全 文 ：植物学通报Chinese Bulletin of Botany 2007, 24 (6): 789-798, www.chinbullbotany.com
收稿日期: 2007-05-11; 接受日期: 2007-07-02
基金项目: 国家自然科学基金(No.30471041)和教育部新世纪优秀人才支持计划(No. NCET-05-0666)
* 通讯作者。E-mail: fangsenxu@mail.hzau.edu.cn
.综述.
植物硼营养研究的重要进展与展望
石磊 1,2, 徐芳森 1,2*
1华中农业大学微量元素研究中心, 武汉 430070; 2华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室, 武汉 430070
摘要 硼是高等植物必需的矿质营养元素, 但是人们对硼行使生理功能及其分子机理的认识远落后于其它必需营养元素。
近几年国际上植物硼营养的研究取得了一些重要的突破。首先是进一步明确了B-RG-II复合物的形成及其影响细胞壁结构和
功能的分子机制, 并且发现B-RG-II的形成及其含量与陆生植物的进化密切相关。其次是在拟南芥中克隆了第一个植物硼转运
子基因 BOR1, 并揭示了它的作用机理; 通过转基因实验证明了植物硼的高效吸收与水通道基因NIP5;1密切相关。进而通过
大量的种质筛选, 从油菜、小麦、大麦及棉花等农作物中获得一批硼高效吸收利用的优异种质材料, 并开展了硼高效QTL定位
和克隆。本文详细综述了以上几个方面的研究进展, 并对进一步的研究做了展望。
关键词 水通道蛋白, 硼, 硼效率, 硼转运子, B-RG-II复合物
石磊, 徐芳森 (2007). 植物硼营养研究的重要进展与展望. 植物学通报 24, 789-798.
早在1923年, Warington就证实硼是植物生长发育
所必需的矿质营养元素。此后, 人们研究发现硼对植物
细胞壁和细胞膜的结构与稳定、碳水化合物的运输、
蛋白质和核酸的代谢、花粉萌发和花粉管的生长等都
有着广泛的影响(陆景陵等, 2003)。但是, 硼既不是酶
的组分, 不以酶的方式参与生理作用, 也没有化学价的变
化, 不参与电子传递, 没有氧化还原能力。由于这些特
性, 人们对硼的生理功能的认识, 大多是间接地从缺硼植
株的生理实验中加以推导和验证。因此, 人们对硼的吸
收、运输和生理功能的认识远落后于其它营养元素。
近几年随着细胞和分子生物学技术以及硼的分析测
试技术等的发展, 植物硼营养的研究取得了突破性的进
展。首先, 进一步证实了硼对细胞壁的结构和稳定性是
必需的(O’Neill et al., 2004), 明确了硼影响花器官发
育和花粉管萌发的分子机理 (Iwai et al., 2006)。其次,
从拟南芥中克隆出第一个植物硼转运子基因(Takano et
al., 2002), 并揭示硼的吸收与水通道蛋白(aquaporin)密
切相关(Takano et al., 2006)。进而, 从农作物中筛选
获得一批硼高效利用的优异种质, 并进行了植物硼高效
利用和耐硼毒的分子生物学机制的初步研究。本文综
述了上述几个方面的研究结果, 并展望了今后的研究重
点 。
1 细胞壁硼-糖复合物
细胞壁是植物生活细胞的重要组成部分, 它的功能几乎
与植物的一切生命活动都有关联。硼主要存在于细胞
壁中, Matoh(1997)发现在烟草愈伤细胞中, 80%以上的
硼与细胞壁中果胶多糖结合。Dannel等(1998)指出, 在
缺硼条件下 , 细胞壁硼可占细胞硼总量的 9 8 %。
Läuchli (2002)认为, 在植物生长过程中, 充足的硼能形
成大小适宜的细胞壁孔隙, 从而调节细胞壁物质前体和
其它大分子(如蛋白质)的转运; 硼缺乏使植物细胞壁孔隙
增大, 破坏细胞壁的构建。
Matoh 等(1993) 首次从萝卜根中分离到一种硼-糖
复合物(BPC), 在生理 pH值范围内, 它相当稳定, 如图
1B所示, 这种复合物普遍存在于高等植物细胞壁中, 它
由 2个鼠李半乳糖醛酸聚糖(rhamnogalacturonan II,
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RG-II)和一个硼酸分子交联形成硼糖二聚体(RG-II-B-
RG-II或 dRG-II-B)(O’Neill et al., 2001)。此外, 在甜
菜和油菜等其它20多个高等植物细胞壁中也检测到硼-
糖复合物。
RG-II最初被从悬浮培养的小无花果树细胞壁中分
离出来, 是一种细胞壁中含量很少且结构复杂的果胶多
糖。随后的研究证实RG-II普遍存在于高等植物初生细
胞壁中, 其分子量为 5-10 kDa, 由 12种不同的糖基以
不同的糖苷键连接形成, 结构如图 1A所示(O’Neill et
al., 2001)。硼与其中含有 2-甲基木糖的侧链(侧链 A)
中的呋喃型芹菜糖残基(apiofuranosyl residue)相互酯化
交联, 而与含有糖醛酸的侧链 (侧链B)中的呋喃型芹菜
糖残基不发生酯化交联(Ishii et al., 1999)。O’Neill 等
(2001)发现, RG-II的糖基构成与植物对硼的需求量有关:
在拟南芥突变体细胞壁的RG-II中, 其侧链A的a-岩藻
糖被a-半乳糖替代, 侧链B的a-邻甲基岩藻糖被a-邻
甲基半乳糖替代, 从而导致突变体比野生型需要更多的
硼来满足其正常生长需求。在目前所有检测到的维管
植物中, RG-II糖基序列是高度保守的。被子植物、裸
子植物和蕨类植物的这种RG-II保守结构是值得注意的,
因为其它果胶结构域, 如HGA和RG-I在单子叶和蕨类
植物中是稀有的。而且, RG-II组成复杂, 至少有 12个
图 1 RG-II的结构示意图(O’Neill et al., 2001)
(A) RG-II的骨架由 1, 4-连接的 a-D-吡喃半乳糖醛酸构成, 且有 4个寡聚糖基侧链与其骨架相连(从侧链 A到 D);
(B) 硼与两分子 RG-II侧链 A中的芹菜糖残基通过硼酸酯键共价结合
Figure 1 The structure of RG-II (O’Neill et al., 2001)
(A) The RG-II backbone is composed of 1, 4-linked a-D-galactopyranosyluronic acid (GalpA) residues. Four oligoglycosyl side
chains (A to D) are attached to the backbone;
(B) Two RG-II molecules are covalently linked by a borate ester that is formed between the apiosyl residues (open circle) in the A
side chain of each RG-II monomer
791石磊等: 植物硼营养研究的重要进展与展望
不同的糖基残基通过20多个糖苷键相互连接。RG-II这
种保守的组织结构对陆生植物的发育是必要的
(Matsunaga et al., 2004)。
RG-II的含量因植物种类而异, 在富含果胶的双子叶
植物、非禾本科单子叶植物和裸子植物的初生细胞壁
中, 其含量为1%-4%, 而在果胶含量较少的禾本科植物
初生细胞壁中, 含量不到 0.1% (O’Neill et al., 1990)。
被子植物对硼的需求与不同基因型植物中细胞壁果胶和
RG-II的含量密切相关(Hu et al., 1996; Matoh, 1997)。
与维管植物细胞壁比较, 苔藓植物配子体细胞壁含 B-
RG-II复合物极少, 这表明维管植物在其类似苔藓植物的
祖先的进化过程中, 其RG-II含量显著增加(Matsunaga
et al., 2004)。因此, 维管植物依赖于硼的生长习性和
B-RG-II复合物的形成可能与其保持直立生长的能力和
形成木质化的次生细胞壁有关。此外, RG-II的含量及
其糖基构成在一定程度上也反映了维管植物细胞壁的进
化过程 (Matsunaga et al., 2004)。
植物RG-II和dRG-II-B的生物合成受基因调控。果
胶葡萄糖醛酸基转移酶(pectin glucuronyltransferase)
是催化RG-II糖链生物合成的一个关键酶。编码该酶的
基因NpGUT1是dRG-II-B合成所必需的, 若NpGUT1
的表达受阻将导致烟草花器官雌雄蕊发育畸形和花粉管
生长停止(Iwai et al., 2006) 。这一研究结果揭示了缺
硼导致棉花“蕾而不花”和油菜“花而不实”等生殖障碍
的分子机理。
2 硼的跨膜吸收和转运
2.1 硼的细胞膜渗透性
硼酸进入根皮细胞可能有两种不同的方式, 通过细胞质
膜磷脂双分子层的扩散或通过通道蛋白进入细胞内部。
质膜磷脂双分子层胆固醇的比例、磷脂头部基团、脂
肪酸碳链的长度和介质中pH值的差异均会导致硼酸渗
透系数的变化, 其变化范围为7×10-6-9.5×10-9 cm.s-1。
利用磷脂双分子层组成不同的拟南芥突变体来研究其组
成对硼吸收的影响发现, 突变体chs1-1的固醇(甾醇)浓
度最低, 其硼吸收比野生型高30%; 而act1-1由于长链
脂肪酸比例的增加, 其硼的吸收量比野生型低35%。磷
脂头部基团的变化对硼酸的渗透性影响较小。细胞膜
组成的差异导致细胞膜硼透性的差异, 影响硼的吸收总
量, 导致不同生态型拟南芥对缺硼反应的差异(Dordas
and Brown, 2000)。
硼酸跨膜的渗透性还依赖于 pH值。生理 pH值范
围内, 溶液中硼主要以未解离的硼酸[B(OH)3]形式存
在。理论上硼酸的膜渗透系数为8×10 -6 cm.s-1, 如此
高的渗透系数使人们认为硼酸跨膜主要以被动扩散为主,
并且可能是唯一的跨膜运输方式。Dordas和 Brown
(2000)利用含有磷脂酰胆碱的人工脂质体膜测定硼酸的
渗透系数为 4.9×10 -6 cm.s-1, 与理论值相似。而从南
瓜(Cucurbita pepo)根分离得到的质膜和缺少囊泡的质
膜, 其硼酸的膜渗透系数分别为3.9×10 -7和2.4×10 -8
cm.s-1 (Dordas et al., 2000)。与此类似, Stangoulis
等(2001)测定轮藻(Chara corallina)节间巨细胞硼酸的膜
渗透系数为 4.4×10-7 cm.s-1。这些数值比 Raven
(1980)的估计值以及Dordas和Brown (2000)采用人工
膜测得的值高出一个数量级。与人工膜相比, 植物细胞
膜硼酸的渗透系数较低, 这意味着当缺硼胁迫时, 植物存
在通过膜蛋白转运硼来满足其对硼需要的途径。
2.2 硼的吸收与水通道蛋白
高等植物细胞质膜、液泡膜上存在着丰富的允许水分
子通过的水通道蛋白。根据水通道蛋白的亚细胞定位
和序列同源性分析, 植物的水通道蛋白被分为4种类型:
(1) PIPs (plasma membrane intrinsic proteins), 定位
于细胞质膜上; (2) TIPs (tonoplast intrinsic proteins),
定位于液泡膜上; (3) NIPs (NOD26-like intrinsic
proteins), Nod26定位于大豆根瘤共生体膜上; (4) SIPs
(small and basic intrinsic proteins), 是一类碱性小分
子量的内在蛋白。其中根据其氨基酸两端的同源性差
异PIP类又可分为3亚类, 即PIP1、PIP2和PIP3(Luu
and Maurel, 2005)。植物在干旱、盐害、寒冷、养
分缺乏、土壤酸化和光照变化等逆境胁迫下, 在一定程
度上均会通过调控水通道蛋白保持器官和细胞水分的平
衡, 以适应胁迫环境。研究表明一些水通道蛋白不仅能
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允许水分子的跨膜运输, 还能介导尿素和甘油等中性分
子透过(Dordas et al., 2000)。
Dordas 等(2001)发现南瓜根原生质膜囊泡的硼渗透
性受到氯化汞和根皮酚 (phloretin, 一种非特异性离子通
道阻遏物)部分抑制(30%-39%)。氯化汞对硼吸收的阻
遏作用可被 2-巯基乙醇解除。并且, 硼被运输进入原
生质膜囊泡需要约42.6 kJ.mol -1的能量。进一步研究
发现, 水通道蛋白PIP1在非洲蟾蛙卵母细胞(Xenopus
laevis oocytes)中的表达导致其硼渗透性增加了30%。
而其它MIPs, 如 PIP3、NLM1和GlpF等则没有这个
功能(Dordas et al., 2000)。这说明, 硼可以部分地通
过水通道蛋白 PIP1进入植物细胞。
Takano等(2006)报道, 水通道基因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。缺硼时, NIP5;1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。NIP5;1促进硼酸的跨膜运输是为快速伸
长的根的细胞壁RG-II二聚体提供硼的一个限制步骤。
低硼胁迫下正在伸长的细胞, 由于其共质体 pH值较
高, NIP5;1吸收的硼酸被部分转化为硼酸根离子 B
(OH)4-, 然后B(OH)4-跨膜与RG-II芹菜糖残基形成
顺式二元醇酯。
2.3 硼转运基因的克隆与功能研究
日本东京大学Fujiwara博士的研究小组于1997年筛选
获得一个高需硼量的拟南芥突变体bor1-1, 在生长介质
的硼浓度为3 µmol.L-1时, 突变体的莲座叶生长受到严
重影响, 而野生型则表现正常。当硼浓度增加到 30
µmol.L-1时, bor1-1的营养生长表现正常, 但在后期出
现“花而不实”的缺硼症状, 而野生型能正常结实。当
硼浓度继续增加到100 µmol.L-1时, 突变体才能正常开
花结实。利用 10B同位素示踪方法研究发现, bor1-1缺
乏将根系吸收的硼运转到地上部的能力, 进一步的研究
表明, 突变体bor1-1受一个隐性基因控制, 其位于拟南
芥第2条染色体的短臂上(Noguchi et al., 1997)。2002
年该研究小组从拟南芥中克隆到第一个硼的转运蛋白基
因BOR1(At2g74160)。BOR1包含12 个外显子, 编码
704个氨基酸, 有 10个跨膜域。在第 2个跨膜域上, 突
变体bor1-1和bor1-2各发生一个碱基的替换, 从而导致
其编码的蛋白质氨基酸发生改变。BOR1基因转化拟
南芥突变体bor1-1后, 在根木质部薄壁细胞中表达, 将
木质部薄壁细胞中的硼转运到木质部导管中, 然后随蒸
腾流输送到地上部供生长发育的需要, 从而使突变体
bor1-1 的生长恢复正常。这说明, 拟南芥硼转运子
BOR1是一个木质部装载的外向型(从共质体到质外体)
硼转运蛋白基因 (Takano et al., 2002, 2005 )。Miwa
等(2006)报道, BOR1增强表达的拟南芥转基因植株在缺
硼胁迫下, 根向地上部转运的硼以及地上部的生物量显
著高于野生型。并且, 缺硼胁迫下, 野生型不能结实, 而
转基因植株结实正常。
硼是植物生长发育所必需的元素, 但是硼过量会对
植物产生毒害。在低硼胁迫时, BOR1正常或超量转录,
翻译形成特异的硼转运蛋白, 促进硼从拟南芥根向地上
部的转运; 但是, 如果重新供应高硼, 几个小时内, 这种
转运就会受到抑制。研究表明, BOR1 mRNA的水平
并不受供硼水平的影响。组成型表达的BOR1-GFP荧
光蛋白在低硼胁迫时提高, 当重新供应高硼, BOR1-GFP
在几个小时内就会降解。这表明, 转录后调控机制在
BOR1积累中起着重要作用。根尖细胞共聚焦显微扫
描显示, 低硼胁迫下, BOR1-GFP位于质膜上; 供硼之
后, 很快就会观察到这些蛋白在降解前位于细胞质中呈
点状结构。利用标记了内吞示踪物FM4-64的荧光蛋白
和内体GTP酶亲和蛋白Ara7与单体红色荧光蛋白的融
合蛋白进行共聚焦研究表明, BOR1蛋白通过核内体从
质膜转移到液泡中而被降解。这些结果表明 BOR1的
内吞和降解受硼水平的调节, 从而控制硼从根向地上部
的运转, 避免高硼时地上部硼累积过量引起毒害, 而低硼
胁迫时, 又能保护地上部不缺硼(Takano et al., 2005)。
现已发现酵母细胞中有3种膜蛋白与硼的吸收、转
运有关, 它们分别是 BOR1、DUR3和 FPS1, 共同调
节着酵母的耐高硼胁迫能力。缺乏 BOR1的酵母可生
活在含 90 mmol.L-1硼酸的介质中, 而缺乏 DUR3或
FPS1时, 酵母耐高硼的能力相对较低 (Nozawa et al.,
793石磊等: 植物硼营养研究的重要进展与展望
2006)。
3 韧皮部硼的移动性
硼从根向地上部的长距离运输只限于木质部, 在韧皮部
中的移动性较小。因此, 与其它矿质养分相比, 植物对
硼吸收和转运的调节极其有限。早期的研究认为, 根系
吸收硼和硼向上运输主要受水分蒸腾作用控制, 硼随蒸
腾流进入组织后很少发生再转移。但是越来越多的研
究表明, 硼在花生、萝卜、花茎甘蓝、芜菁甘蓝、油
菜及棉花等植物中仍具有一定的移动性(Brown and
Shelp, 1997)。Lehto 等(2000)发现, 在苏格兰松树和
挪威云杉体内, 硼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。Konsaeng等(2005)研究了硼在
17种树木韧皮部中的移动性, 发现硼在罗望子、番石
榴和柚木等植物的韧皮部中可以移动, 而在腰果、芒果
和木薯等的韧皮部中却难以移动。韧皮部硼移动性较
高的品种对硼缺乏的抗性相应较强。
高等植物中硼在韧皮部中的移动性同硼与光合作用
初级产物(糖醇)结合形成的复合物的渗透性有很大关
系。在苹果属、梨属和樱桃属植物中, 山梨醇占叶片
光合初级产物的 60%-90%。在云参科和茜草科等科
属的许多植物中, 甘露醇是其主要的光合初级产物, 而半
乳糖醇则是樟科和卫矛科某些植物的光合输出产物
(Brown and Shelp, 1997)。Brown等(1999)发现用苹
果山梨糖醇合成酶基因S6PDH转化烟草后, 转基因植
株提高了山梨糖醇的合成, 促进了硼在韧皮部的运输, 使
成熟组织中的硼能够被再利用, 提高了烟草抗低硼胁迫
的能力。Bellaloui 等(1999)的研究也表明, 调控转基因
烟草体内山梨糖醇的含量可改变植物对硼的吸收与移
动。在水稻中, 硼从成熟叶片向剑叶的重新运输与植株
山梨糖醇的水平有关。在水稻 Taipei 309 野生型植
株、转S6PDH基因植株和转空载体植株中均检测到山
梨糖醇(Bellaloui et al., 2003)。然而, 与对照(野生型
和转空载体植株)比较, 转基因植株的山梨糖醇含量显著
提高, 这表明在水稻中可能存在我们未知的山梨糖醇生
物合成途径。
Matoh和Ochiai (2005)研究发现, 在向日葵中加入
硼(2.8 mmol.m-3, 10B标记) 6小时后, 木质部汁液中的
10B占其总硼量的80%左右, 表明大量新吸收的硼通过
木质部运输到幼嫩部位, 但顶部第1和2片叶中依然有
1/4的硼是6天以前吸收的, 根系组织中2/5的水溶性硼
是最近6天吸收的; 若将植株转入无硼的培养介质, 9天
后老叶中的硼浓度才略微下降, 而新叶中的硼浓度即使
考虑到“稀释效应”也依然有极大幅度的下降, 说明在缺
硼条件下, 向日葵新叶中的硼更容易被移出, 而并非从成
熟组织转移到幼嫩部位。
4 硼高效种质的筛选及其遗传学研究
土壤有效硼的缺乏是世界性问题, 据报道约有80个国家
的132种植物出现缺硼症状, 全世界每年硼肥施用面积
约为 1.5×107 hm2 (Shorrocks, 1997)。当土壤有效硼
缺乏时, 油菜、小麦等主要农作物均生长发育不良, 结
实率显著下降。然而, 植物对硼适宜浓度的范围很窄,
一旦土壤有效硼浓度偏高, 就可能对植物产生毒害。在
少雨的干旱半干旱地区, 如澳大利亚南部、亚洲西部和
非洲北部, 硼随雨水流失较少, 灌溉水中硼的含量也较高,
过量硼毒害也成为限制这些地区农作物, 尤其是禾本科
作物小麦等产量提高的一个重要因素(Gupta et al.,
1995)。
研究表明, 不同植物或同一植物的不同品种在耐低
硼胁迫或硼毒的能力上存在显著的基因型差异。利用
分子生物学原理和技术分离植物硼高效吸收利用或耐硼
毒的基因, 改良农作物营养, 促进农作物高效高产优质和
环境保护, 是目前国际上植物营养学和分子生物学研究
领域中的一个热点。
4.1 油菜和拟南芥
甘蓝型油菜(Brassica napus)一般需硼量较多, 对缺硼
敏感。种植甘蓝型油菜往往因严重缺硼或潜在性缺硼,
不同程度地限制了其产量的提高。油菜对低硼胁迫存
在显著的基因型差异(薛建明等, 1994; 王运华等, 1995;
褚海燕等, 1999; Stangoulis et al., 2000)。徐芳森等
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以甘蓝型油菜硼高效品种特早16、青油10号与硼低效
品种 Bakow杂交, 研究 F1和 F2代的硼利用效率, 发现
硼高效为显性, 受一对主效基因控制(徐芳森等, 1998; Xu
et al., 2002)。进一步利用青油 10号和Bakow杂交获
得的F2群体构建遗传连锁图谱, 检测到1个硼高效QTL
(BE1)和3个微效QTLs, 其中BE1位于第9连锁群(LG9),
解释表型方差为 64.0% (Xu et al., 2001)。Shi等
(2005)分析发现 LG9与国际通用的油菜遗传连锁图谱
N2为同一连锁群。王丽侠等(2002)通过油菜和拟南芥
基因组间的比较作图, 将BE1定位在拟南芥第1条染色
体上两分子标记相距 6.4 cM的一个区段内。这些工作
为 BE1的精细定位提供了更多可利用的生物学信息。
徐芳森等(2003)采用盆栽土培的方法, 以硼的累积
量、植株长势、干重比、千粒重以及株高等为评价指
标, 发现不同拟南芥生态型对缺硼反应存在明显的差
异。拟南芥生态型 Landsberg(Ler)为硼高效生态型,
Columbia(Col-4)为硼低效生态型。韩燕来j进一步观
察由Ler和Col-4为亲本杂交衍生的102个重组自交系
对缺硼反应的差异, 再利用Nottingham拟南芥种质资源
中心发布的拟南芥高密度遗传连锁图谱和分子标记
(NASC; http://nasc.nott.ac.uk), 定位了 4个与硼高效
紧密连锁的 QTLs: AtBE1-1、AtBE1-2、AtBE2和
AtBE5。它们分别位于拟南芥第 1、2和 5染色体上,
解释表型方差分别为 8.8%、23.8%、19.3%和13.3%。
通过甘蓝型油菜和拟南芥比较基因组研究发现, 甘蓝型
油菜硼高效基因BE1所在区间与拟南芥第1染色体上的
硼高效QTL(AtBE1-2)的区段具有共线性, 为同源区段。
我们利用生物芯片技术, 构建了拟南芥耐低硼胁迫
的基因表达图谱, 共检测到差异表达基因 757个, 其中
上调表达的基因393个, 下调表达的基因371个。对已
知功能的差异表达基因进行分析发现, 这些基因主要涉
及代谢、抗非生物胁迫和防御反应、转录调控、细胞
组成、物质运输、信号转导、能量代谢及发育等过
程。分析差异表达基因在拟南芥基因组中的位置发现,
在硼高效QTL (AtBE1-2)区间表达上升2倍以上的基因
有 12个, 表达下降 2倍以上的基因有 13个; 在硼高效
QTLs (AtBE1-1和AtBE2 )区间表达上升2倍以上的基
因分别有 6个和 5个, 表达下降 2倍以上的基因分别有
6个和 3个(待发表资料)。
4.2 小麦和大麦
小麦需硼较少, 一般不易出现缺硼症状。但在1978年,
我国黑龙江省发生过大面积(4×105 hm2)由于缺硼导致
的小麦 “穗而不实 ”。随后, 巴西、印度、泰国、孟
加拉国和尼泊尔等也相继出现了该现象(Shorrocks,
1997)。Rerkasem 和Jamjod(1997)筛选获得硼高效、
中高效、中低效和低效等不同硼效率的小麦基因型。
他们利用以3个代表性品种Bonza(硼低效)、SW41(硼
中低效)和Fang 60(硼高效)为亲本的正反交F1和F2衍
生F2:3家系进行硼高效的遗传研究, 发现硼高效表现为
部分显性遗传。Bonza×SW41和SW41×Fang 60杂交
组合衍生的 F 2 : 3 家系显示为单基因分离规律 ;
Bonza×Fang 60杂交组合衍生的F2:3家系显示为2个基
因分离规律; 在这3个硼效率显著差异的基因型中, 对缺
硼反应的遗传差异可能由Bod1和Bod2两个基因调控
(Jamjod et al., 2004)。Nachiangmai 等(2004)比较了
硼高效品种Fang 60与硼低效品种SW41的硼运输和转
运的差异, 发现Fang 60具有较强的通过木质部将硼从
根系运到叶耳的长距离运输能力, 其叶耳中硼的积累并
不是营养器官中硼的再转运结果。
小麦和大麦对硼毒的忍耐也存在广泛的基因型差
异。Paull等(1991)研究表明, 小麦对硼毒的忍耐为部
分显性遗传, 至少受Bo1、Bo2和Bo3三个主效基因控
制, 它们具有加性效应。Jefferies等(2000)利用耐硼毒
品种 Halberd和中度敏感品种Granbrook杂交培育的
161个DH系所构建的基于RFLP和AFLP标记的遗传
连锁图谱定位了小麦耐硼毒相关性状的染色体区域, 其
中7B和7D染色体区域与叶片硼毒害症状相关; 7B染色
体区域还控制着硼的吸收以减轻硼毒对根系生长抑制的
影响。Jefferies等(1999)利用大麦不耐硼毒品种Clipper
j 韩燕来 (2003). 拟南芥硼营养高效的生理基础和遗传基础研究. 博士论文. 武汉: 华中农业大学. pp. 63-77.
795石磊等: 植物硼营养研究的重要进展与展望
和耐硼毒品种Sahara杂交获得的DH群体所构建的基
于 RFLP标记的遗传连锁图谱定位了大麦(Hordeum
vulgare)耐硼毒相关的4个染色体区域, 其中4H和6H染
色体区域与叶中硼的积累相关; 2H染色体区域与叶片硼
毒症状相关; 3H染色体区域与相对根长相关, 而与硼的
积累无关。
根据上述研究结果, 这些QTL区间的基因很可能编
码外向型硼转运体。Reid (2007)利用功能不清楚的类
似BOR1基因序列与小麦 -大麦附加系杂交, 仅在大麦
5H上定位了一个同源基因。然而, 这并不能排除在上
述大麦基因组 4H和 6H染色体上包含BOR1的同源基
因的可能。相反, 在 4H和 6H染色体上可能具有控制
其它染色体上转运体基因活性和表达的调节基因。另
外, 在酵母中转化小麦和羽扇豆(lupin)的cDNA克隆, 检
测它们对硼毒的忍耐。结果在羽扇豆中获得6个耐硼毒
的克隆, 但是没有一个克隆编码膜蛋白, 也没有一个转化
酵母后表现出硼积累的降低。这些结果似乎表明, 除了
降低细胞内硼的浓度, 可能还存在其它耐硼毒的机制
(Robert, 2007)。
Roessner等(2006)利用GC-MS技术比较了大麦不
耐硼毒品种Clipper和耐硼毒品种Sahara的根和叶组织
苗期的代谢谱。在发育早期(生长 2周), Clipper和Sa-
hara的叶片代谢谱是相似的。仅有的差别在于Sahara
幼叶在没有硼胁迫的情况下检测到多胺和腐胺, 而Clip-
per在硼浓度为 1 000 µmol.L-1时, 生长到第 3周的叶
片中才能检测到该类物质。腐胺属于脂肪族的多胺, 涉
及生物逆境和非生物逆境胁迫反应(Legocka and Kluk,
2005)。并且, 高硼处理后, Sahara叶片的6-蔗果三糖
含量极显著地增加。6-蔗果三糖[O-b-D-fructosyl-(2-6)-
b-D-fructosyl-(2-1)-a-D-GLC]是果聚糖生物合成的中间
产物。果聚糖复合物在禾本科作物逆境胁迫中可能起
着重要作用(Wang et al., 2003)。与对照(5 µmol.L-1
硼)相比, 当提高介质中硼浓度到200和1 000 µmol.L-1
时, Clipper根中代谢物变化的数量和丰富度显著高于
Sahara; 只有用1 000 µmol.L-1硼处理时, 2个品种叶
的代谢物才会出现变化, 这时, 叶片可见坏死的硼毒症
状。并且, 与Sahara相比, 敏感品种Clipper叶尖代谢
物的水平发生显著改变, 这与Clipper从叶的基部到叶
尖硼的积累逐渐增加有关。总体上说, 根和叶代谢产
物的差异显著高于两品种间的差异。但是, 分析的复
合物中没有一个能够充分解释Sahara对硼毒忍耐的细
胞学机制。因此, 在高硼情况下, 耐硼毒品种将硼从根
细胞向外主动转运, 减轻硼的毒害, 可能是较为合理的
一种机制。
4.3 其它作物
此外, 耿明建k通过苗期水培筛选获得棉花硼高效品种
9901和9702及硼低效品种9903和9706。刘鹏等(2001)
应用砂培法从37个优质大豆品种中初步筛选出6个具有
较强抗缺钼和缺硼的基因型。
5 问题与展望
综上所述, 近几年植物硼营养研究明确了硼参与细胞壁
结构和保持细胞壁稳定的机理, 分析了不同硼浓度处理
下大麦代谢谱的变化, 但硼与细胞膜的结构与稳定, 硼与
碳水化合物的运输, 硼与蛋白质、核酸、腐胺、酚类
物质和果聚糖复合物等代谢物关系的生理基础还不清
楚。虽然从拟南芥中克隆出硼转运子基因BOR1, 揭示
了水通道蛋白(如 NIP5;1)与硼吸收利用的关系, 但
BOR1属于一个木质部装载的外向型(从共质体到质外
体)硼转运体, 而低硼胁迫诱导下高亲和硼吸收转运系统
的研究尚未取得突破性的进展。虽然获得一批硼高效
利用和耐硼毒的优异种质, 定位了相关QTLs, 构建了拟
南芥低硼胁迫下的基因表达谱, 但相关的研究工作尚有
待深入和证实。因此, 当前的研究中, 我们可能需要回
答以下几个问题。
在拟南芥基因组中共有 7个与BOR1同源的基因,
它们分别是 At1g15460、At1g74810、At2g47160
(BOR1)、At3g06450、At3g62270、At4g32510 和
k 耿明建 (2003). 不同硼效率棉花品种对缺硼反应差异及其机理研究. 博士论文. 武汉: 华中农业大学. pp. 28-33.
796 植物学通报 24(6) 2007
At5g25430。在甘蓝型油菜中至少有 13个BOR1同源
片段(未发表)。油菜与拟南芥同属于十字花科植物, 2
种植物基因组中编码序列存在着高度的保守性(高达
85%), 拟南芥抗病基因在甘蓝型油菜中具有相似的功能
(Sillito et al., 2000)。拟南芥基因组中 7个 BOR1同
源基因是否具有相同或相似的功能？油菜BOR1同源基
因是否可以作为油菜抗低硼胁迫的候选基因？功能相似
的基因之间是否存在相互作用？植物品种间NIP转运硼
酸是否存在差异？其它作物, 如油菜、小麦、大麦、
水稻、棉花和大豆等是否存在高亲和硼转运系统？研
究分离植物高亲和硼转运系统蛋白基因及其功能表达,
对于揭示植物主动吸收利用硼的分子机制有重要的理论
意义。
许多耐硼毒品种具有将硼泵出共质体的机制, 因此
找到细胞中与硼泵出相关的基因是可能的。无可置疑,
有2条途径可以找到相关基因: 一是发现和验证BOR1
的同源基因; 二是确证和精细定位已知的与硼毒忍耐相
关的QTL区域。与降低硼积累相对应的另外一个机制
是细胞内部对硼的忍耐, 如前面提到的酵母。在植物中,
这种机制并不清楚, 但某些物种确实可能具有这样一种
机制。
21世纪对植物营养学的研究来说是一个充满机遇
的时代, 功能基因组学的产生, 基因芯片技术及模式植物
拟南芥的全基因组测序都将在新的世纪为植物营养遗传
的研究打开全新的局面。借助这些技术和生物信息, 植
物硼营养机理和高效吸收利用土壤硼的分子机制研究将
取得更多的突破。
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Main Progresses in Boron Nutrition Research in Plants
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Lei Shi1, 2, Fangsen Xu1, 2*
1 Microelement Research Centre, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China
2 National Key Laboratory of Crop Genetic Improvement, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China
Abstract Boron (B) is an essential mineral nutrient for higher plants. However, its physiological role in plants and its molecular
mechanism are still not well understood. This paper summarizes substantial progress achieved in recent years and unresolved
questions. The molecular mechanisms of B cross-linking with rhamnogalacturonan II (RG-II) to form B-RG-II complex and its
important role in the development and stability of the cell wall was verified. Moreover, the enhanced formation of B-RG-II seems to
be closely related to the conquering of land during plant evolution. As well, genetic engineering has confirmed that the first B
transporter, BOR1, involved in xylem loading and cloned in Arabidopsis, and NIP5;1, a member of the major intrinsic protein family,
function as a boric acid channel for B uptake and are crucial for plant growth and development under B limitation in Arabidopsis.
Finally, some valuable germplasms for high B-utilization efficiency were screened in rapeseed, wheat, and barley, and the mapping
and cloning of quantitative trait loci for tolerance to B deficiency or B toxicity are in good progress.
Key words aquaporin, boron, boron efficiency, boron transporter, B-RG-II complex
Shi L, Xu FS (2007). Main progresses in boron nutrition research in plants and its prospects. Chin Bull Bot 24, 789-798.
(责任编辑: 白羽红)
* Author for correspondence. E-mail: fangsenxu@mail.hzau.edu.cn