硼在植物结构和功能中的作用

黄大明++黄善迎+付一宸++孟航开++张巨功+何大勇

摘 要：研究硼元素在植物中的作用。纯化和识别硼-多元醇运输分子（the first boron-polyol transport molecules）解决了很多有关硼在韧皮部移动性的问题。对来自细胞壁的硼-多糖复合物的分离和特征描述为果糖多聚物的硼交联提供了直接的证据。植物培养液中硼的缺失和恢复实验实现了抑制和恢复质子释放，表明硼参与了膜过程。快速的硼引发的膜功能变化可以归功于硼络合膜成分。硼可能通过将非质体蛋白与细胞壁或膜上的顺式羟基相连接和通过干扰锰依赖的酶催化反应来影响代谢路径。除此之外，硼也被运用在中和铝在双子叶植物根部生长的毒性效应中。由于发现了新的对硼改变需求的拟南芥突变体，开始研究硼营养的分子机理。

关键词：硼；植物；结构；功能；新陈代谢

中图分类号：Q945 文献标识码：A 文章编号：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滤过土壤剖面而无法被植物利用。充足的硼对于农作物的高产和高质量都非常关键。缺硼会导致植物解剖学、生理学和生物化学上的变化，大多数的这些变化都表现出了次级效应。由于缺硼的症状的广泛和快速，测定硼在植物中的主要作用成为了植物营养研究中的一个最重要课题。本文探讨硼在细胞壁中的结构功能，硼在细胞膜中的角色，硼参与的代谢活动。

1 研究历史

1910年，Agulhon记录了多种不同种类的植物含有硼[1]，但是他并没有说明硼是非常基本的元素。接着，Maz′e宣称硼、铝、氟化物和碘是基本的营养元素，但是他的实验技术受到质疑。因此，Warington是第一个给出高等植物需求硼的关键性证明。Warington观察结果是植物持续供应硼，这是对于硼在植物生长过程中功能的一个重要认识。Sommer & Lipman确定了六种非豆科双子叶植物和一种禾本植物：大麦，对于硼的需求。认识到硼是高等植物的基本元素后，结构损伤：如芹菜裂茎病、花椰菜茎腐病、甜菜心腐病和内部黑色斑点、烟草的顶腐、苹果内木栓化和苜蓿黄疸病都被归结为缺硼症。使用硼肥成了多种园艺作物、甜菜和苜蓿生产过程中的一般做法。这一做法使得研究者发现不同种类之间对硼元素的需求是存在非常大的差异，一种植物合适的需求量对于另一种植物可能是有毒的或者是不足的。基于它们对于硼的需求，植物可以被分为三组：禾本科植物：对硼需求最低；其余的单子叶植物和大多数双子叶植物：对硼需求中等；有乳胶的植物：对硼需求最大。Shkolnik提出另一种重要的分类，他依据缺硼症状出现的部位和生长阶段来将单子叶和双子叶植物进行分类。一些缺硼双子叶植物（向日葵、西红柿、南瓜和苜蓿），伴随着分生区退化，根部生长受到迅速抑制；另一些双子叶植物（豌豆、大豆、羽扇豆），生长部位的退化缓慢。一些单子叶植物（玉米、高粱、小米、紫鸭拓草、洋葱）能在无硼条件下，比双子叶植物，更长时间地维持正常的根部生长和营养生长。小型谷物和草（黑麦、燕麦、小麦、猫尾草）可以维持正常的营养生长，并且仅在生殖器官形成阶段出现缺硼症状。在生殖生长阶段对于硼的大量需求是植物中一个非常普遍的特点，这一特点将在另一部分中讨论（见“生殖，花粉管生长和花粉萌发”）。除了维管植物，包括硅藻、一些海洋鞭毛藻类（marine algal flagellates）和蓝藻等依赖异体细胞固氮的植物也需要硼。在人类，Niesen et al认为：硼有利于保持钙，特别是中老年妇女。目前没有发现人类必需硼。Nd2Fe14B是磁化度最高的磁性材料。

2 硼韧皮部移动性和运输分子

在维管植物中，硼随蒸腾流从根部移动并在叶子或茎的生长部位积累。已经有文献表明植物顶端组织的局部浓度导致植物分生组织在代谢过程某些方面对硼依赖的发展演化。在叶中，硼的再易位会受到限制并在质外体中固定。基于这种机制，硼通常被认为是固定在韧皮部。但是，对稳定同位素10B的示踪研究显示：在一些果树中，秋天使用硼进行叶面施肥会临时提高叶片中硼的浓度，在晚秋和冬天硼会移动到树皮。在春天，硼会从树皮移动到花并导致结果增加。这种硼移动需要韧皮部运输。除了果树之外，芸苔属植物、萝卜、菜花和芜菁甘蓝都存在韧皮部运输。Hu & Brown研究了硼在梨属、苹果属和李属的一些种类中的移动性并将它们的韧皮部运输与其运输碳作为多元醇的特点相联系。從二十世纪初期开始，化学家已经利用多元醇，例如甘油和甘露醇，去提升硼酸盐溶液的酸度。这一反应的原理是硼酸盐能与一些二醇和多元醇形成环二元酸脂。Brown和他的合作者从桃花蜜中分离并识别了可溶性山梨醇-硼-山梨醇复合物，从芹菜韧皮部汁液中分离并识别了甘露醇-硼-甘露醇复合物。这是首次在植物中分离并鉴定硼转运分子。Brown还获得了韧皮部中硼的移动运输卫矛醇的证据。这些结果解释了许多植物中硼韧皮部运输的困扰。结论：硼在韧皮部的移动与一些特定植物的糖或多元醇运输分子有关。美国的一种主要作物，大豆，含有大量的多元醇（松醇），并对叶子使用硼有反应。以后，也许韧皮部汁液可以用来进行松醇-硼-松醇复合物的分析。

3 硼在细胞壁结构中的作用

高等植物的初生细胞壁是在植物发育过程中决定细胞形状和大小的很重要因素。可以通过交联细胞壁主要成分、纤维素聚合物和基体聚合物如半纤维素和果胶多糖从而改变细胞壁的机械特性。多年以来，研究者已经观察到初生细胞壁和硼营养有着密切的联系。多达90%的细胞内的硼会被定位到细胞壁部分。硼缺乏的首发症状包括细胞壁和中层组织的异常。近来，与细胞壁糖和/或糖蛋白的羟基形成硼酸盐被认为是胶联细胞壁聚合物的一种机制。硼酸盐胶联可以解释多种硼缺乏或硼中毒植物的特点。能解释缺硼植物叶子脆弱。当植物在最适浓度的硼条件下生长，叶子对于弯折表现出可塑性和弹性。除此之外，由于硼酸盐分子的羟基和聚乙烯醇的羟基导致的滑动性可以解释主细胞壁早期发育的特征。

Loomis&Drust对能够参与到硼酸盐胶联细胞壁聚合物的特殊植物分子进行讨论，硼酸盐和顺二醇在呋喃环上形成最稳定的二元酸脂。植物中化合物形成这一构形受到核糖和芹菜糖的限制。根据Loomis&Durst的文章，形成于多种单子叶和双子叶植物细胞壁的芹菜糖是硼酸盐-胶联细胞壁聚合物的关键糖基元，核苷酸中大量出现的核糖可能和硼毒性的化学过程有关。另一个可能的有关硼酸盐细胞壁桥接的物质是海藻糖。硅藻类和特定的海藻的细胞壁中含有海藻糖，这些植物需要硼。除了禾本科植物之外的高等植物含有细胞壁木葡聚糖和鼠李糖半乳糖醛酸聚糖，这两种物质都含有海藻糖末端。除此之外，一些分泌到质外体的糖蛋白是海藻糖基化的。值得注意：缺乏海藻糖的拟南芥突变体会出现易碎叶片，这是缺硼植物中的症状。

硼含量和果胶紧密相关。1961年，Ginsburg发现强螯合剂EDTA与弱螯合剂（如IAA）混合能够有效地通过移除果胶/蛋白基质进而导致细胞分离，但是硼酸盐缓冲剂能够比其他缓冲剂更久地保持基质完整。Clarkson&Hanson提出通过在果胶形成胶联，硼保护了细胞壁中的钙。Yamanouchi发现缺硼番茄细胞壁含有较少的钙。我们可以假设羟基氢键和硼酸酯的形成可以将聚合物的羧酸基团极为接近并允许钙或镁与聚合物连接。基于不同浓度的硼、镁、和钙的松树细胞培养的复杂生长分析，Teasdale&Richards提出植物细胞壁受体分子在不紧密地连接硼后能够有效地连接钙。镁和钙会竞争性地与受体分子连接。Teasdale&Richard认为：形成于果胶或糖蛋白聚合物上的糖（如芹菜糖或海藻糖）的羟基的硼酸酯为钙或镁在细胞壁上的螯合提供了位点。

在Loomis&Durst提出硼连接细胞壁聚合物的模型后，此时芹菜糖已经被认为是连接硼酸盐的主要糖培基，Matoh et al从崩溃酶处理的萝卜根细胞的细胞壁中分离出了第一个硼-多糖复合物，该复合物的分子量为7.5kDa，其中含有0.232%的硼，52.3%的糖醛酸，17.4%的树胶醛糖，9.8%的鼠李糖，4.9%的半乳糖和0.3%的木糖。高达80%的细胞壁硼都被定位到这种复合物中，11B-NMR分析表明硼以双配体硼酸盐-二醇，BL2，的形式出现。Brown发现在南瓜和番茄的细胞壁中的硼和果胶含量存在着关联。通过他们对14种植物的测量发现糖羰含量、果胶糖和硼含量紧密相关。Kobayashi et al 从萝卜根细胞比中提纯了pectin fraction并从植物中分离了第一个含硼果胶多糖复合物，boron-rhamnogalacturonan-II（RG-II-B）。他们的小组通过从RG-II-B复合物中移除硼之后发现复合物分子量减少了一半，这首次提供了硼酸盐与两个RG-II单体交联的直接证据。接着，Matoh et al发现22种其它植物-包括2种十字花科，3种葫芦科，4种豆科，2中伞形科，2种藜科，2种茄科，2种菊科，1种百合科，1种天南星科，2种石蒜科和3种禾本科-的细胞壁中的RG-II-B复合物。根据这一实验，Matoh et al提出RG-II可能是细胞壁中排他的多糖连接硼。从培养的悬铃木细胞，黄化的豌豆茎和红酒中获得RG-II-B复合物，Neil et al发现硼酸酯定位在二聚RG-II的其中2个3-端连接的芹糖残基的C-2和C-3。作者假设二聚的RG-II-B在双子叶植物、非禾本科的单子叶植物和禾本植物中会与细胞壁果胶基质共价胶联，尽管在禾本种植物中果胶含量比其它种类的植物低很多。Ishii&Matsunaga和Kaneko et al分别从甜菜（一种双子叶植物）的果肉和竹笋（一种单子叶植物）中分离了RG-II-B复合物。实验表明加入锶、铅、镉之后增强二聚体的形成，而钙和镁对于增加二聚体的形成是没有效果。作者认为在正常生理pH值下，快速地由硼酸形成二聚体需要催化剂-例如某种酶的参与。另一些可能与硼酸交联初生细胞壁的物质是富含羟（基）脯氨酸的糖蛋白和富含脯氨酸的蛋白，如伸展蛋白。缺乏硼的豆根结节细胞壁中富含羟（基）脯氨酸的糖蛋白含量特别低。有趣的是，其中一种蛋白（一种叫做ENOD2的早期结瘤素）的mRNA出现在了结节中，显然，这种蛋白并没有被装配到细胞壁结构中去。这和Jackson有关矮牵牛花花粉管生长的研究结果是一致的，在矮牵牛花花粉管中是没有硼的，蛋白被分泌出去而不是装配到管壁因此也就失去了中间媒介。

4 膜和膜相关的反应

硼在植物中的作用不仅是细胞壁结构方面，还有膜功能的快速变化。Pollard et al在玉米根细胞膜中定位了硼，Tanada在绿豆原生质体膜也发现硼。尽管在细胞膜中硼的含量并不是太高，特别是相比于细胞壁而言，但是它们对于离子吸收是非常重要的。蚕豆根部对铷（一种钾的类似物）的吸收在无硼溶液中受到抑制，关键部位在根部10-mm末端部分。蚕豆根对磷的吸收在缺硼条件下十分缓慢，在吸收实验之前1小时对根部用硼预先处理之后，对磷的吸收恢复到正常水平。缺硼的玉米和蚕豆根对磷、氯化物、铷的吸收在往生根培养基中加入硼的20分钟内就恢复到正常水平的40%。在缺硼的向日葵根部对磷的吸收和释放都降低。Goldbach et al證明了胡萝卜和土豆的悬浮培养中，硼缺乏会导致铁氰化物引起的净质子释放减少50%，在60分钟内加入硼，这种抑制就是可逆的。这种硼素效应只有在植物生长素出现的情况下才会发生。因此认为生长素刺激的铁氰化物引起的质子释放是需要硼的。钒酸酯抑制质子释放，表明原生质膜的质子泵是这一过程的关键。事实上，缺硼影响从向日葵根分离出来的微体中的钒酸酯敏感的H+-ATP酶。尽管免疫印迹法显示缺乏硼并不会影响这种酶的数量，但是荧光各向异性显示从缺乏硼和充足硼条件下获得的细胞膜是有差异的。这种差异展现为细胞膜的刚性上升。在其他的研究中，Lawrence et al 的工作显示，缺乏硼的鹰嘴豆根中富含质膜的囊泡的ATP酶活性相较控制组的更低。Obermeyer et al发现百合未萌发花粉粒中硼的积累。

Barr&Crane的工作报道了硼对质膜电子转移反应的影响并表明生长素敏感的质膜NADH氧化酶在缺乏硼的胡萝卜细胞培养中受到了抑制。证明与H+-ATP酶有关的质子分泌同样会受到缺硼的抑制，但并不如铁氰化物刺激的质子释放受到的影响那么严重。这意味着铁氰化物刺激跨膜电子转移，这种电子转移只有在含有硼的时候会和质子释放进行耦合。Barr&Crane的工作还说明了使用添加外源硼酸（有或没有2，4-D）的方法降低细胞硼会导致质膜NADH氧化酶的瞬时积累，这是有记录的最快速的对硼反应。更早一些的Schon et al的文章表明在加入硼的33分钟内向日葵细胞膜会发生明显的超极化。1986年，Morr′e et al展示了有关鉴定生长素敏感的质膜NADH氧化酶作为抗坏血酸自由基氧化还原酶的活性的证据。这一发现支持了JC Brown的一个假设：硼素对于维持质外体还原环境是非常重要的，从而能够支持离子吸收。通过积累NADH氧化酶，硼可能和保持细胞壁或细胞膜表面抗坏血酸盐减少有关。值得质疑的是，NADH氧化酶活性和抗坏血酸盐还植物生长过程有关。

总之，对低硼植物进行硼处理会导致根部细胞膜的超极化，并刺激铁氰化物引来的H+的释放、ATP酶的活性、NADH氧化酶活性和离子转运。尽管这些变化都和膜功能有关，一些研究者推测硼影响的是膜蛋白的物理特性。1977年，Pollard et al认为对于缺硼植物在补充硼之后能够快速恢复ATP酶活性和钾的吸收这一现象可以解释为硼与膜成分的多羟基基团配位的结果。Marchner研究：缺硼的向日葵叶子出会出现钾、蔗糖、酚类物质和氨基酸的流失，认为硼有维持质膜完整的作用，硼通过和质膜成分进行配位从而实现稳定质膜结构的作用。与糖脂或糖蛋白形成氢键或酯类可以轻易地使酶或通道保持一个正确的构形并锚定在膜上。在缺乏硼的植物的细胞膜中存在较少的磷脂和半乳糖脂。

此外，Shkolnik观察到一些酶，通常以潜伏态与细胞膜或细胞壁连接，会在缺硼的情况下释放并变得具有活性。这些酶包括核糖核酸酶、葡萄糖-6-磷酸盐脱氢酶、苯丙氨酸解氨酶、β-葡糖苷酶和多酚氧化酶。在缺乏硼的条件下这些酶的释放会强烈改变植物的新陈代谢活动、消耗RNA和升高酚的合成。多种酚是植物生长的抑制剂，这些酚同时会抑制离子吸收并因此阻滞膜功能。Shkolnik还注意到尽管缺硼反应在双子叶植物中非常常见，但是这一现象没有在禾本的单子叶植物中观察到。这一现象产生了一个问题：禾本植物中的质外体蛋白糖基化是否是不同的，或者说这些蛋白在禾本植物的细胞膜或细胞壁中是不丰富的。

5 生殖，花粉管生长和花粉萌发

硼对于细胞壁构成非常重要。在大多数植物中生殖生长比营养生长需要更大量的硼，对于禾本植物尤其如此。禾本植物中含有最低的细胞壁果胶成分，需要最少的硼维持正常的营养生长，但是在生殖期需要和其他植物一样多的硼。Gauch&Dugger记录了70个参照中硼对花粉萌发，或开花和结果的影响。缺硼会导致玉米的不育和多种单子叶和双子叶植物的花畸形。苜蓿用硼处理增加600%的产种量，相比之下，甘草产量只增加3%。Schmucker发现一种热带睡莲属植物的花粉在1%的葡萄糖中无法发芽，但是能够在柱头提取物中快速发芽。断定柱头提取物中含有硼，发现将硼酸加入1%葡萄糖溶液中能够成为非常有效的萌发培养基。Schmucker认为硼酸与富含羟基的有机分子-例如糖-相连并参与到花粉管的形成过程。

自然条件下，大多数植物种类的花粉粒中硼的含量都比较低，但在花柱、柱头和子房中硼浓度都比较高。Visser的工作显示花粉管的生长需要持续重组的硼供给，Visser推断在花粉管伸长过程中硼会和细胞内的物质发生配位。根据这一研究，Johri&Vasil发现硼对于花粉管伸长比对花粉萌发更为重要。花粉管的快速生长依赖于囊泡持续融合形成的质膜和连续分泌的细胞壁物质。Jackson提出通过含糖残基的硼复合物捕获分泌的花粉蛋白来进行膜和细胞壁的构建。矮牵牛花的花粉中含有多种糖蛋白，植物糖蛋白的低聚糖中含有大量的甘露糖和海藻糖，这两种糖都已知可以和硼形成稳定的酯类物质。Jackson研究了在不同温度下矮牵牛花花粉管生长过程中的蛋白分泌情况，他发现膜油脂的相变方式在培养基中含有硼的情况下是完全不同的，这可能是由于在含有硼的情况下，一大部分的蛋白质会被装配到细胞膜和细胞壁（membrane and wall matrices）中。Jackson也提到花粉管的萌发在超过21℃时会被完全抑制，除非有硼的提供。这一发现很好的解释了硼在热带作物-例如玉米-的生殖生长中为何扮演了非常重要的作用。

Robbertse et al发现在从柱头沿着花柱到子房存在着硼浓度梯度，矮牵牛花的花粉管朝着硼浓度高的方向生长。硼可能是一种生殖系统的趋化因子，这一理论和高浓度硼一般位于雌花这一现象是相符的。花粉生长研究的结果和硼配位细胞壁聚合物相一致。脂热稳定性研究的结果表明硼在膜结构和功能中是非常重要的。不管是什么样的机制，硼在植物的生殖生长的作用是非常引人注目的。植物在生殖生长过程中普遍对硼的大量需求令人瞩目，这表明了植物生殖器官的相似性，和细胞壁不同，植物的花粉管壁的组成是相似的。花粉硼研究对认识硼在生化过程中作用非常重要。

6 固氮作用

在鱼腥草ACC 7199的异型细胞中發现硼对于固氮作用非常重要。在缺乏硼的条件下固氮酶失活曾被解释为氧破坏了固氮酶的结构。缺乏硼的异形细胞的O2状态改变意味着缺乏硼的异形细胞中超氧物歧化酶、过氧化氢酶和过氧化物酶活性的提高。异形细胞在形态上和功能上都与营养细胞有很大的不同，异形细胞能够进行固氮作用因为他们维持了一个还原（低氧）的环境。异形细胞中一层由特殊糖脂组成的厚包膜使得其能够维持一个低氧的状态。这些糖脂不存在于营养细胞中，因此被认为是异形细胞中的细胞扩散阀门。缺乏这些包膜糖脂的蓝藻突变体在有氧实验中无法进行固氮。对异形细胞包膜糖脂的提取和定量分析表明在将硼移除后的6小时内，糖脂含量下降了33%并在24小时内仅剩下不足硼充足条件下的1%。这表明硼起到了稳定异形细胞包膜内糖脂层的作用从而阻止氧气的扩散。

在一些早期的研究中，Brenchley & Thornotn发现栽培缺乏硼的蚕豆中导管与结瘤数的减少和固氮作用的降低。结瘤的导管连接减少，结果许多细菌变为类菌体。作者推测在缺乏硼的条件下，共生体会转变为寄生的状态。在缺乏硼的豌豆结瘤中，感染的宿主细胞数目相较于充足硼的控制组而言要少很多。缺硼植物的宿主细胞增大和异形侵染线。植物基质糖蛋白与豆科根瘤菌的细胞表面的连接受到培养缓冲液（incubation buffer）中硼酸盐的抑制。显示在无硼情况下细胞基质糖蛋白的连接会阻碍细菌表面和植物细胞膜多糖-蛋白质复合物的连接。发育中的大豆根瘤比完全发育的根瘤对低硼营养更加敏感。幼根瘤的发育和固氮在移除硼之后会受到阻碍，但是在大根瘤中的乙炔还原速率仍然保持不变。

在最近有关豆根结节的研究中，羟基脯氨酸和细胞壁干重的比例在缺乏硼的结节中会比硼充足的控制组低5倍。富含羟基脯氨酸共价连接的ENOD2蛋白在缺乏硼的结节薄壁细胞的细胞壁中特别低，尽管RNA印迹法（Northern blot）表明在缺乏硼和硼充足的细胞中均有mRNA存在。细胞壁中ENOD2缺失和不规则的细胞壁结构有关。总之，在无硼条件下ENOD2蛋白的无法结合导致细胞壁异常因而阻碍了正常的氧气阀门形成，而氧气阀保护了固氮酶复合物并保证了共生固氮的发生。

7 硼在植物新陈代谢中的作用

初生细胞壁结构和膜功能与硼营养紧密相关。有确凿的证据证实硼与抗坏血酸盐的代谢有关。在早期的研究中，两篇有关蔬菜作物的报告非常有趣。Chandler&Miller发现经过硼处理的芜菁甘蓝比未处理的对照组含有更多的抗坏血酸盐，并且在经过脱水存储后，硼处理的植物中较对照组含有两倍的抗坏血酸盐。Mondy&Munshi发现在栽培后的10到13周对土豆进行叶敷硼砂导致种植后18周收割时的块茎中含有显著多的抗坏血酸盐。在储存了6个月之后，来自硼处理的块茎褪色程度较低，这是由于硼处理的块茎中含有更低的酚浓度和更高的抗坏血酸盐浓度。

硼提高抗坏血酸盐浓度的其中一种机制是通过影响质膜电子传递反应。Barrr和其同伴发现硼瞬时刺激植物生长素敏感的质膜NADH氧化酶。这种酶（也叫做抗坏血酸盐自由基氧化还原酶）催化电子转移到抗坏血酸自由基。无硼条件会抑制这一过程，并导致缺少还原态的抗坏血酸盐。研究中，缺乏硼对南瓜根伸长的抑制与根尖抗坏血酸盐浓度有关。但是，在抗坏血酸自由基、脱氢抗坏血酸和氧化形式抗坏血酸盐的浓度下没有和硼或生长相关的变化。这表明了缺乏硼导致的抗坏血酸盐浓度的降低至少不能完全归因于硼影响氧化还原循环，但标志着根部分生组织抗坏血酸盐的降低。值得注意的是在无土栽培培养液中加入坏血酸盐能够在无硼或低硼条件下促进根的伸长。这表明附加的抗坏血酸盐能在一定程度上替代在根部生长过程的作用。

硼的另一个作用且和细胞壁或细胞膜结构无关的方面是生长素代谢。硼与生长素会发生反应已经被提出了很久。尽管存在争议，但对认识硼在植物中的作用非常重要。过去有记录硼流失导致IAA积累并产生毒性，也有IAA流失并缺乏硼的现象发生。这背后的机制没有得到很好的解释。1977年，Bochnsack&Albert证实了在将培养基中硼除去之后的24小时，IAA氧化率升高而来20倍。作者将这一升高归因为缺乏恶评的组织中IAA的积累的刺激。但是，Hirsch&Torrey证实缺乏硼导致的超微结构变化与IAA毒性导致的并不相同。进一步，顶端组织缺乏硼的症状表现为不变或者降低的IAA水平。

实验室研究证实剥夺硼的南瓜根尖有明显的IAA氧化率增长，这归因于硼和IAA氧化酶的辅酶因子、锰和对香豆酸（p-coumaric acid）的反应。曾有记录用硼进行叶面施肥会导致薄荷和大豆的叶子锰浓度下降。在大豆叶中，硼抑制了一种锰依赖的酶-尿囊酸酰胺水解酶的活性。硼酸叶敷于田间种植的有结节大豆会导致处理叶片组织中尿囊酸浓度增长高达10倍。在使用锰进行预喷之后，对硼反应引起的尿囊酸积累会消除或明显下降。体外实验中，部分纯化的尿囊酸酰胺水解酶活性反映了孵育液中硼/锰比例。

南瓜跟根尖IAA氧化酶活性依赖于硼素营养，在某种程度上与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，而在无硼生长条件下的植物中较高。添加锰对于缺乏硼的根尖中的IAA氧化酶活性影响很小，而在充足硼植物中会导致活性的大幅度增加，这表明了在含有鹏的条件下需要更多的锰去刺激酶。在孵化过程中，离体根尖的IAA氧化酶活性会受到硼/比例改变的影响。

IAA氧化率也和根尖抗坏血酸盐含量负相关，而抗坏血酸盐含量已经被证实依赖于硼素营养。在培养液中添加硼会抑制缺硼的南瓜根分生组织中的IAA氧化酶活性。抗坏血酸盐抑制IAA氧化酶活性伴随着组织中对香豆酸浓度下降和monophenolic cofactor活性的降低。尽管IAA内源水平还没有能够被完全理解，转基因植物实验也已经对IAA氧化酶在IAA分解代谢过程中的重要性提出了挑战，但我们发现在根生长和IAA的氧化分解表现出强烈的负相关，这两者都会受到硼素营养的影响。总之，特定组织、缺乏硼、充足硼的植物伸长区的细胞质外体中的IAA水平是很重要的指标[2]。

8 改善铝引起的根生长抑制

铝在酸性土壤中会通过破坏根部结构和功能进而影响植物的生长。铝毒性的机制非常复杂，目前尚无全面认识。铝在土壤溶液和培养基中的毒性形式是Al3+，这种形式在pH为4.0-4.5的范围内非常丰富。铝一旦进入到植物中，它可能会存在于Al（OH）3的形式，它和硼酸B（OH）3的结构非常类似。

基于高铝和缺硼植物大多数处理的细胞壁、膜功能和根生长之间分子和症状的相似性，有推測铝通过引起硼匮乏进而发挥毒性。实验室研究发现：将硼掺入酸性的、高铝的下层土中能促进根部侵入这些土壤中。在溶液培养中，在所有检查标准，包括根长度、细胞伸长、细胞生产率、组织和细胞结构、根部形态和成熟，超适浓度的硼会阻止铝抑制根生长。这一反应仅限非禾本植物，Taylor&MacFie证明硼无法减轻小麦铝毒性症状。但是，如前所述，禾本科植物的细胞壁结构和对硼的需求与双子叶植物不同，缺乏硼并不会影响小麦的根生长。

铝加入到南瓜生根培养基中会导致根尖抗坏血酸浓度下降，这和缺硼非常类似。铝导致的根尖抗坏血酸含量的减少同时会抑制根的伸长。在铝毒培养基中添加硼会产生含有较高浓度抗坏血酸的根尖。高铝植物的根尖中IAA氧化酶活性的降低在一定程度上与营养液中的硼浓度负相关。总之，研究支持铝中毒导致植物缺乏硼假说。表明根生长在缺乏硼或铝中毒的条件下是受到抑制，这种抑制作用可能是破坏抗坏血酸盐代谢过程导致的。

9 分子技术

分子遗传学是研究植物营养障碍的有效工具。Noguchi et al研究一种提升了对硼需求的拟南芥（bor1-1）突变体。相比于野生型拟南芥，bor1-1植物在普通的硼浓度下进行生长时会出现严重的缺硼症状（莲座叶的扩大降低，生育力降低，顶端优势消失），这些症状在超量硼下会产生相反的症状。10B的示踪试验表明对硼吸收和/或易位缺失。遗传图谱表明bor 1突变与2号染色体的简单序列长度多态性（SSLP）标记相连。深入研究可能会获得更多关于植物控制硼代谢的基因机制。

10 结语

硼对于植物的生长发育是非常重要的，为培育植物提供充足的硼素营养具有非常明显的经济效益。硼能够提高水果、蔬菜、坚果和谷物的产量，也能够提高收获作物的质量。在酸性、高铝的土壤中，增加硼的应用能够促进根的伸长。Joe Varner指出：研究植物需求硼的生物学是一个重要领域。分离和分析植物硼-多元醇转运分子和果胶RG-II-B复合物取得的进展推动了对于硼移动性和细胞壁中硼化学的认识。还需要对硼复合物与膜上糖脂和/或糖蛋白作用进一步认识。有关硼连接的非原质体蛋白和硼对锰活化酶的作用对很多代谢过程都非常重要。对植物硼需求的分子研究有可能提升对植物缺硼症或耐毒性的认识。植物硼素营养研究已经具有良好的基础。

参考文献

[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.