硼在植物中的吸收和转运机制研究进展

刘凯+游艾青

摘要：缺硼和硼毒害对植物生长的影响日趋严重，要解决生产中硼利用的问题，还需要从植物对硼的吸收和利用机制方面入手。着重阐述了硼对植物细胞膜的渗透性、植物对硼的吸收和转运机制、硼相关基因克隆及功能分析、转运系统调控等方面的研究进展，提出了进一步强化对植物硼吸收和转运机制研究的必要性。

关键词：硼；植物；吸收；转运

中图分类号：O613.8+1；Q945.12 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2016）24-6331-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.24.004

硼是植物生长所必需的微量元素，缺硼会导致作物严重减产甚至绝收，但过量的硼也会对植物产生毒害，而且植物对硼含量很敏感，最低、最适、最高硼含量之间变化幅度很小[1]，因此生产中硼肥的使用有很大的局限性。对硼在植物中的生理功能方面研究得较早，但是关于植物对硼的吸收和运输机制的研究在最近几年才有了突破性进展。本文从生理和分子生物学方面阐述了植物对硼的吸收和转运机制，以期为改善和解决生产中缺硼和硼毒害带来的不利影响提供思路。

1 硼的细胞膜渗透性

营养物质从根表面运输到木质部需要穿过凯氏带，至少要进行两次跨膜运输。硼酸的跨膜运输方式有两种，一是通过自由扩散穿过细胞质膜的磷脂双分子层进入细胞内部，二是通过膜上的通道蛋白进入细胞内部。

硼酸对质膜磷脂双分子层的渗透系数会因细胞膜成分产生差异，如胆固醇的比例、磷脂头部的基团、脂肪酸碳链的长度等，其变化范围为7×10-6～9.5×10-9 cm/s[2]。硼酸对细胞质膜的渗透性与pH紧密相关，在生理pH环境下，硼酸主要以未解离的中性硼酸分子[B（OH）3]形式存在。Raven[3]计算得出硼酸对膜的渗透系数的范围在1×10-6～7×10-6 cm/s，如此高的渗透系数使人们在很长一段时间内都认为硼酸的跨膜方式主要是被动扩散。但Dordas等[4]从南瓜根中分离得到了质膜和少囊泡质膜，测定得到其硼酸的膜渗透系数分别为3.9×10-7和2.4×10-8 cm/s。Stangolius等[5]利用轮藻节间巨细胞来测定硼酸的膜渗透系数，结果为4.4×10-7 cm/s。这些数值比Raven[3]计算的渗透系数范围以及Dordas等[2]用人工膜测得的数值要低出一个数量级。与人工膜相比，硼酸对植物细胞膜的渗透系数较低，这意味着仅靠硼酸的被动扩散可能满足不了植物对硼的需求，尤其是在缺硼胁迫情况下，因此还需要有更高效的硼吸收系统来满足低硼条件下植物对硼的需求。

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胶体或颗粒表面的缓效硼。植物对土壤中硼的吸收效率主要由土壤溶液中的硼浓度和植物对水的吸收速率来决定[6]。很长一段时间内人们都认为植物对硼的吸收都是靠被动吸收，但这没法解释有些植物在同样环境下对硼的吸收表现出巨大的差异[7]，说明植物对硼的吸收还可能存在着其他方式。生理研究发现低硼条件下向日葵能进行硼的逆浓度差运输[8]，说明植物对硼存在着主动吸收的方式。近年来越来越多的研究表明植物对硼的吸收主要存在着3种方式：即通过与磷脂双分子层融合进入细胞的被动扩散；借助膜上MIPs（Major Intrinsic Proteins）协助的易化吸收；消耗能量利用转运蛋白的主动运输。其中前两者为顺浓度差的被动吸收，后者为逆浓度差的主动吸收。

2.1 高硼条件下硼的被动吸收

Brown等[9]对番茄细胞和向日葵根以及南瓜根用100 μmol/L硼同位素（11B）进行组织培养发现在根中硼的吸收与外界硼浓度在很大范围内是呈线性关系的。且外界温度会影响番茄细胞对硼的吸收，但在低温（2 ℃）和高温（47 ℃）时硼的吸收没有停止。说明在高硼条件下，硼通过被动运输进入细胞，即使通道蛋白的活性受到低溫抑制，硼还是能够通过自由扩散进入细胞。

高等植物细胞存在着丰富的允许水分子和小分子通过的水通道蛋白，MIPs蛋白[10]。根据亚细胞定位和序列同源性分析，MIPs蛋白家族又可以分为4个亚家族：液泡膜内在蛋白（the tonoplast intrinsic proteins，TIPs）；质膜内在蛋白（the plasma membrane intrinsic proteins，PIPs）；一类碱性小分子的内在蛋白（small and basic intrinsic proteins，SIPs）；与大豆NOD26蛋白同源的类NOD26蛋白（the NOD26-like intrinsic proteins，NIPs），NOD26定位于大豆根瘤共生体膜上[11，12]。对MIPs蛋白介导硼酸的跨膜转运的研究在最近十来年取得了很大的进展，目前已证明了MIPs蛋白家族中的部分蛋白参与了硼的易化吸收，还有部分MIPs蛋白参与了硼的主动吸收。

氯化汞可以抑制部分MIPs蛋白的跨膜转运过程。在离体南瓜根中分离得到的质膜小泡，向其中添加氯化汞后，检测发现硼的跨膜转运系数降低了57%[4]。将植物和细菌中可以转运硼酸和水的MIPs蛋白转入非洲爪蟾卵母细胞（Xenopus laevis oocyte），结果显示在爪蟾卵母细胞中，来自玉米的PIP1使其对硼的吸收增强了30%，而没有对水的吸收能力；来自玉米的PIP3对硼吸收没有效果，但使爪蟾卵母细胞对水的跨膜转运增强了7倍；来自拟南芥NLM1对硼吸收没有效果，但使爪蟾卵母细胞对水的跨膜转运增强了5倍[2]。这些结果可以说明部分MIPs蛋白具有促进硼吸收的功能，但不是所有的MIPs都能作为硼的通道蛋白。

2.2 低硼条件下硼的主动吸收

Dannel等[8]首次提出了依赖能量消耗的高亲和性硼吸收系统，分别用含有1和100 μmol/L的硼营养液培养向日葵的愈伤组织，然后测定其根原生质体中硼的含量，结果分别为22 μmol/L和65 μmol/L。这表明在低浓度硼的环境中，植物体内存在一个产生逆浓度梯度的吸收机制，以此来适应低硼的极端环境；而在高浓度硼的环境中，植物体内存在的是顺浓度梯度的被动吸收机制。而随后将含1 μmol/L硼的营养液换成含100 μmol/L的硼营养液继续培养3 h，根原生质体中的硼含量显著升高，达到150 μmol/L，这说明低硼诱导后短时间的正常硼浓度处理不能完全解除植物对硼的高亲和吸收机制。但正常硼浓度（100 μmol/L）供应24 h后这种高亲和吸收机制受到抑制，因为在此硼浓度条件下，向日葵对硼的被动吸收机制完全可以满足需求[13，14]。因此，可以推断在向日葵体内存在着一个受外界硼浓度调节的高亲和吸收机制。而且，这种硼的高亲和吸收系统会因为物理手段（降低根部温度）和化学方法（添加二硝基酚）对植物硼的新陈代谢的抑制而受到抑制，这暗示着细胞内部与外界环境之间所建立的这种硼浓度梯度依赖于新陈代谢产生的能量[14]。为了确定这个结果，Dannel等[15]通过同位素示踪技术研究表明向日葵在正常浓度硼环境中完全可以通过被动吸收获得生长需要的硼，在低浓度硼环境下植物会诱导产生一个硼的高亲和吸收系统，而且该系统对硼的饱和吸收能力以及它对能量的依赖性，表明其实质可能是关于硼主动运输的跨膜转运蛋白[16]。

拟南芥中的AtNIP5；1是低硼条件下对硼高效吸收的跨膜转运蛋白。AtNIP5；1主要在拟南芥根的外皮层、皮层和内皮层中表达，且极端的表达在内皮层的外侧。众所周知，拟南芥根的内皮层上有凯氏带，可以防止水和小分子自由穿梭进中柱中。AtNIP5；1蛋白的主要功能是在低硼条件下高效地将细胞外的硼吸收到细胞内，包括内皮层细胞，从而满足拟南芥对硼的需求。缺硼时，AtNIP5；1基因在拟南芥根尖伸长区和根毛区增强表达，促进根系对硼的高效吸收，而2个T-DNA插入突变体nip5；1则表现为对硼的吸收下降，地上部和根的生长受抑制。基因NIP5；1的表达是低硼条件下拟南芥硼的高效吸收和植株生长所必需的[17，18]。

3 硼的运输

在植物生长过程中，矿质营养元素的长距离运输发生在木质部和韧皮部的维管系统中，水是运输介质。在运输过程中，营养物质通过细胞间的交换而在木质部与韧皮部之间进行穿梭，甚至在它们之间可能会有非新陈代谢营养物质的直接交换[19，20]

3.1 硼在木质部中的运输

木质部是硼向上运输的主要通道[21]。在维管植物中硼通过木质部的管道从根部向茎部运输。硼吸收从根表面进入植物根的原生质体中，需要进行跨膜转运；而硼的木质部运输是从原生质体向木质部导管转运，也需要进行跨膜运输[22]。对于木质部的运输机制，也分高硼和低硼两种情况进行讨论。

用含有100 μmol/L的硼营养液浇灌向日葵，然后测定其木质部流出液中的硼含量，结果显示硼的浓度范围在43～70 μmol/L之间。另外，还用了一系列含有不同浓度硼的营养液浇灌向日葵，然后测定不同组织中硼的含量，结果显示木质部流出液中的硼含量分别只有营养液和根细胞液中硼含量的50%[13-15]。Shelp等[23]在椰菜中的测定结果表明木质部流出液中的硼浓度只有营养液的43%，支持了以上结果；而且还计算得出在蒸腾作用下，木质部流出液中的硼浓度是木质部体液中硼浓度的10倍，这说明蒸腾作用促使木质部中的水流量增加，从而将木质部体液中的硼运输至导管，降低了木质部体液中的硼浓度，表明硼能随蒸腾流被动运输。由以上结果可以总结出，在硼充足条件下，硼在植物木质部中的运输可以用被动运输模式解释。

Dannel等[15]用含有1 μmol/L的硼营养液浇灌向日葵，不仅在营养液与根原生质体之间发现了硼的逆浓度梯度，而且在根原生质体与木质部流出液之间也存在这种逆浓度梯度。这种浓度差是植物由低浓度硼诱导产生的，它显示出了吸收饱和特性，需要依赖新陈代谢产生的能量。而Shelp等[23]也证明在白羽扇豆中存在营养液（硼浓度为30 μmol/L）与木质部流出液（硼浓度为67.5～83.2 μmol/L）之间的硼浓度梯度。因此可以推测在木质部运输过程中也存在着类似硼吸收高亲和跨膜系统的转运机制，将细胞膜内的硼向膜外转运[22]。

1997年Noguchi等[24]介绍了一个硼利用率低的拟南芥突变体bor1-1，测定发现它茎中的硼含量比野生型要低，在低浓度硼条件下尤为显著。硼供应充足条件下，野生型每个部位中的硼浓度都很接近；在低浓度硼条件下，野生型擬南芥木质部流出液中的硼浓度是根细胞液中的3～4倍。在硼供应充足条件下，野生型与突变体之间的硼含量很相似；而在低浓度硼供应时，突变体bor1-1的茎、木质部流出液和根细胞液中的硼含量分别是野生型的25%﹑30%和65%[25]。总的来说，这些结果表明拟南芥在低浓度硼供应时，也存在将硼从根部向茎部运输的机制，与向日葵一致[15]。bor1-1突变体可能在硼的运输积累机制上存在缺陷，利用含3 μmol/L的硼培养基对bor1-1植株和野生型进行培养，bor1-1植株则会表现出各种缺硼表型，而野生型生长正常[25]。这也证明了高亲和跨膜转运系统对低硼条件下的植物生长的重要性。最终利用bor1-1突变体对AtBOR1基因进行了克隆和功能分析，发现AtBOR1是一个硼的高效转运蛋白，定位在拟南芥内皮层的内侧和木质部薄壁细胞中，主要功能是将内皮层或木质部薄壁细胞中的硼转运到木质部导管中[26]。在水稻中也成功克隆了与木质部装载相关的基因OsBOR1[27]，与AtBOR1的功能相似。与拟南芥不同的是，水稻中有两条凯氏带，一条位于外皮层，一条位于内皮层[28]。通过分子生物学实验发现OsBOR1主要在外皮层和内皮层这两种细胞中表达，具有硼吸收和运输的功能。

3.2 硼在韧皮部中的运输

硼在韧皮部中的移动性不高，因此木质部是硼从根向地上部长距离运输的惟一途径。早期的研究认为，根系吸收硼和硼的向上运输主要受蒸腾作用控制，硼随蒸腾流进入组织后很少发生再转移[29]。因此，当出现硼缺少时首先受到伤害的是植物的幼嫩部分；而硼过量时最先受到伤害的是成熟的组织。研究发现在大部分植物中，当硼缺乏时受到伤害的首先是幼嫩的部分；但在一些物种中，例如桃、杏、苹果和李子等，在硼缺少时，植物体中的硼还可以相对均匀的分布，甚至其幼叶中的硼浓度还高于老叶[1，29-31]，而这种现象用依赖于蒸腾流的硼分配原理解释不了。对这些物种进行分析发现它们都能产生大量的糖醇，包括山梨醇和甘露醇，它们可以将光合作用的产物转移到韧皮部。因为糖醇含有丰富的顺式羟基，可以和硼酸结合，因此，推测硼酸可以被糖醇结合运到韧皮部。通过对芹菜韧皮部汁液中硼复合物的含量进行测定，发现硼与果糖、山梨醇和甘露醇形成了稳定的复合物[1]。因此能产生大量糖醇的植物对硼的缺乏都表现出一定的抗性。而且山梨醇合成酶基因过表达的转基因烟草对缺硼环境的适应性比野生型的好，这是因为转基因植物通过韧皮部转移硼的能力得到了增强[32]。Lehto等[33]在苏格兰松树和挪威云杉体内发现，硼可以与松醇或甘露醇形成复合物，经韧皮部从地上部运输到根系。这些结果证明了硼可以与糖醇结合进行韧皮部运输，但是目前只在植物中发现了这种现象。

一些研究结果证明，在一些不产生糖醇的植物中硼也可以有效地向幼嫩的组织转移，例如：拟南芥、蓖麻、向日葵。这种转运形式只有在硼缺乏的条件下才可以检测到，可能有硼的通道或转运蛋白参与了这个过程[5，25，34，35]。Tanaka等[36]报道拟南芥中的AtNIP6；1就是这样一个转运蛋白。AtNIP6；1基因主要在拟南芥地上部分的节部位表达，特别是在韧皮部。低硼条件下，野生型正常生长，老组织中的硼含量下降；而AtNIP6；1基因的缺失突变体生长受到抑制，幼嫩组织中硼的含量下降。这些结果说明，硼酸转运蛋白AtNIP6；1参与硼在植物体中的分布，通过韧皮部运输将老组织中的硼输送到其他组织，特别是优先向生长发育中的幼嫩组织运输。

4 与硼相关的基因的克隆及功能分析

目前已经克隆的关于硼的基因主要分为两类：BORs家族和NIPs家族。其中最先被克隆的是拟南芥中的AtBOR1。AtBOR1蛋白定位在根的内皮层内侧和中柱最外层细胞的质膜上，功能是在低硼条件下将硼转运到木质部导管中，随蒸腾流运输到地上部分，供应植物生长发育所需要的硼。AtBOR1在酵母中表达后能够降低细胞内的硼酸浓度，说明AtBOR1是一个硼酸的外向转运蛋白。AtBOR1是受转录后调控的，在缺硼条件下，AtBOR1蛋白在质膜中积累；而在正常或者高硼情况下，AtBOR1蛋白通过内吞作用运输到液泡中降解，这种精确的调控方式有助于植物在外界硼含量变化时保持体内硼的稳态[26，37，38]。AtBOR1在拟南芥基因组中共有7个同源的基因，其中AtBOR2编码的也是硼的外排转运蛋白，定位在质膜上，在侧根的根冠和根伸长区的表皮上有很强的表达，AtBOR2的功能是在低硼条件下将共质体中的硼外排到质外体中，以满足根细胞伸长过程中细胞壁形成成分RhamnogalacturonanⅡ交联所需要的硼[39，40]。AtBOR4蛋白也是硼的外排蛋白，定位在根伸长区表皮细胞质膜的外侧，功能是在高硼毒害的情况下将植物体内的硼转运到外界，从而提高植物对高硼毒害的抗性。在高硼处理下，AtBOR4的表达升高，AtBOR4基因的过表达植株比野生型植株对高硼毒害的抗性明显提高[41]。在水稻基因组中含有4个BOR1的同源基因，其中OsBOR1同样编码外向硼转运蛋白，参与硼的吸收及向木质部的运输[27]。OsBOR4蛋白也表现出外排硼的活性，并且特异地高水平地在花粉中表达，对花粉的正常萌发和花粉管伸长有重要意义[42]。最近，在玉米中报道了一个硼转运蛋白RTE，与拟南芥的BOR1直系同源，具有硼的外排活性，在营养器官和生殖器官的木质部周围高水平表达，对玉米的正常生长，尤其是生殖生长具有重要意义[43]。

NIPs家族，是MIP家族的亚家族，为植物中特有。大豆中的NOD26是这个亚家族中的第一个成员，它定位在大豆根瘤的共生质膜上，可以转运甲酰胺、甘油、氨和少量的水[44-47]。NIP亚家族又可以分成2种ar/R类型（Ⅰ和Ⅱ），这与转运的选择性有关。Ⅰ型与NOD26相似，NIPⅡ型在ar/R结构域部位比Ⅰ型有更大的孔直径，这些不同影响了它们的转运选择性。拟南芥中的AtNIP5；1是NIPs家族中最先被克隆的硼通道蛋白，属于Ⅱ型。AtNIP5；1蛋白定位在质膜上，在爪蟾卵母细胞中表达后可以快速地把培养液中的硼酸转入细胞内，而转运水的量很少，表明AtNIP5；1是一个向细胞内转运硼酸的转运蛋白。AtNIP5；1在根的表皮、皮层和内皮层细胞中都有表达，主要参与把根表面的硼吸收到根内。在低硼的条件下，AtNIP5；1缺失突变体的生长受到抑制，体内硼的含量下降。在拟南芥中，AtNIP5；1主要通过转录后的调控来调节根部对硼的吸收[17，18，38]。另外，拟南芥中的AtNIP6；1编码的也是硼酸转运蛋白，在硼缺乏的情况下表达量升高，但其表达部位是地上部分，而不是在根部。AtNIP6；1主要在地上部分的节间中表达，尤其是在韧皮部，其蛋白对硼酸有很高的转运活性，但没有转运水的功能。低硼条件下，野生型正常生长，老组织中的硼含量下降；而AtNIP6；1基因的缺失突变体则生长受到抑制，幼嫩组织中硼的含量下降。这些结果说明，硼酸转运蛋白AtNIP6；1参与硼在植物体中的分布，特别是优先向生长发育中的幼嫩组织运输，对低硼条件下幼嫩组织的生长有重要意义[36]。NIP家族在拟南芥中一共有9个成员，另一个成员AtNIP7；1特异地在幼嫩花芽中发育着的花药组织中表达，特别是在花粉粒发育的第9-11阶段，具有极低的向内转运硼的活性[48]。玉米中的硼通道蛋白TLS1也属于NIPs家族，为ZmNIP3；1，与拟南芥的AtNIP5；1直系同源，对低硼条件下玉米的正常生长起关键作用[49]。另外，NIP家族的其他成员也可能具有转运硼酸的活性。OsNIP3；1具有吸收和转运硼的活性，定位在細胞质膜上，在根的外皮层和叶枕中有较高水平的表达，参与了硼在地下的吸收和地上部分的转运，其转录活性受硼浓度调节，其对硼浓度敏感的部位为5'-UTR，在低硼条件下表达上调，对水稻在低硼条件下的正常生长具有重要意义[50，51]。水稻中的OsNIP2；1是植物中第一个被报道的硅转运蛋白，研究发现它同时还具有运输尿素和硼酸的能力，而且加入等量的尿素后不会影响其转运硅酸的能力，但加入等量硼酸后其转运硅酸的能力有轻微下降，因此OsNIP2；1可能具有转运硼的能力[28，52]。

另外，植物中还有一些其他的基因参与硼的转运。WRKY6是拟南芥中一个由低硼介导的转录因子。低硼条件下其启动子活性在根尖被诱导，对低硼条件下根的正常生长具有重要意义[53]。AtTIP5；1也是拟南芥中的一个水通道基因，属于TIPs蛋白亚家族，定位在液泡膜上。AtTIP5；1的过表达转基因植株显著地增加了对硼毒害的耐性[54]。OsPIP2；4和OsPIP2；7与硼的渗透性和耐性有关，在高硼条件下OsPIP2；4和OsPIP2；7的表达水平在地上部分下调，但在根中显著上调。OsPIP2；4和OsPIP2；7参与水稻中硼的运输，能排除根和地上组织中多余的硼而提高水稻对高硼毒害的抗性[55]。

5 展望

随着有机肥料使用的减少和化肥使用的增加，使得缺硼和硼毒害对作物产生危害的形势越来越严峻。当土壤有效硼缺乏时，油菜、小麦、水稻等主要农作物均出现生长发育不良，结实率显著下降甚至绝收。对于缺硼土壤，最常见的解决办法是施肥。但植物对硼的适宜浓度范围很窄，一旦土壤有效硼浓度偏高，就可能对植物产生毒害，因此硼肥的施用有很大的局限性。对于高硼土壤，灌溉水中硼的含量也较高，在这些地区过量硼毒害是限制农作物产量提高的一个重要因素。因此，研究植物对硼的吸收和转运机制就显得尤为重要，在对这些机制了解之后，可以通过生物学手段提高植物对硼的耐受能力。例如增加植物中的糖醇含量，可以增加硼的移动性，提高植物对硼缺乏的抗性[32，56]；在拟南芥中过表达AtBOR1可以提高植株对低硼的耐性[57]；过表达AtBOR4基因可以提高植株对高硼毒害的抗性[41]。这些研究结果可以为提高作物对硼的耐受性提供借鉴途径。

目前在大田作物中关于硼吸收和转运分子机制的研究还相当少，加强此方面的深入研究将有助于作物硼吸收和转运机制的阐明和耐低硼、抗高硼作物品种的选育及对大田硼肥的施用进行针对性的指导，对大田生产具有重要意义。

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