硼在植物中的吸收和转运机制研究进展

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]。