外源硼诱导细胞扩张和碳水化合物分配，赋予甜菜叶片肉质化与耐盐性

《Plant Physiology and Biochemistry》：Exogenous boron induced cell expansion and carbohydrate allocation, conferring leaf succulence and salt resistance in sugar beet

　　

硼（B）对细胞分裂和扩张至关重要。盐胁迫降低蒸腾作用，从而抑制依赖木质部的硼（B）吸收和叶片生长。盐度、硼和脱落酸（ABA）水平升高对植物水分平衡具有协同影响。然而，外源ABA增强多种植物的耐盐性。迄今为止，硼介导的水分关系改善与盐生甜菜叶片肉质化之间的联系仍不清楚。因此，研究人员阐明了外源硼在NaCl胁迫下膜离子转运蛋白和细胞壁扩张基因的转录表达，以及渗透代谢物和离子稳态。结果表明，外源硼（EB）与外源ABA（EA）共同促进盐生甜菜的叶片扩张。这主要通过硼（¹⁰B）的转运和蔗糖积累，以及蔗糖合成和运输基因（BvSPS1和BvSUT1）的上调而显著增加。随之，BvNCED2和BvZEP等ABA生物合成基因在叶片中的下调伴随着Na⁺转运的减少和Na⁺/K⁺稳态的改善。这与Na⁺内流的减少以及根系中BvNHX8、BvSOS1和BvHKT1;3表达的增加相关。此外，膜离子转运蛋白BvPIP1;1、BvPIP2;2、BvNIP5;1和BvHKT1;3以及质膜H⁺-ATPase BvPM4的表达上调促进了水分平衡和叶片离子运输。这与细胞壁松弛和扩张候选基因伸展蛋白（BvEXPA12和BvEXP26）和木葡聚糖内转糖苷酶（BvXET8和BvXET22）mRNA水平的增加相一致。总之，外源硼赋予叶片肉质化，与外源ABA作用相似，并促进甜菜叶片的耐盐性。

土壤盐渍化是全球灌溉农业日益严峻的环境胁迫因子，应对该胁迫是作物生产面临的重大挑战。高盐土壤引起高渗压并减少水分吸收，导致植物产生渗透胁迫和离子胁迫，进而损害蒸腾作用、光合作用及整体生长。尽管植物具备多种适应性机制来应对过量Na⁺的吸收和积累，但关于细胞扩张如何支持肉质化和甜菜耐盐性的机制仍不明确。甜菜作为需硼植物，硼对其胁迫抗性至关重要。研究人员发现硼能增强渗透调节物质积累、促进叶片硼移动性，从而赋予甜菜抗旱性。然而，盐度与硼、ABA水平之间的协同作用对水分平衡的影响，以及外源硼如何通过改善水分关系来增强叶片肉质化和耐盐性，仍是亟待解决的关键科学问题。

为此，研究人员开展了甜菜外源硼调控叶片肉质化和耐盐性的系统研究。研究选用甜菜品种Beta vulgaris L.（cv. Strube salz 3），采用水培法在气候室中进行控制实验。实验设置对照硼（CK，25.0 μM ¹⁰B）、外源硼（EB，225 μM ¹⁰B）和外源ABA（EA，10 μM ABA）三种处理，并在0和300 mM NaCl条件下培养14天。研究人员测定了植株生长指标（叶片和根系干物质产量、叶面积、根长、相对含水量）、叶片渗透势和光合特性（净光合速率、气孔导度、水分利用效率）、木质部汁液及组织中的元素含量（¹⁰B、Na⁺、K⁺、Ca²⁺）、有机糖组分（葡萄糖、果糖、蔗糖），并通过实时定量PCR分析了ABA生物合成基因（BvNCED2、BvZEP）、水通道蛋白基因（BvNIP5;1、BvPIP1;1、BvPIP2;2）、蔗糖代谢转运基因（BvSPS1、BvSUT1）、离子转运蛋白基因（BvNHX8、BvSOS1、BvHKT1;3）、质膜H⁺-ATPase基因（BvPM1、BvPM4）以及细胞壁松弛相关基因（BvEXPA12、BvEXP26、BvXET8、BvXET22）的相对表达量，最后通过热图和主成分分析（PCA）整合多维度数据。

在植株生长属性方面，EB处理显著促进了盐胁迫下甜菜的叶片和根系干物质积累，分别较CK增加3.2倍和2.2倍；根长增加1.9倍，叶面积增加1.4倍，相对含水量提高1.4倍，且未出现硼毒害症状。EB和EA处理效果类似，均显著优于CK处理。

在叶片渗透势和光合特性方面，盐胁迫下EB处理的叶片渗透势和净光合速率分别较CK提高1.4倍和1.3倍；气孔导度提高7.8倍，水分利用效率更为平衡。CK处理则表现出气孔导度急剧下降和水分利用效率的反常升高。

在硼与离子分布方面，EB处理显著促进¹⁰B从木质部向叶片的转运，木质部汁液、叶片和根系中的¹⁰B浓度分别较CK增加1.8、2.9和3.2倍。同时，EB处理显著降低Na⁺在木质部、叶片和根系中的浓度，Na⁺/K⁺比值分别降低3.7、1.6和3.6倍，K⁺和Ca²⁺浓度显著提高。

在有机渗透调节物质积累方面，盐胁迫下CK处理导致葡萄糖和果糖大量积累，而EB和EA处理则使糖类分配从己糖转向蔗糖，叶片和根系中蔗糖浓度分别提高1.7倍和1.5倍，恢复了非盐条件下的糖代谢模式。

在基因表达调控方面，EB处理显著下调叶片中ABA生物合成基因BvNCED2和BvZEP的表达；上调蔗糖合成基因BvSPS1和蔗糖转运基因BvSUT1的表达；促进水通道蛋白BvNIP5;1、BvPIP2;2及质膜H⁺-ATPase BvPM4的表达；增强根系中Na⁺外排基因BvSOS1、液泡Na⁺/H⁺逆向转运蛋白基因BvNHX8以及高亲和性K⁺转运蛋白基因BvHKT1;3的表达；同时诱导细胞壁松弛基因BvEXPA12、BvEXP26、BvXET8和BvXET22的上调。

热图和主成分分析显示，盐胁迫与非盐条件下样品沿PC1（50.2%方差贡献率）清晰分离，EB处理在PC1正轴上与CK盐胁迫处理明显区分，表明EB促进生长和细胞扩张；PC2（29.8%方差贡献率）则区分EB与EA及CK处理，渗透势、BvNIP5;1、BvSPS1、BvHKT1;3、BvEXPA12和BvPM4为主要影响因子。

在讨论部分，研究人员系统阐述了外源硼促进甜菜耐盐性的多重机制。首先， Pray growth and salt-stress resistance（促进生长和耐盐性）中指出，EB通过增加光合作用和硼转运来缓解NaCl胁迫导致的生长抑制，增加叶片干物质和水分利用效率，这与Thellungiella salsuginea的耐盐机制类似。CK处理因盐胁迫的渗透效应抑制根系生长，减少蒸腾和养分运输，而EB和EA通过提高蔗糖等渗透调节物质水平促进细胞间水分移动、改善根系生长和叶片渗透势。EB还维持气孔功能、避免硼毒害，而CK条件下高Na⁺导致气孔膨压丧失和水分运输受阻。其次，Facilitates water relations and boron uptake by membrane transporters（膜转运蛋白促进水分关系和硼吸收）中，EB和EA通过上调BvNIP5;1、BvPIP1;1和BvPIP2;2改善水分关系和硼吸收，减轻盐胁迫的生长抑制效应。盐胁迫诱导CK处理中BvNCED2和BvZEP的上调，导致水分流动失衡和Na⁺积累，抑制叶片生长；而适浓度EB则避免此负面效应。第三，Na⁺/K⁺ homeostasis and relative gene expression counteract salt stress（Na⁺/K⁺稳态及相关基因表达抵御盐胁迫）中，EB和EA减少Na⁺向叶片的转运，增加K⁺浓度，降低Na⁺/K⁺比值。BvHKT1;3在叶片和根系的上调增强了耐盐机制，促进Na⁺从木质部向薄壁细胞的转移和液泡区隔化；而CK条件下BvHKT1;3、BvNHX8和BvSOS1的下调导致Na⁺大量涌入。第四，Regulation of osmolyte accumulation and related membrane transporters（渗透调节物质积累及相关膜转运蛋白的调控）中，蔗糖作为渗透调节物质防止叶片脱水、维持气孔膨压和离子稳态。EB处理通过BvSPS1促进蔗糖合成、通过BvSUT1促进蔗糖跨膜转运，BvPM4的上调为蔗糖/H⁺共运输提供质子驱动力，形成从源到库的渗透梯度。H⁺-ATPase活性增加还为K⁺主动吸收和Na⁺外排提供动力，促进生长和细胞壁酸化。最后，Cellular expansion and salt resistance（细胞扩张与耐盐性）中，盐胁迫抑制细胞分裂和扩大，而EB通过上调BvEXPA12、BvEXP26促进细胞壁松弛，通过BvXET8、BvXET22增强木葡聚糖-纤维素交联网络的延展性，与较低Na⁺/K⁺比值协同驱动叶片肉质化和生长。这些效应与EA处理类似，表明EB模拟ABA诱导的耐盐韧性。

研究结论部分指出：硼通过木质部向地上部运输，受叶片蒸腾驱动。然而，Na⁺积累增加会阻碍依赖木质部的硼转运，改变叶片水势并抑制生长。尽管如此，硼仍能增强甜菜对干旱和盐胁迫渗透效应的抗性。研究结果表明，水分关系与叶片生长相关，并增强甜菜的耐盐机制。研究人员证明，对甜菜施用外源硼（EB）可限制根系介导的Na⁺吸收及其向叶片的转运。该过程优先利用光合产物如蔗糖作为渗透调节物质，而非Na⁺。因此，外源硼促进水分流动和K⁺内流，从而维持Na⁺/K⁺稳态。这抵消了盐生叶片中硼转运的负面影响，并与细胞壁松弛相关基因（BvEXPA12、BvEXP26）和延展性相关基因（BvXET8、BvXET22）的上调相关。因此，外源硼模拟ABA诱导的耐盐性，触发伴随叶片生长的肉质化现象。该论文发表于《Plant Physiology and Biochemistry》。