赵瑞芬 焦晓燕 杨治平
摘 要：以绿豆为研究对象，利用同位素10B水培盆栽试验，筛选促进绿豆生长的缺硼浓度，探明缺硼绿豆侧芽生长所需硼的来源及叶面供给山梨糖醇和10B对硼在植物体内运输的影响。结果表明：绿豆生长侧芽在0.2 μmol·L-1硼水平下生长最好，侧芽正常生长需要硼供给，侧芽中的硼来源于植物体内硼的再利用，而不是生长介质;供给绿豆成熟叶片涂山梨糖醇和10B溶液时，处理的成熟叶片中的山梨糖醇含量和新生叶片10B的丰度明显增加，山梨糖醇能够与硼结合促进其在植物体内的运输。
关键词：10B;山梨糖醇;运输;绿豆
中图分类号：S522 文献标识码：A DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2020.06.003
Abstract：
With Phaseolus aureus as test material， the hydroponic pot experiment using isotope 10B was used to filter the concentration of boron deficiency that promoted the auxiliary bud growth of Phaseolus aureus， and the source of boron needed for the auxiliary buds growth of the of boron-deficient Phaseolus aureus and effect of the foliar supply of sorbitol and 10B liquid on boron transport in the plant were studied. The results showed that the growth of Phaseolus aureus auxiliary buds grew best while the boron level was 0.2 μmol ·L-1. The normal growth of auxiliary buds required boron supply. The boron in the auxiliary buds originated from the boron reuse in the plant， not the growth medium; the mature leaves of Phaseolus aureus were coated with sorbitol and 10B solution， the sorbitol content in the treated leaves and the abundance of the new leaves 10B increased significantly， sorbitol can be absorbed by Phaseolus aureus and could be combined with boron to promote its transport in plants.
Key words：
10B; sorbitol; transport; Phaseolus aureus
硼是高等植物生长必需的微量元素，在细胞壁形成过程中起着重要的作用，缺硼主要影响农作物籽粒形成和果实产量。在所有的微量元素中，硼缺乏在全世界范围内对作物产量的影响最大[1]，影响缺硼的因素有很多，如干旱、蒸腾、土壤硼水平、作物种类等，而硼在植物体内的难运输和利用率低是也造成植物缺硼的主要原因之一，在缺硼和供硼充足的情况下，95%～98%的硼存在于细胞壁内，硼在细胞壁中与果胶的组成成分鼠李糖半乳糖醛酸聚糖（RG Ⅱ） 以1∶2硼-双羟基结合， 被固定在细胞壁内[2]，阻碍了硼在植物体内的再运输和再利用，所以地上部缺硼症状首先表现在植物顶端和分生组织[3]。硼的运输途径因作物品种的不同而异[4]，对大多数植物来说，通常认为硼只在木质部运输，其运输受蒸腾速率的影响[5];在以含有多元醇碳水化合物（Polyol）为主要光合产物的植物中，硼与这些光合产物结合形成可溶的硼糖化合物，可以在韧皮部中移动而运输至库[6]。已有研究表明缺硼诱导豆科植物侧芽的生长[3，7-8]，侧芽的生长也需要硼的供给[9]，而豆科植物茎节间既不是蒸腾流的末端，也不是以山梨糖醇为主要光合产物的植物;侧芽中的硼来源于生长介质还是其本身体内的再利用还未有定论。山梨糖醇是苹果、梨、桃、樱桃、李和杏等许多蔷薇科植物光合作用的主要最终产物，也是一种渗透调节物质，外源供给植物山梨糖醇可以很快主动运输至韧皮部，并且在韧皮部中很难代谢消耗[10]。研究表明，通过转基因（山梨糖醇-6-磷酸脱氢酶）能提高烟草中的山梨糖醇生产量也能提高烟草对硼的吸收运输和抗硼胁迫能力[11];转山梨糖醇-6-磷酸脱氢酶可促进硼在水稻韧皮部中的运输[12]。
研究成熟组织中硼的再利用对于提高植物抵抗生长介质短暂缺硼能力具有重要意义[13]，本文采用稳定同位素10B示踪，以绿豆为试材进行水培试验探讨侧芽中的硼来源，生长中期叶面施硼同时施山梨糖醇，探明外源山梨糖醇对硼在不以山梨糖醇为主要光合产物的植物体内运输的影响，研究结果对缓解植物在受到土壤低硼胁迫以及干旱、低蒸腾和植物快速生长期及敏感期对硼的需要，提高叶面施硼效果，对农业生产具有重要意义。
1 材料和方法
1.1 试验材料
试验于2007年在山西省农业科学院农业环境与资源研究所培养室中进行。供试植物为绿豆，品种为‘晋引2号， 其中B由H3BO3的形式供给，根据试验目的确定不同的B浓度。Rorsion营养液[14] pH值为6.5。其中含：2 mmol·L-1 Ca（NO3）·4H2O、1 mmol·L-1 MgSO4·H2O、1 mmol·L-1 K2HPO4、68 μmol·L-1 NaFeEDTA·3H2O、9 μmol·L-1 MnSO4·4H2O、0.15 μmol·L-1（NH4）6Mo7O24·4H2O、1.5 μmol·L-1 ZnSO4·7H2O、1.5 μmol·L-1 CuSO4·5H2O。試验全过程用水为超纯水，配置营养液的药品均为优级纯以防硼污染。为了防止硼污染，所有器皿均用稀酸充分清洗后再用蒸馏水冲洗干净。
1.2 试验设计
1.2.1 硼对绿豆植株生长的影响 选取绿豆种子，用5%双氧水（H2O2）对绿豆种子进行表面消毒，然后在蛭石中用二次蒸馏水培养待生长到刚好露出真叶（约4-5 d）时，挑选生长一致、健壮的幼苗移栽到规格为直径×高（13 cm×13 cm）装有不同硼浓度Rorsion营养液的桶中进行培养，每隔3天换1次溶液，培养过程中要对桶进行遮光处理。培养条件为光照时间16 h，白天温度25 ℃，晚上18 ℃，PAR为300 μmol·m-2·s-1，光源为金属卤化物灯。各个处理在生长室的平台上随机排列，同时定期更换位置以保证受光均匀，1桶为1次重复，每桶种植3株。试验设0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，50 μmol·L-16个硼水平，每个处理5次重复。移栽30 d 后调查植株地上部和根系干质量、株高、主根系长度、侧芽数、侧芽生物量。
1.2.2 用10B示踪研究侧芽中硼的来源 同1.2.1，挑选生长一致、健壮的绿豆幼苗移栽到硼浓度为0.2、50 μmol·L-1的营养液中培养，每个处理10个重复，移栽28 d当侧芽萌动时，将2个处理培养液中的普通H3BO3置换成含10B丰度大于97% 的H3BO3，同时将50 μmol·L-1溶液中生长的植株人为去掉顶端优势，以促进侧芽生长;共生长50 d后收获侧芽及顶叶，测定顶叶与侧芽中的10B丰度与全B浓度，并计算植株中的10B浓度。
1.2.3 山梨糖醇对缺硼植株生长的影响及植物对山梨糖醇的吸收 同1.2.1，选用硼浓度为0.2 μmol·L-1，
20个重复，移栽15 d左右即当第一个三复叶长大，第二个三复叶刚露出尖时给绿豆植株第一三复叶均匀涂15 mmol·L-1山梨糖醇和0.1%（v/v）吐温-20（表面活性剂）的混合液，每株涂2.5 ml，对照试验用二次蒸馏水代替山梨糖醇，各处理10个重复。每天涂1次，共涂7 d。涂完后的第二天收获植物新鲜样，测定叶片中山梨糖醇含量。
1.2.4 山梨糖醇对缺硼植株中10B运输的影响 同1.2.3，选用硼浓度为0.2 μmol·L-1，移栽22 d左右即当第一个三复叶长大，第二个三复叶展开，第三个三复叶刚露出尖时，给绿豆植株第一、二个三复叶上涂0.1%（v/v）吐温-20、15 mmol·L-1山梨糖醇和10 mmol·L-1 10B混合液，每株2.5 mL，对照试验用二次蒸馏水代替山梨糖醇，每个处理10个重复。每隔1天涂1次，共涂7次。涂时注意不要污染相邻植株叶片、茎以及培养液，最后一次涂完后的第二天收获绿豆新生的第三复叶及所有新生的叶片，测定新叶中全B浓度与10B丰度，并计算外源10B浓度。
1.3 测定项目及方法
绿豆侧芽及叶片干样经硝酸、磷酸、盐酸和氢氟酸消煮，参照李晓峰等[15]用电感耦合等离子质谱（ICP-MS）测量全B的浓度和10B丰度;参照黄文风和宋铁英[16]的方法并略作修改，其中色谱柱子选用SE-30 10%silicon填充柱，柱温200 ℃，进样口温度为250 ℃，检测器温度250 ℃，载气流量50 mL·min-1，测定新鲜叶片中山梨糖醇的浓度，并计算干叶片中山梨糖醇含量。其中，10B天然丰度及正常B溶液中绿豆植株中10B为19.39%，植物样品中10B浓度=全B浓度×10B丰度，外源10B浓度=（植物样品中10B丰度-19.39%）×植物样品中10B浓度。
1.4 数据处理
采用SPSS15和 Excel进行数据统计分析，并用Duncan新复极差法进行多重比较。
2 结果与分析
2.1 不同硼水平对绿豆生长发育的影响
从绿豆植株形态来看，供硼0.1 μmol·L-1的植株在移栽后的第8 天 首先表现出缺硼。根尖膨大呈淡褐色，主根短，根系呈丛枝状。移栽15 d 左右，0.1，0.2和0.3 μmol·L-1处理植株开始从子叶、第一复叶的叶腋处生长侧芽，植株根系开始木质化，颜色偏淡褐色，0.4，0.5和50 μmol·L-1硼处理则不生长侧芽。收获时，0.1～0.5 μmol·L-1硼处理植株叶片表现不同程度的缺硼症状，主根生长受抑制，叶片变厚，叶色暗绿，节间变短，失去顶端优势，整个植株呈丛枝状;而供硼50 μmol·L-1 的处理植株根系雪白，无缺硼症状，长势最佳。
从绿豆植株生长特性来看（表1），供硼0.1 μmol·L-1处理与0.2 μmol·L-1处理间、0.3 μmol·L-1处理与0.4 μmol·L-1处理间株高、生物量、主根长之间无显著性差异;供硼0.5 μmol·L-1處理与50 μmol·L-1处理间株高、主根长、根冠比之间无显著性差异。供硼50 μmol·L-1时干物质积累最高，显著高于其他处理，其地上部和根系的干物质量分别是供硼0.1 μmol·L-1处理的1.3倍和1.5倍，0.1、0.2、0.3硼水平处理植株地上部干物质的量处理间差异不显著，0.4、0.5硼水平处理植株地上部干物质的量处理间差异不显著;供硼0.5 μmol·L-1和50 μmol·L-1的处理的植株主根长分别达（34.4±0.79） cm和（36.4±2.11） cm，是供硼0.1 μmol·L-1处理的1.4倍，供硼50 μmol·L-1的处理的植株根干重显著高于其他5个硼水平处理，提高硼的浓度明显促进干物质的积累，根冠比随之增加，说明硼的供给有利于干物质在根的分配，缺硼对地上部和根部的生长都产生抑制作用，但对根部的影响更大。
从侧芽生长来看（表2），当移栽15 d左右，0.1，0.2，0.3 μmol·L-1处理植株开始从子叶、第一复叶的叶腋处生长侧芽，供硼0.2 μmol·L-1处理生长侧芽（>1 cm）率最高（58.3%）。供硼0.1 μmol·L-1时，每12株绿豆中有6株生长侧芽，侧芽集中生长在子叶、第一复叶的叶腋处，侧芽长度集中在3.5～8.0 cm
之间;供硼0.2 μmol·L-1处理，12株中有7株生长侧芽，侧芽数最多，侧芽长度集中在3.0～12.0 cm之间，侧芽生长量变异大;供硼0.3 μmol·L-1时，12株中只有2株生长侧芽;0.4，0.5和50 μmol·L-1硼处理在子叶出生长侧芽，但侧芽生长量小，长度小于1 cm，说明当培养液硼水平大于0.4 μmol·L-1不能诱导侧芽生长，硼水平提高有助于植株维持其顶端优势。因此，从本试验中可以认为 0.2 μmol·L-1为诱导侧芽生长和维持侧芽生长的最佳硼浓度。
2.2 侧芽中硼的来源
缺硼（0.2 μmol·L-1）情况下，绿豆生长一段时间，茎生长受到抑制，叶片变脆变厚，叶色变暗;根停止生长，根尖变褐色并坏死，顶端生长受到限制，茎节处开始生长侧芽。在侧芽萌动时转入含相同浓度的10B（丰度>97%）营养液中继续培养，茎节间侧芽继续生长。生长一段时间测定侧芽和顶叶中的全B和10B含量，可以看出（表2）：侧芽中B的浓度与顶叶相比，没有显著变化，分别为（91.43±4.14）mg·kg-1和（105.67±8.08） mg·kg-1，说明侧芽的生长需要硼的补给;侧芽中10B的浓度、外源10B浓度与顶叶相比差异不显著，侧芽和顶叶中10B的丰度接近正常B溶液生长的绿豆叶片中10B的丰度19.39%，表明在绿豆后期生长的侧芽所需的硼来源于植物体内硼的再利用，而不是生长介质。
正常供硼50 μmol·L-1情况下，给植株去顶，茎节处生长侧芽，并且生长量很大，侧芽中B的浓度与顶叶相比，差异显著，顶叶中B的浓度约为侧芽的2倍，这也说明在供硼充足的情况下，硼在木质部中运输并且向蒸腾最旺盛的地方运输;侧芽中10B 的浓度与顶叶相比，差异显著，侧芽中10B的丰度高于顶叶约9.34%，侧芽和顶叶从含10B的介质中吸收的10B占生长所需硼总量的50%左右（表2）。正常供硼情况下去顶生长的侧芽中的10B丰度显著高于缺硼条件下生长的侧芽，和缺硼情况完全不同，硼在木质部中运输至侧芽供其维持生长，这可能是由激素调控的顶端优势和缺硼导致的顶端优势丧失的机理不同造成的。
2.3 山梨糖醇对缺硼植株生长的影响及植物对山梨糖醇的吸收
当绿豆植株开始萌动侧芽时，给缺硼植株成熟叶片（第一三复叶）涂山梨糖醇，收获时从表观及调查的株高、叶面积、侧芽生长情况来看，没有显著变化（结果未给出），测定处理叶片中山梨糖醇含量可以看出（表3），无论是否涂山梨糖醇，叶片中都可以检测到山梨糖醇，但是给植株叶片涂山梨糖醇，显著提高叶片中山梨糖醇的含量，浓度为311.2 mg·kg-1，每千克干重含山梨糖醇1 242.7 mg，约为对照的2倍，说明植株能够很快吸收山梨糖醇并且不会短时间内完成代谢。这可能有2方面原因：一方面，植株缺硼严重，植株代谢受抑制严重，山梨糖醇和硼的化合物运输受到限制，硼不能运输补给植物生长需要;另一方面，山梨糖醇存在于韧皮部中可以与硼结合，但其运输量不能完全满足植株正常生长。
2.4 山梨糖醇对缺硼植株中10B运输的影响
与对照相比（表4），给绿豆植株成熟叶片涂10B同时涂山梨糖醇和表面活性剂吐温-20的混合液，绿豆新叶中的硼浓度提高将近3倍，10B的丰度增加49.66%，叶片中外源10B浓度为23.05 mg·kg-1，外源10B占总10B浓度的65.68%，这说明外源供给植物山梨糖醇，其可以在植物体内与硼结合，从老叶经韧皮部运输到未处理过的新生叶片。
3 结论与讨论
硼在植物木质部中的运输不仅与蒸腾作用有关，与作物品种和生长介质中硼水平也有关，Liu等[17]认为，在低硼环境中植物可以再利用体内部分硼，给柑橘下部老叶涂抹10B，在上部老叶片及新叶中可以检测到10B，这说明硼可以直接或间接从木质部运输到韧皮部。本研究表明，缺硼导致绿豆植株生长侧芽，维持侧芽生长需要硼的供给，用10B跟踪侧芽的硼的来源表明（表3），侧芽中10B的丰度与对照中10B接近，说明供侧芽生长所需的硼不是来源于介质，而是来源于韧皮部硼的再运输和再利用。
当植物开花期受到干旱、寒冷、高湿胁迫时生殖生长常常受到影响，从营养角度来讲，这可能与土壤短暂缺硼不能及时供给生长组织需要有关，而在这些植物体中，硼不易移动，存在于成熟叶片中的硼也不能供给生殖生长，土壤施硼也不能达到即刻效果，因此解决植物体内硼的再运输，促进硼在韧皮部运输是硼肥叶面施用的关键。给含多元糖醇化合物的植物叶片施硼，新生组织中硼的吸收增加，硼可以在植物体内移动，并且在韧皮部运输供新生组织生长，给含多元醇（山梨糖醇、甘露醇，半乳糖醇等）植物如李樹、苹果和梨树叶面施硼，可以矫正缺硼症状，叶片中的硼可以供给花、果实利用[18]，给转基因（山梨糖醇-6-磷酸脱氢酶）植物叶片供硼[8]，效果相同;而给大豆叶片同时供山梨糖醇和10B，山梨糖醇能显著促进叶片对10B的吸收，但对10B在植物体内的分配影响不明显[19]，本研究则表明给绿豆成熟叶片涂山梨糖醇，叶片可以吸收山梨糖醇，并且不会在植株体内快速完成代谢，同时供应10B和山梨糖醇，新生叶片中的10B丰度明显增加，即植物体内的硼可以重新运输到新生组织，进一步说明，山梨糖醇可以促进叶片对硼的吸收，而叶片中硼含量显著增加，与前人结果不同，这可能与供试作物品种和山梨糖醇的浓度有关。外源山梨糖醇对水稻抗盐胁迫具有一定的缓解能力[19]，而硼可以提高植物抵抗盐毒、铝毒[20]胁迫的能力，如果在这些作物需硼关键期，给植物喷施山梨糖醇和硼，那么植物能够有效地克服硼缺乏，预防减产，这将对农业生产工作具有重大意义。
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