硼（B）通过增强RG-II二聚化强化甜菜耐盐性的机制探究

《Plant, Cell & Environment》：Rhamnogalacturonan-II Dimerisation Reinforces Salt Resistance in Sugar Beet

这篇研究论文深入揭示了微量元素硼如何通过稳定细胞壁果胶多糖中的鼠李糖半乳糖醛酸聚糖-II（RG-II）二聚体，来增强甜菜在盐胁迫下的抗性。研究发现，充足的硼供应能有效降低Na+/Ca2+比例，维持RG-II二聚化，从而加固细胞壁，并改善植物水分关系和光合作用，最终促进生长。这项工作为理解硼在植物耐盐性中的关键作用提供了直接的细胞壁层面的证据。

　　

引言：土壤盐渍化是全球农业面临的主要非生物胁迫之一，它会干扰植物的离子稳态并损害细胞壁完整性。甜菜（Beta vulgaris L.）作为一种相对耐盐的作物，其耐盐机制，特别是在细胞壁层面，尚不完全清楚。细胞壁是抵御逆境的第一道防线，其果胶网络，尤其是RG-II的二聚化状态，对于维持壁的强度和功能至关重要。硼是RG-II二聚化所必需的微量元素，但其在甜菜盐胁迫下的具体作用机制仍需深入探究。本研究旨在探究硼如何通过调节细胞壁组分（如果胶和阿拉伯半乳聚糖蛋白）来增强甜菜的耐盐性。

材料与方法：研究采用水培法培养甜菜（品种Strube salz 3），在受控气候室中进行。实验设定了两种硼水平：低硼（LB，0.25 μM ¹⁰B）和充足硼（AB，25 μM ¹⁰B）。在培养28天后，对植物施加0或300 mM NaCl的盐胁迫处理，持续14天。研究测量了生物量、叶片面积、蒸腾速率、光合参数（如气孔导度和净光合速率）以及叶片质外体pH值。通过渗透-离心法收集幼叶的质外体和共质体汁液，并使用ICP-MS和ICP-OES分析其中的硼、钠、钾、钙离子浓度。细胞壁组分通过系列提取获得，包括水溶性部分（AE，主要含AGPs）和果胶部分（草酸铵AmOx和碳酸钠Na₂CO₃提取）。利用气相色谱（GC）和比色法分析了单糖和羟脯氨酸（Hyp）含量。使用含有β-葡萄糖基Yariv试剂的琼脂糖凝胶进行径向扩散实验来量化AGPs。通过聚丙烯酰胺凝胶电泳（PAGE）分析了RG-II的单体和二聚体比例。所有数据均进行了统计学分析。

结果：

生长与生理响应：充足硼（AB）供应显著缓解了盐胁迫（300 mM NaCl）对甜菜生长的抑制。与LB处理相比，AB处理的植株在盐胁迫下地上部和根部的干重分别增加了2.7倍和5.4倍，幼叶面积也显著增大。AB处理还降低了盐胁迫下幼叶质外体的pH值，促进了酸生长。在水分子系方面，AB显著提高了盐胁迫下植株的蒸腾水量、蒸腾速率和气孔导度，并维持了更高的净光合速率和叶绿素含量（SPAD值）。这表明硼改善了盐胁迫下的水分状况和光合能力。

离子稳态：盐胁迫显著提高了植物组织中的Na⁺浓度，尤其是在LB处理的植株中。AB处理降低了根部、老叶和幼叶中的Na⁺浓度，并显著降低了Na⁺/K⁺和Na⁺/Ca²⁺的比率，尤其是在幼叶和质外体汁液中。同时，AB提高了组织及汁液中的K⁺和Ca²⁺浓度。这些结果表明，充足的硼有助于维持盐胁迫下的离子平衡，减少Na⁺的毒害并保护Ca²⁺在细胞壁中的功能位点。

阿拉伯半乳聚糖蛋白（AGPs）分析：根系中的AGPs含量远高于叶片。盐胁迫使各器官中的阿拉伯糖（Ara）、半乳糖（Gal）和Hyp含量有轻微下降趋势，表明AGPs含量可能降低。硼的供应水平对AGPs的含量和组成（Ara/Gal比例）没有显著影响。径向凝胶扩散实验也证实，盐胁迫下所有器官的AGP含量有降低趋势，但硼处理未改变这一趋势。主成分分析（PCA）显示盐胁迫与Ara含量存在相关性。

果胶多糖分析：果胶提取物（AmOx和Na₂CO₃部分）的产量在不同处理间无显著差异。通过硅烷化分析发现，盐胁迫使叶片（尤其是幼叶）中的RG-I含量增加，且该效应在AB条件下更为显著。同型半乳糖醛酸（HG）含量在各处理间保持相对稳定。叶片中的阿拉伯糖（Ara）含量在盐胁迫下增加，尤其是在AB条件下，这可能反映了RG-I侧链的改变。碳酸钠提取物中的Hyp（推测与伸展蛋白相关）含量不受盐或硼的影响。

RG-II二聚化分析：PAGE分析显示，在无盐条件下，AB处理略微提高了根和叶中RG-II二聚体的比例。盐胁迫普遍导致RG-II二聚化减少，单体比例增加，这种现象在幼叶中最为明显，其次是老叶和根。重要的是，充足的硼供应（AB）部分逆转了盐胁迫对RG-II二聚化的负面影响：在盐胁迫下，AB处理的幼叶和老叶中二聚体比例高于LB处理。这与AmOx提取物中测得的硼含量趋势一致，AB处理下该组分中的硼含量更高。

讨论：本研究揭示了硼增强甜菜耐盐性的多重机制。充足的硼通过促进蒸腾作用和扩大叶片面积，增强了硼向地上部（尤其是幼叶）的运输和积累。这有助于维持离子稳态，具体表现为降低组织中Na⁺/Ca²⁺比率。关键的发现在于细胞壁层面：盐胁迫会破坏RG-II的二聚化，导致细胞壁软化，而充足的硼能有效缓解这种破坏。硼通过形成硼酸二酯键稳定RG-II二聚体，同时可能通过维持更低的Na⁺/Ca²⁺比例，保护了Ca²⁺介导的果胶“蛋盒”结构，从而共同加固了细胞壁网络。此外，盐胁迫下叶片RG-I和阿拉伯聚糖侧链的增加，可能与细胞壁重塑以适应渗透胁迫有关。虽然AGPs含量受盐胁迫影响而略有下降，但硼对其无直接影响。研究结果表明，硼并非通过影响AGPs，而是主要通过稳定RG-II二聚体和果胶网络来增强细胞壁完整性，这是其赋予甜菜盐胁迫抗性的核心机制。

结论：本研究表明，甜菜的耐盐性与细胞壁的结构修饰密切相关。充足的硼供应通过以下途径增强耐盐性：（1）促进生长并改善水分关系和光合作用；（2）调节离子稳态，特别是在幼叶中降低Na⁺/Ca²⁺比例；（3）稳定细胞壁果胶网络，其关键机制在于维持RG-II的二聚化状态，并增加叶片中RG-I的含量。这些发现强调了硼在维持盐胁迫下细胞壁完整性和植物整体抗逆性中的不可或缺的作用。