黃大明++黃善迎+付一宸++孟航開(kāi)++張巨功+何大勇

摘 要：研究硼元素在植物中的作用。純化和識(shí)別硼-多元醇運(yùn)輸分子（the first boron-polyol transport molecules）解決了很多有關(guān)硼在韌皮部移動(dòng)性的問(wèn)題。對(duì)來(lái)自細(xì)胞壁的硼-多糖復(fù)合物的分離和特征描述為果糖多聚物的硼交聯(lián)提供了直接的證據(jù)。植物培養(yǎng)液中硼的缺失和恢復(fù)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了抑制和恢復(fù)質(zhì)子釋放，表明硼參與了膜過(guò)程?？焖俚呐鹨l(fā)的膜功能變化可以歸功于硼絡(luò)合膜成分。硼可能通過(guò)將非質(zhì)體蛋白與細(xì)胞壁或膜上的順式羥基相連接和通過(guò)干擾錳依賴的酶催化反應(yīng)來(lái)影響代謝路徑。除此之外，硼也被運(yùn)用在中和鋁在雙子葉植物根部生長(zhǎng)的毒性效應(yīng)中。由于發(fā)現(xiàn)了新的對(duì)硼改變需求的擬南芥突變體，開(kāi)始研究硼營(yíng)養(yǎng)的分子機(jī)理。

關(guān)鍵詞：硼；植物；結(jié)構(gòu)；功能；新陳代謝

中圖分類號(hào)：Q945 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(guò)土壤剖面而無(wú)法被植物利用。充足的硼對(duì)于農(nóng)作物的高產(chǎn)和高質(zhì)量都非常關(guān)鍵。缺硼會(huì)導(dǎo)致植物解剖學(xué)、生理學(xué)和生物化學(xué)上的變化，大多數(shù)的這些變化都表現(xiàn)出了次級(jí)效應(yīng)。由于缺硼的癥狀的廣泛和快速，測(cè)定硼在植物中的主要作用成為了植物營(yíng)養(yǎng)研究中的一個(gè)最重要課題。本文探討硼在細(xì)胞壁中的結(jié)構(gòu)功能，硼在細(xì)胞膜中的角色，硼參與的代謝活動(dòng)。

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(méi)有說(shuō)明硼是非?；镜脑?。接著，Maz′e宣稱硼、鋁、氟化物和碘是基本的營(yíng)養(yǎng)元素，但是他的實(shí)驗(yàn)技術(shù)受到質(zhì)疑。因此，Warington是第一個(gè)給出高等植物需求硼的關(guān)鍵性證明。Warington觀察結(jié)果是植物持續(xù)供應(yīng)硼，這是對(duì)于硼在植物生長(zhǎng)過(guò)程中功能的一個(gè)重要認(rèn)識(shí)。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(duì)于硼的需求。認(rèn)識(shí)到硼是高等植物的基本元素后，結(jié)構(gòu)損傷：如芹菜裂莖病、花椰菜莖腐病、甜菜心腐病和內(nèi)部黑色斑點(diǎn)、煙草的頂腐、蘋果內(nèi)木栓化和苜蓿黃疸病都被歸結(jié)為缺硼癥。使用硼肥成了多種園藝作物、甜菜和苜蓿生產(chǎn)過(guò)程中的一般做法。這一做法使得研究者發(fā)現(xiàn)不同種類之間對(duì)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(duì)于另一種植物可能是有毒的或者是不足的?；谒鼈儗?duì)于硼的需求，植物可以被分為三組：禾本科植物：對(duì)硼需求最低；其余的單子葉植物和大多數(shù)雙子葉植物：對(duì)硼需求中等；有乳膠的植物：對(duì)硼需求最大。Shkolnik提出另一種重要的分類，他依據(jù)缺硼癥狀出現(xiàn)的部位和生長(zhǎng)階段來(lái)將單子葉和雙子葉植物進(jìn)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(qū)退化，根部生長(zhǎng)受到迅速抑制；另一些雙子葉植物（豌豆、大豆、羽扇豆），生長(zhǎng)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(wú)硼條件下，比雙子葉植物，更長(zhǎng)時(shí)間地維持正常的根部生長(zhǎng)和營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)。小型谷物和草（黑麥、燕麥、小麥、貓尾草）可以維持正常的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)，并且僅在生殖器官形成階段出現(xiàn)缺硼癥狀。在生殖生長(zhǎng)階段對(duì)于硼的大量需求是植物中一個(gè)非常普遍的特點(diǎn)，這一特點(diǎn)將在另一部分中討論（見(jiàn)“生殖，花粉管生長(zhǎng)和花粉萌發(fā)”）。除了維管植物，包括硅藻、一些海洋鞭毛藻類（marine algal flagellates）和藍(lán)藻等依賴異體細(xì)胞固氮的植物也需要硼。在人類，Niesen et al認(rèn)為：硼有利于保持鈣，特別是中老年婦女。目前沒(méi)有發(fā)現(xiàn)人類必需硼。Nd2Fe14B是磁化度最高的磁性材料。

2 硼韌皮部移動(dòng)性和運(yùn)輸分子

在維管植物中，硼隨蒸騰流從根部移動(dòng)并在葉子或莖的生長(zhǎng)部位積累。已經(jīng)有文獻(xiàn)表明植物頂端組織的局部濃度導(dǎo)致植物分生組織在代謝過(guò)程某些方面對(duì)硼依賴的發(fā)展演化。在葉中，硼的再易位會(huì)受到限制并在質(zhì)外體中固定?；谶@種機(jī)制，硼通常被認(rèn)為是固定在韌皮部。但是，對(duì)穩(wěn)定同位素10B的示蹤研究顯示：在一些果樹(shù)中，秋天使用硼進(jìn)行葉面施肥會(huì)臨時(shí)提高葉片中硼的濃度，在晚秋和冬天硼會(huì)移動(dòng)到樹(shù)皮。在春天，硼會(huì)從樹(shù)皮移動(dòng)到花并導(dǎo)致結(jié)果增加。這種硼移動(dòng)需要韌皮部運(yùn)輸。除了果樹(shù)之外，蕓苔屬植物、蘿卜、菜花和蕪菁甘藍(lán)都存在韌皮部運(yùn)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(dòng)性并將它們的韌皮部運(yùn)輸與其運(yùn)輸碳作為多元醇的特點(diǎn)相聯(lián)系。從二十世紀(jì)初期開(kāi)始，化學(xué)家已經(jīng)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(yīng)的原理是硼酸鹽能與一些二醇和多元醇形成環(huán)二元酸脂。Brown和他的合作者從桃花蜜中分離并識(shí)別了可溶性山梨醇-硼-山梨醇復(fù)合物，從芹菜韌皮部汁液中分離并識(shí)別了甘露醇-硼-甘露醇復(fù)合物。這是首次在植物中分離并鑒定硼轉(zhuǎn)運(yùn)分子。Brown還獲得了韌皮部中硼的移動(dòng)運(yùn)輸衛(wèi)矛醇的證據(jù)。這些結(jié)果解釋了許多植物中硼韌皮部運(yùn)輸?shù)睦_。結(jié)論：硼在韌皮部的移動(dòng)與一些特定植物的糖或多元醇運(yùn)輸分子有關(guān)。美國(guó)的一種主要作物，大豆，含有大量的多元醇（松醇），并對(duì)葉子使用硼有反應(yīng)。以后，也許韌皮部汁液可以用來(lái)進(jìn)行松醇-硼-松醇復(fù)合物的分析。

3 硼在細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)中的作用

高等植物的初生細(xì)胞壁是在植物發(fā)育過(guò)程中決定細(xì)胞形狀和大小的很重要因素?？梢酝ㄟ^(guò)交聯(lián)細(xì)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(xì)胞壁的機(jī)械特性。多年以來(lái)，研究者已經(jīng)觀察到初生細(xì)胞壁和硼營(yíng)養(yǎng)有著密切的聯(lián)系。多達(dá)90%的細(xì)胞內(nèi)的硼會(huì)被定位到細(xì)胞壁部分。硼缺乏的首發(fā)癥狀包括細(xì)胞壁和中層組織的異常。近來(lái)，與細(xì)胞壁糖和/或糖蛋白的羥基形成硼酸鹽被認(rèn)為是膠聯(lián)細(xì)胞壁聚合物的一種機(jī)制。硼酸鹽膠聯(lián)可以解釋多種硼缺乏或硼中毒植物的特點(diǎn)。能解釋缺硼植物葉子脆弱。當(dāng)植物在最適濃度的硼條件下生長(zhǎng)，葉子對(duì)于彎折表現(xiàn)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(dǎo)致的滑動(dòng)性可以解釋主細(xì)胞壁早期發(fā)育的特征。

Loomis&Drust對(duì)能夠參與到硼酸鹽膠聯(lián)細(xì)胞壁聚合物的特殊植物分子進(jìn)行討論，硼酸鹽和順二醇在呋喃環(huán)上形成最穩(wěn)定的二元酸脂。植物中化合物形成這一構(gòu)形受到核糖和芹菜糖的限制。根據(jù)Loomis&Durst的文章，形成于多種單子葉和雙子葉植物細(xì)胞壁的芹菜糖是硼酸鹽-膠聯(lián)細(xì)胞壁聚合物的關(guān)鍵糖基元，核苷酸中大量出現(xiàn)的核糖可能和硼毒性的化學(xué)過(guò)程有關(guān)。另一個(gè)可能的有關(guān)硼酸鹽細(xì)胞壁橋接的物質(zhì)是海藻糖。硅藻類和特定的海藻的細(xì)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(xì)胞壁木葡聚糖和鼠李糖半乳糖醛酸聚糖，這兩種物質(zhì)都含有海藻糖末端。除此之外，一些分泌到質(zhì)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(huì)出現(xiàn)易碎葉片，這是缺硼植物中的癥狀。

硼含量和果膠緊密相關(guān)。1961年，Ginsburg發(fā)現(xiàn)強(qiáng)螯合劑EDTA與弱螯合劑（如IAA）混合能夠有效地通過(guò)移除果膠/蛋白基質(zhì)進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)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(zhì)完整。Clarkson&Hanson提出通過(guò)在果膠形成膠聯(lián)，硼保護(hù)了細(xì)胞壁中的鈣。Yamanouchi發(fā)現(xiàn)缺硼番茄細(xì)胞壁含有較少的鈣。我們可以假設(shè)羥基氫鍵和硼酸酯的形成可以將聚合物的羧酸基團(tuán)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(shù)細(xì)胞培養(yǎng)的復(fù)雜生長(zhǎng)分析，Teasdale&Richards提出植物細(xì)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(huì)競(jìng)爭(zhēng)性地與受體分子連接。Teasdale&Richard認(rèn)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(xì)胞壁上的螯合提供了位點(diǎn)。

在Loomis&Durst提出硼連接細(xì)胞壁聚合物的模型后，此時(shí)芹菜糖已經(jīng)被認(rèn)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(xì)胞的細(xì)胞壁中分離出了第一個(gè)硼-多糖復(fù)合物，該復(fù)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(shù)膠醛糖，9.8%的鼠李糖，4.9%的半乳糖和0.3%的木糖。高達(dá)80%的細(xì)胞壁硼都被定位到這種復(fù)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(xiàn)。Brown發(fā)現(xiàn)在南瓜和番茄的細(xì)胞壁中的硼和果膠含量存在著關(guān)聯(lián)。通過(guò)他們對(duì)14種植物的測(cè)量發(fā)現(xiàn)糖羰含量、果膠糖和硼含量緊密相關(guān)。Kobayashi et al 從蘿卜根細(xì)胞比中提純了pectin fraction并從植物中分離了第一個(gè)含硼果膠多糖復(fù)合物，boron-rhamnogalacturonan-II（RG-II-B）。他們的小組通過(guò)從RG-II-B復(fù)合物中移除硼之后發(fā)現(xiàn)復(fù)合物分子量減少了一半，這首次提供了硼酸鹽與兩個(gè)RG-II單體交聯(lián)的直接證據(jù)。接著，Matoh et al發(fā)現(xiàn)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(xì)胞壁中的RG-II-B復(fù)合物。根據(jù)這一實(shí)驗(yàn)，Matoh et al提出RG-II可能是細(xì)胞壁中排他的多糖連接硼。從培養(yǎng)的懸鈴木細(xì)胞，黃化的豌豆莖和紅酒中獲得RG-II-B復(fù)合物，Neil et al發(fā)現(xiàn)硼酸酯定位在二聚RG-II的其中2個(gè)3-端連接的芹糖殘基的C-2和C-3。作者假設(shè)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(huì)與細(xì)胞壁果膠基質(zhì)共價(jià)膠聯(lián)，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(fù)合物。實(shí)驗(yàn)表明加入鍶、鉛、鎘之后增強(qiáng)二聚體的形成，而鈣和鎂對(duì)于增加二聚體的形成是沒(méi)有效果。作者認(rèn)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(lián)初生細(xì)胞壁的物質(zhì)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(jié)節(jié)細(xì)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(jié)瘤素）的mRNA出現(xiàn)在了結(jié)節(jié)中，顯然，這種蛋白并沒(méi)有被裝配到細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)中去。這和Jackson有關(guān)矮牽?；ɑǚ酃苌L(zhǎng)的研究結(jié)果是一致的，在矮牽?；ɑǚ酃苤惺菦](méi)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(guān)的反應(yīng)

硼在植物中的作用不僅是細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)方面，還有膜功能的快速變化。Pollard et al在玉米根細(xì)胞膜中定位了硼，Tanada在綠豆原生質(zhì)體膜也發(fā)現(xiàn)硼。盡管在細(xì)胞膜中硼的含量并不是太高，特別是相比于細(xì)胞壁而言，但是它們對(duì)于離子吸收是非常重要的。蠶豆根部對(duì)銣（一種鉀的類似物）的吸收在無(wú)硼溶液中受到抑制，關(guān)鍵部位在根部10-mm末端部分。蠶豆根對(duì)磷的吸收在缺硼條件下十分緩慢，在吸收實(shí)驗(yàn)之前1小時(shí)對(duì)根部用硼預(yù)先處理之后，對(duì)磷的吸收恢復(fù)到正常水平。缺硼的玉米和蠶豆根對(duì)磷、氯化物、銣的吸收在往生根培養(yǎng)基中加入硼的20分鐘內(nèi)就恢復(fù)到正常水平的40%。在缺硼的向日葵根部對(duì)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(yǎng)中，硼缺乏會(huì)導(dǎo)致鐵氰化物引起的凈質(zhì)子釋放減少50%，在60分鐘內(nèi)加入硼，這種抑制就是可逆的。這種硼素效應(yīng)只有在植物生長(zhǎng)素出現(xiàn)的情況下才會(huì)發(fā)生。因此認(rèn)為生長(zhǎng)素刺激的鐵氰化物引起的質(zhì)子釋放是需要硼的。釩酸酯抑制質(zhì)子釋放，表明原生質(zhì)膜的質(zhì)子泵是這一過(guò)程的關(guān)鍵。事實(shí)上，缺硼影響從向日葵根分離出來(lái)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(huì)影響這種酶的數(shù)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(xì)胞膜是有差異的。這種差異展現(xiàn)為細(xì)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(zhì)膜的囊泡的ATP酶活性相較控制組的更低。Obermeyer et al發(fā)現(xiàn)百合未萌發(fā)花粉粒中硼的積累。

Barr&Crane的工作報(bào)道了硼對(duì)質(zhì)膜電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)的影響并表明生長(zhǎng)素敏感的質(zhì)膜NADH氧化酶在缺乏硼的胡蘿卜細(xì)胞培養(yǎng)中受到了抑制。證明與H+-ATP酶有關(guān)的質(zhì)子分泌同樣會(huì)受到缺硼的抑制，但并不如鐵氰化物刺激的質(zhì)子釋放受到的影響那么嚴(yán)重。這意味著鐵氰化物刺激跨膜電子轉(zhuǎn)移，這種電子轉(zhuǎn)移只有在含有硼的時(shí)候會(huì)和質(zhì)子釋放進(jìn)行耦合。Barr&Crane的工作還說(shuō)明了使用添加外源硼酸（有或沒(méi)有2，4-D）的方法降低細(xì)胞硼會(huì)導(dǎo)致質(zhì)膜NADH氧化酶的瞬時(shí)積累，這是有記錄的最快速的對(duì)硼反應(yīng)。更早一些的Schon et al的文章表明在加入硼的33分鐘內(nèi)向日葵細(xì)胞膜會(huì)發(fā)生明顯的超極化。1986年，Morr′e et al展示了有關(guān)鑒定生長(zhǎng)素敏感的質(zhì)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(jù)。這一發(fā)現(xiàn)支持了JC Brown的一個(gè)假設(shè)：硼素對(duì)于維持質(zhì)外體還原環(huán)境是非常重要的，從而能夠支持離子吸收。通過(guò)積累NADH氧化酶，硼可能和保持細(xì)胞壁或細(xì)胞膜表面抗壞血酸鹽減少有關(guān)。值得質(zhì)疑的是，NADH氧化酶活性和抗壞血酸鹽還植物生長(zhǎng)過(guò)程有關(guān)。

總之，對(duì)低硼植物進(jìn)行硼處理會(huì)導(dǎo)致根部細(xì)胞膜的超極化，并刺激鐵氰化物引來(lái)的H+的釋放、ATP酶的活性、NADH氧化酶活性和離子轉(zhuǎn)運(yùn)。盡管這些變化都和膜功能有關(guān)，一些研究者推測(cè)硼影響的是膜蛋白的物理特性。1977年，Pollard et al認(rèn)為對(duì)于缺硼植物在補(bǔ)充硼之后能夠快速恢復(fù)ATP酶活性和鉀的吸收這一現(xiàn)象可以解釋為硼與膜成分的多羥基基團(tuán)配位的結(jié)果。Marchner研究：缺硼的向日葵葉子出會(huì)出現(xiàn)鉀、蔗糖、酚類物質(zhì)和氨基酸的流失，認(rèn)為硼有維持質(zhì)膜完整的作用，硼通過(guò)和質(zhì)膜成分進(jìn)行配位從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定質(zhì)膜結(jié)構(gòu)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(gè)正確的構(gòu)形并錨定在膜上。在缺乏硼的植物的細(xì)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(tài)與細(xì)胞膜或細(xì)胞壁連接，會(huì)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(huì)強(qiáng)烈改變植物的新陳代謝活動(dòng)、消耗RNA和升高酚的合成。多種酚是植物生長(zhǎng)的抑制劑，這些酚同時(shí)會(huì)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(yīng)在雙子葉植物中非常常見(jiàn)，但是這一現(xiàn)象沒(méi)有在禾本的單子葉植物中觀察到。這一現(xiàn)象產(chǎn)生了一個(gè)問(wèn)題：禾本植物中的質(zhì)外體蛋白糖基化是否是不同的，或者說(shuō)這些蛋白在禾本植物的細(xì)胞膜或細(xì)胞壁中是不豐富的。

5 生殖，花粉管生長(zhǎng)和花粉萌發(fā)

硼對(duì)于細(xì)胞壁構(gòu)成非常重要。在大多數(shù)植物中生殖生長(zhǎng)比營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)需要更大量的硼，對(duì)于禾本植物尤其如此。禾本植物中含有最低的細(xì)胞壁果膠成分，需要最少的硼維持正常的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)，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(gè)參照中硼對(duì)花粉萌發(fā)，或開(kāi)花和結(jié)果的影響。缺硼會(huì)導(dǎo)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(chǎn)種量，相比之下，甘草產(chǎn)量只增加3%。Schmucker發(fā)現(xiàn)一種熱帶睡蓮屬植物的花粉在1%的葡萄糖中無(wú)法發(fā)芽，但是能夠在柱頭提取物中快速發(fā)芽。斷定柱頭提取物中含有硼，發(fā)現(xiàn)將硼酸加入1%葡萄糖溶液中能夠成為非常有效的萌發(fā)培養(yǎng)基。Schmucker認(rèn)為硼酸與富含羥基的有機(jī)分子-例如糖-相連并參與到花粉管的形成過(guò)程。

自然條件下，大多數(shù)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(zhǎng)需要持續(xù)重組的硼供給，Visser推斷在花粉管伸長(zhǎng)過(guò)程中硼會(huì)和細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)發(fā)生配位。根據(jù)這一研究，Johri&Vasil發(fā)現(xiàn)硼對(duì)于花粉管伸長(zhǎng)比對(duì)花粉萌發(fā)更為重要?；ǚ酃艿目焖偕L(zhǎng)依賴于囊泡持續(xù)融合形成的質(zhì)膜和連續(xù)分泌的細(xì)胞壁物質(zhì)。Jackson提出通過(guò)含糖殘基的硼復(fù)合物捕獲分泌的花粉蛋白來(lái)進(jìn)行膜和細(xì)胞壁的構(gòu)建。矮牽?；ǖ幕ǚ壑泻卸喾N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(wěn)定的酯類物質(zhì)。Jackson研究了在不同溫度下矮牽牛花花粉管生長(zhǎng)過(guò)程中的蛋白分泌情況，他發(fā)現(xiàn)膜油脂的相變方式在培養(yǎng)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(zhì)會(huì)被裝配到細(xì)胞膜和細(xì)胞壁（membrane and wall matrices）中。Jackson也提到花粉管的萌發(fā)在超過(guò)21℃時(shí)會(huì)被完全抑制，除非有硼的提供。這一發(fā)現(xiàn)很好的解釋了硼在熱帶作物-例如玉米-的生殖生長(zhǎng)中為何扮演了非常重要的作用。

Robbertse et al發(fā)現(xiàn)在從柱頭沿著花柱到子房存在著硼濃度梯度，矮牽?；ǖ幕ǚ酃艹饾舛雀叩姆较蛏L(zhǎng)。硼可能是一種生殖系統(tǒng)的趨化因子，這一理論和高濃度硼一般位于雌花這一現(xiàn)象是相符的?；ǚ凵L(zhǎng)研究的結(jié)果和硼配位細(xì)胞壁聚合物相一致。脂熱穩(wěn)定性研究的結(jié)果表明硼在膜結(jié)構(gòu)和功能中是非常重要的。不管是什么樣的機(jī)制，硼在植物的生殖生長(zhǎng)的作用是非常引人注目的。植物在生殖生長(zhǎng)過(guò)程中普遍對(duì)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(xì)胞壁不同，植物的花粉管壁的組成是相似的?；ǚ叟鹧芯繉?duì)認(rèn)識(shí)硼在生化過(guò)程中作用非常重要。

6 固氮作用

在魚腥草ACC 7199的異型細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)硼對(duì)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(jié)構(gòu)。缺乏硼的異形細(xì)胞的O2狀態(tài)改變意味著缺乏硼的異形細(xì)胞中超氧物歧化酶、過(guò)氧化氫酶和過(guò)氧化物酶活性的提高。異形細(xì)胞在形態(tài)上和功能上都與營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞有很大的不同，異形細(xì)胞能夠進(jìn)行固氮作用因?yàn)樗麄兙S持了一個(gè)還原（低氧）的環(huán)境。異形細(xì)胞中一層由特殊糖脂組成的厚包膜使得其能夠維持一個(gè)低氧的狀態(tài)。這些糖脂不存在于營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞中，因此被認(rèn)為是異形細(xì)胞中的細(xì)胞擴(kuò)散閥門。缺乏這些包膜糖脂的藍(lán)藻突變體在有氧實(shí)驗(yàn)中無(wú)法進(jìn)行固氮。對(duì)異形細(xì)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(shí)內(nèi)，糖脂含量下降了33%并在24小時(shí)內(nèi)僅剩下不足硼充足條件下的1%。這表明硼起到了穩(wěn)定異形細(xì)胞包膜內(nèi)糖脂層的作用從而阻止氧氣的擴(kuò)散。

在一些早期的研究中，Brenchley & Thornotn發(fā)現(xiàn)栽培缺乏硼的蠶豆中導(dǎo)管與結(jié)瘤數(shù)的減少和固氮作用的降低。結(jié)瘤的導(dǎo)管連接減少，結(jié)果許多細(xì)菌變?yōu)轭惥w。作者推測(cè)在缺乏硼的條件下，共生體會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榧纳臓顟B(tài)。在缺乏硼的豌豆結(jié)瘤中，感染的宿主細(xì)胞數(shù)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(xì)胞增大和異形侵染線。植物基質(zhì)糖蛋白與豆科根瘤菌的細(xì)胞表面的連接受到培養(yǎng)緩沖液（incubation buffer）中硼酸鹽的抑制。顯示在無(wú)硼情況下細(xì)胞基質(zhì)糖蛋白的連接會(huì)阻礙細(xì)菌表面和植物細(xì)胞膜多糖-蛋白質(zhì)復(fù)合物的連接。發(fā)育中的大豆根瘤比完全發(fā)育的根瘤對(duì)低硼營(yíng)養(yǎng)更加敏感。幼根瘤的發(fā)育和固氮在移除硼之后會(huì)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(guān)豆根結(jié)節(jié)的研究中，羥基脯氨酸和細(xì)胞壁干重的比例在缺乏硼的結(jié)節(jié)中會(huì)比硼充足的控制組低5倍。富含羥基脯氨酸共價(jià)連接的ENOD2蛋白在缺乏硼的結(jié)節(jié)薄壁細(xì)胞的細(xì)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(xì)胞中均有mRNA存在。細(xì)胞壁中ENOD2缺失和不規(guī)則的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)有關(guān)?？傊?，在無(wú)硼條件下ENOD2蛋白的無(wú)法結(jié)合導(dǎo)致細(xì)胞壁異常因而阻礙了正常的氧氣閥門形成，而氧氣閥保護(hù)了固氮酶復(fù)合物并保證了共生固氮的發(fā)生。

7 硼在植物新陳代謝中的作用

初生細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)和膜功能與硼營(yíng)養(yǎng)緊密相關(guān)。有確鑿的證據(jù)證實(shí)硼與抗壞血酸鹽的代謝有關(guān)。在早期的研究中，兩篇有關(guān)蔬菜作物的報(bào)告非常有趣。Chandler&Miller發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)硼處理的蕪菁甘藍(lán)比未處理的對(duì)照組含有更多的抗壞血酸鹽，并且在經(jīng)過(guò)脫水存儲(chǔ)后，硼處理的植物中較對(duì)照組含有兩倍的抗壞血酸鹽。Mondy&Munshi發(fā)現(xiàn)在栽培后的10到13周對(duì)土豆進(jìn)行葉敷硼砂導(dǎo)致種植后18周收割時(shí)的塊莖中含有顯著多的抗壞血酸鹽。在儲(chǔ)存了6個(gè)月之后，來(lái)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(jī)制是通過(guò)影響質(zhì)膜電子傳遞反應(yīng)。Barrr和其同伴發(fā)現(xiàn)硼瞬時(shí)刺激植物生長(zhǎng)素敏感的質(zhì)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(zhuǎn)移到抗壞血酸自由基。無(wú)硼條件會(huì)抑制這一過(guò)程，并導(dǎo)致缺少還原態(tài)的抗壞血酸鹽。研究中，缺乏硼對(duì)南瓜根伸長(zhǎng)的抑制與根尖抗壞血酸鹽濃度有關(guān)。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(méi)有和硼或生長(zhǎng)相關(guān)的變化。這表明了缺乏硼導(dǎo)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(huán)，但標(biāo)志著根部分生組織抗壞血酸鹽的降低。值得注意的是在無(wú)土栽培培養(yǎng)液中加入壞血酸鹽能夠在無(wú)硼或低硼條件下促進(jìn)根的伸長(zhǎng)。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(zhǎng)過(guò)程的作用。

硼的另一個(gè)作用且和細(xì)胞壁或細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)的方面是生長(zhǎng)素代謝。硼與生長(zhǎng)素會(huì)發(fā)生反應(yīng)已經(jīng)被提出了很久。盡管存在爭(zhēng)議，但對(duì)認(rèn)識(shí)硼在植物中的作用非常重要。過(guò)去有記錄硼流失導(dǎo)致IAA積累并產(chǎn)生毒性，也有IAA流失并缺乏硼的現(xiàn)象發(fā)生。這背后的機(jī)制沒(méi)有得到很好的解釋。1977年，Bochnsack&Albert證實(shí)了在將培養(yǎng)基中硼除去之后的24小時(shí)，IAA氧化率升高而來(lái)20倍。作者將這一升高歸因?yàn)槿狈涸u(píng)的組織中IAA的積累的刺激。但是，Hirsch&Torrey證實(shí)缺乏硼導(dǎo)致的超微結(jié)構(gòu)變化與IAA毒性導(dǎo)致的并不相同。進(jìn)一步，頂端組織缺乏硼的癥狀表現(xiàn)為不變或者降低的IAA水平。

實(shí)驗(yàn)室研究證實(shí)剝奪硼的南瓜根尖有明顯的IAA氧化率增長(zhǎng)，這歸因于硼和IAA氧化酶的輔酶因子、錳和對(duì)香豆酸（p-coumaric acid）的反應(yīng)。曾有記錄用硼進(jìn)行葉面施肥會(huì)導(dǎo)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(jié)節(jié)大豆會(huì)導(dǎo)致處理葉片組織中尿囊酸濃度增長(zhǎng)高達(dá)10倍。在使用錳進(jìn)行預(yù)噴之后，對(duì)硼反應(yīng)引起的尿囊酸積累會(huì)消除或明顯下降。體外實(shí)驗(yàn)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(yíng)養(yǎng)，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(wú)硼生長(zhǎng)條件下的植物中較高。添加錳對(duì)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(huì)導(dǎo)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(guò)程中，離體根尖的IAA氧化酶活性會(huì)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(fù)相關(guān)，而抗壞血酸鹽含量已經(jīng)被證實(shí)依賴于硼素營(yíng)養(yǎng)。在培養(yǎng)液中添加硼會(huì)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(duì)香豆酸濃度下降和monophenolic cofactor活性的降低。盡管IAA內(nèi)源水平還沒(méi)有能夠被完全理解，轉(zhuǎn)基因植物實(shí)驗(yàn)也已經(jīng)對(duì)IAA氧化酶在IAA分解代謝過(guò)程中的重要性提出了挑戰(zhàn)，但我們發(fā)現(xiàn)在根生長(zhǎng)和IAA的氧化分解表現(xiàn)出強(qiáng)烈的負(fù)相關(guān)，這兩者都會(huì)受到硼素營(yíng)養(yǎng)的影響?？傊?，特定組織、缺乏硼、充足硼的植物伸長(zhǎng)區(qū)的細(xì)胞質(zhì)外體中的IAA水平是很重要的指標(biāo)[2]。

8 改善鋁引起的根生長(zhǎng)抑制

鋁在酸性土壤中會(huì)通過(guò)破壞根部結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)而影響植物的生長(zhǎng)。鋁毒性的機(jī)制非常復(fù)雜，目前尚無(wú)全面認(rèn)識(shí)。鋁在土壤溶液和培養(yǎng)基中的毒性形式是Al3+，這種形式在pH為4.0-4.5的范圍內(nèi)非常豐富。鋁一旦進(jìn)入到植物中，它可能會(huì)存在于Al（OH）3的形式，它和硼酸B（OH）3的結(jié)構(gòu)非常類似。

基于高鋁和缺硼植物大多數(shù)處理的細(xì)胞壁、膜功能和根生長(zhǎng)之間分子和癥狀的相似性，有推測(cè)鋁通過(guò)引起硼匱乏進(jìn)而發(fā)揮毒性。實(shí)驗(yàn)室研究發(fā)現(xiàn)：將硼摻入酸性的、高鋁的下層土中能促進(jìn)根部侵入這些土壤中。在溶液培養(yǎng)中，在所有檢查標(biāo)準(zhǔn)，包括根長(zhǎng)度、細(xì)胞伸長(zhǎng)、細(xì)胞生產(chǎn)率、組織和細(xì)胞結(jié)構(gòu)、根部形態(tài)和成熟，超適濃度的硼會(huì)阻止鋁抑制根生長(zhǎng)。這一反應(yīng)僅限非禾本植物，Taylor&MacFie證明硼無(wú)法減輕小麥鋁毒性癥狀。但是，如前所述，禾本科植物的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)和對(duì)硼的需求與雙子葉植物不同，缺乏硼并不會(huì)影響小麥的根生長(zhǎng)。

鋁加入到南瓜生根培養(yǎng)基中會(huì)導(dǎo)致根尖抗壞血酸濃度下降，這和缺硼非常類似。鋁導(dǎo)致的根尖抗壞血酸含量的減少同時(shí)會(huì)抑制根的伸長(zhǎng)。在鋁毒培養(yǎng)基中添加硼會(huì)產(chǎn)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(yíng)養(yǎng)液中的硼濃度負(fù)相關(guān)?？傊芯恐С咒X中毒導(dǎo)致植物缺乏硼假說(shuō)。表明根生長(zhǎng)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(guò)程導(dǎo)致的。

9 分子技術(shù)

分子遺傳學(xué)是研究植物營(yíng)養(yǎng)障礙的有效工具。Noguchi et al研究一種提升了對(duì)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(jìn)行生長(zhǎng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的缺硼癥狀（蓮座葉的擴(kuò)大降低，生育力降低，頂端優(yōu)勢(shì)消失），這些癥狀在超量硼下會(huì)產(chǎn)生相反的癥狀。10B的示蹤試驗(yàn)表明對(duì)硼吸收和/或易位缺失。遺傳圖譜表明bor 1突變與2號(hào)染色體的簡(jiǎn)單序列長(zhǎng)度多態(tài)性（SSLP）標(biāo)記相連。深入研究可能會(huì)獲得更多關(guān)于植物控制硼代謝的基因機(jī)制。

10 結(jié)語(yǔ)

硼對(duì)于植物的生長(zhǎng)發(fā)育是非常重要的，為培育植物提供充足的硼素營(yíng)養(yǎng)具有非常明顯的經(jīng)濟(jì)效益。硼能夠提高水果、蔬菜、堅(jiān)果和谷物的產(chǎn)量，也能夠提高收獲作物的質(zhì)量。在酸性、高鋁的土壤中，增加硼的應(yīng)用能夠促進(jìn)根的伸長(zhǎng)。Joe Varner指出：研究植物需求硼的生物學(xué)是一個(gè)重要領(lǐng)域。分離和分析植物硼-多元醇轉(zhuǎn)運(yùn)分子和果膠RG-II-B復(fù)合物取得的進(jìn)展推動(dòng)了對(duì)于硼移動(dòng)性和細(xì)胞壁中硼化學(xué)的認(rèn)識(shí)。還需要對(duì)硼復(fù)合物與膜上糖脂和/或糖蛋白作用進(jìn)一步認(rèn)識(shí)。有關(guān)硼連接的非原質(zhì)體蛋白和硼對(duì)錳活化酶的作用對(duì)很多代謝過(guò)程都非常重要。對(duì)植物硼需求的分子研究有可能提升對(duì)植物缺硼癥或耐毒性的認(rèn)識(shí)。植物硼素營(yíng)養(yǎng)研究已經(jīng)具有良好的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]Agulhon H. 1910. Présence et utilité du borechezlesvégétaux.Ann.Inst.Pasteur 24：321，29.

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