功能進而影響植物的生長。鋁毒性的機制非常復雜，目前尚無全面認識。鋁在土壤溶液和培養基中的毒性形式是Al3+，這種形式在pH為4.0-4.5的范圍內非常豐富。鋁一旦進入到植物中，它可能會存在于Al（OH）3的形式，它和硼酸B（OH）3的結構非常類似。

基于高鋁和缺硼植物大多數處理的細胞壁、膜功能和根生長之間分子和癥狀的相似性，有推測鋁通過引起硼匱乏進而發揮毒性。實驗室研究發現：將硼摻入酸性的、高鋁的下層土中能促進根部侵入這些土壤中。在溶液培養中，在所有檢查標準，包括根長度、細胞伸長、細胞生產率、組織和細胞結構、根部形態和成熟，超適濃度的硼會阻止鋁抑制根生長。這一反應僅限非禾本植物，Taylor&MacFie證明硼無法減輕小麥鋁毒性癥狀。但是，如前所述，禾本科植物的細胞壁結構和對硼的需求與雙子葉植物不同，缺乏硼并不會影響小麥的根生長。

鋁加入到南瓜生根培養基中會導致根尖抗壞血酸濃度下降，這和缺硼非常類似。鋁導致的根尖抗壞血酸含量的減少同時會抑制根的伸長。在鋁毒培養基中添加硼會產生含有較高濃度抗壞血酸的根尖。高鋁植物的根尖中IAA氧化酶活性的降低在一定程度上與營養液中的硼濃度負相關。總之，研究支持鋁中毒導致植物缺乏硼假說。表明根生長在缺乏硼或鋁中毒的條件下是受到抑制，這種抑制作用可能是破壞抗壞血酸鹽代謝過程導致的。

9 分子技術

分子遺傳學是研究植物營養障礙的有效工具。Noguchi et al研究一種提升了對硼需求的擬南芥（bor1-1）突變體。相比于野生型擬南芥，bor1-1植物在普通的硼濃度下進行生長時會出現嚴重的缺硼癥狀（蓮座葉的擴大降低，生育力降低，頂端優勢消失），這些癥狀在超量硼下會產生相反的癥狀。10B的示蹤試驗表明對硼吸收和/或易位缺失。遺傳圖譜表明bor 1突變與2號染色體的簡單序列長度多態性（SSLP）標記相連。深入研究可能會獲得更多關于植物控制硼代謝的基因機制。

10 結語

硼對于植物的生長發育是非常重要的，為培育植物提供充足的硼素營養具有非常明顯的經濟效益。硼能夠提高水果、蔬菜、堅果和谷物的產量，也能夠提高收獲作物的質量。在酸性、高鋁的土壤中，增加硼的應用能夠促進根的伸長。Joe Varner指出：研究植物需求硼的生物學是一個重要領域。分離和分析植物硼-多元醇轉運分子和果膠RG-II-B復合物取得的進展推動了對于硼移動性和細胞壁中硼化學的認識。還需要對硼復合物與膜上糖脂和/或糖蛋白作用進一步認識。有關硼連接的非原質體蛋白和硼對錳活化酶的作用對很多代謝過程都非常重要。對植物硼需求的分子研究有可能提升對植物缺硼癥或耐毒性的認識。植物硼素營養研究已經具有良好的基礎。

參考文獻

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[2]Bandurski RS， Cohen JD， Slovin JP， Reinecke DM. 1995. Auxin biosynthesis andmetabolism. In Plant Hormones， ed. PJDavies， pp. 39–65. Dordrecht： Kluwer.