不同柑橘砧木對(duì)缺硼的響應(yīng)差異及結(jié)構(gòu)變化與代謝機(jī)制.pdf

1、硼是植物必需的微量營養(yǎng)元素之一，對(duì)植物的生長發(fā)育起著十分重要的作用。柑橘是我國南方的第一大水果，而其大多數(shù)產(chǎn)區(qū)位于我國土壤有效硼缺乏或嚴(yán)重缺乏的紅壤區(qū)域。近年來，缺硼造成田間大量柑橘葉片出現(xiàn)黃化現(xiàn)象，嚴(yán)重制約了柑橘的產(chǎn)量和品質(zhì)。砧木作為提供根系的材料，對(duì)柑橘的生長、果實(shí)的品質(zhì)和產(chǎn)量及對(duì)其逆境脅迫的適應(yīng)性和對(duì)抗性等方面都有重要的影響。因此研究不同柑橘砧木對(duì)缺硼響應(yīng)的差異及機(jī)制，能夠?yàn)檫x擇優(yōu)良砧木進(jìn)行柑橘高效優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)及對(duì)不同砧木采取相配套的

2、施肥措施提供科學(xué)理論依據(jù)。本研究以枳橙砧木（擬推廣）和枳殼砧木（主栽）為材料，采用營養(yǎng)液試驗(yàn)，研究了缺硼脅迫下不同砧木在硼利用能力、硼的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)以及細(xì)胞壁特性等方面的差異及機(jī)理:利用核磁共振(NMR)和傅里葉紅外光譜(FTIR)技術(shù)分析了細(xì)胞壁有機(jī)碳結(jié)構(gòu)及其組分化學(xué)結(jié)構(gòu)在缺硼后的變化;借助石蠟組織切片、SEM（掃描電鏡）和TEM（透射電鏡）等手段觀察了缺硼后葉片和根系微觀結(jié)構(gòu)上的變化情況;并運(yùn)用基于GC-MS技術(shù)的代謝組學(xué)手段深入探討了

3、枳殼砧木葉片和根系代謝產(chǎn)物與代謝通路對(duì)缺硼脅迫的響應(yīng)及差異。得到的主要結(jié)果如下:
　　(1)缺硼脅迫下枳橙砧木與枳殼砧木在植株生長及硼利用能力上的差異
　　缺硼顯著抑制了兩種砧木的根系生長，明顯降低了根系參數(shù)（總根長、根總表面積、根體總積和根尖數(shù)）;而缺硼對(duì)枳殼砧木根系參數(shù)的抑制程度要大于枳橙。缺硼對(duì)枳殼砧木葉片光合色素的破壞程度大于枳橙砧木，且缺硼顯著降低了枳殼的掙光合速率，對(duì)枳橙則沒有顯著影響，說明枳殼砧木的光合作用更易

4、受到缺硼的影響。這些結(jié)果表明枳橙砧木與枳殼砧木對(duì)缺硼的反應(yīng)存在著差異。無論是正常硼處理還是缺硼處理，枳殼砧木的硼含量和硼積累量都高于枳橙砧木;其葉片和根系中提取的細(xì)胞壁物質(zhì)含量也高于枳橙砧木，且原生質(zhì)體硼占器官總硼的比例顯著高于枳橙，說明枳殼砧木的需硼量高于枳橙;低硼脅迫下枳橙砧木的硼利用效率明顯高于枳殼砧木，比枳殼高了29.13％，表明枳橙砧木能以較低的硼水平產(chǎn)生更多的干物質(zhì)。缺硼顯著提高了兩種砧木葉片和根細(xì)胞壁硼占總硼的比例，枳橙分

5、別增加了192.08％和131.03％，高于枳殼砧木的166.67％和112.70％，說明缺硼條件下枳橙砧木將硼優(yōu)先分配到細(xì)胞壁中的能力更強(qiáng)于枳殼砧木。
　　(2)缺硼脅迫下枳橙砧木與枳殼砧木在硼吸收轉(zhuǎn)運(yùn)上的差異
　　實(shí)時(shí)熒光定量PCR結(jié)果顯示，所選擇的硼相關(guān)基因更多的在枳橙砧木根和老莖中上調(diào)表達(dá)，而上調(diào)表達(dá)的基因在枳殼砧木的地上部相對(duì)更多?；駽iNIP5在枳橙和枳殼根中都顯著上調(diào)表達(dá)，促進(jìn)了低硼條件下根系能吸收更多的硼;

6、在硼積累量上表現(xiàn)為缺硼引起的枳橙砧木根中硼積累量所占植株總硼百分比的上升幅度顯著大于枳殼，說明低硼條件下枳橙砧木根的吸收能力可能更強(qiáng)于積殼。CmBOR1在枳橙根中上調(diào)表達(dá)，使得枳橙砧木根中硼相對(duì)更多地通過木質(zhì)部裝載運(yùn)輸?shù)角o中，枳殼的這種能力更弱一些，枳橙砧木的莖中硼積累量所占比例上升了近一倍，遠(yuǎn)大于枳殼的54.65％，也證明了這一點(diǎn)。枳殼更弱的木質(zhì)部裝載能力導(dǎo)致根中的硼不能較好地向地上部運(yùn)輸，只能通過CiNIP6、CmBOR1、CiNI

7、P5和TIP4;1在葉和/或莖中上調(diào)表達(dá)，將地上部有限的硼分配到需要硼的部位，以滿足枳殼砧木地上部對(duì)硼更高的需求。綜上所述，低硼條件下枳橙砧木根系對(duì)硼的持續(xù)吸收能力及通過木質(zhì)部裝載持續(xù)運(yùn)往地上部的能力均強(qiáng)于枳殼，而缺硼條件下枳殼砧木地上部的持續(xù)再分配能力略強(qiáng)于枳橙，這可能與其高需硼量及由根往地上部的硼轉(zhuǎn)運(yùn)能力相對(duì)較低有關(guān)。
　　(3)缺硼脅迫改變了枳橙砧木葉片和根系的膜透性及抗氧化酶活性
　　缺硼抑制了枳橙砧木地上部和根系的

8、生長，根系受缺硼的抑制程度大于地上部;枳橙砧木各部位的硼含量和硼積累量在缺硼后也明顯降低。缺硼處理顯著提高了葉片和根系的MDA含量，根系提高了55.21％，遠(yuǎn)高于葉片的23.85％，表明缺硼使得根系的膜系統(tǒng)受損害更加嚴(yán)重。缺硼后，根系中SOD的活性顯著上升;葉片和根系中的CAT活性均明顯降低，而APX和POD活性則明顯升高，其中變化幅度最大的是根系中的POD活性，增幅高達(dá)117％，這與POD還參與其他代謝途徑有關(guān)。
　　(4)缺硼

9、脅迫影響了枳橙砧木葉片和根系的微觀結(jié)構(gòu)且抑制了細(xì)根的生長發(fā)育
　　葉片的石蠟切片顯示缺硼處理導(dǎo)致葉片柵欄組織的細(xì)胞排列紊亂，海綿組織的細(xì)胞數(shù)目明顯增多，其在葉肉中所占的比例明顯高于對(duì)照組，且抑制了維管束結(jié)構(gòu)的發(fā)育;葉片的透射電鏡(TEM)觀察顯示缺硼植株的葉綠體內(nèi)積累了較多的淀粉粒，細(xì)胞壁有明顯的增厚現(xiàn)象，且細(xì)胞形態(tài)也發(fā)生了改變。這些結(jié)果表明葉肉組織和維管束結(jié)構(gòu)在短期缺硼后的變化程度還不足以破壞葉片的表皮結(jié)構(gòu)，所以我們?cè)谌~片上并沒

10、有觀察到典型的缺硼癥狀;然而這種變化程度已然影響到了光合作用的正常進(jìn)行，造成了淀粉的積累。
　　缺硼條件下，枳橙砧木細(xì)根各根系參數(shù)的下降幅度均明顯大于中根和粗根，降幅均達(dá)一半以上，說明缺硼主要抑制了細(xì)根的生長發(fā)育;中根和粗根總根長和根尖數(shù)所占比例顯著上升，表明缺硼造成枳橙砧木根尖變粗膨大。根系的石蠟切片顯示缺硼導(dǎo)致根尖根冠脫落、分生區(qū)細(xì)胞增大及其圓錐形結(jié)構(gòu)消失，同時(shí)造成了疏導(dǎo)組織發(fā)育差，維管束分化不完善;根系的掃描(SEM)和透射

11、(TEM)電鏡觀察表明，缺硼破壞了細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)的完整性，液泡腫脹破裂，抑制細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的合成與維管束的發(fā)育，導(dǎo)管口徑變小，并伴有堵塞現(xiàn)象，韌皮部篩管口堵塞嚴(yán)重，使細(xì)胞壁明顯增厚，以上結(jié)果都解釋了根尖出現(xiàn)短粗膨大的原因。
　　(5)缺硼脅迫破壞了枳橙砧木根系細(xì)胞壁的正常化學(xué)結(jié)構(gòu)
　　缺硼使枳橙砧木新根的生長受到了明顯的抑制;新生部位（新根、新葉、新梢）硼含量和硼積累量都顯著降低;缺硼提高了每單位根系鮮重細(xì)胞壁物質(zhì)的含量，且細(xì)胞壁

12、硼含量占根總硼的比例顯著增加了143.2％。從細(xì)胞壁傅里葉紅外光譜(FTIR)圖譜來看，缺硼降低了細(xì)胞壁中果膠及蛋白的相對(duì)含量，并影響了細(xì)胞壁的正常結(jié)構(gòu):使細(xì)胞壁中的氫鍵發(fā)生改變，破壞了細(xì)胞壁大分子之間的連接模式;降低了細(xì)胞壁中果膠酯化交聯(lián)的程度，破壞了細(xì)胞壁中果膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu);且改變了細(xì)胞壁蛋白的結(jié)構(gòu)。
　　(6)缺硼脅迫改變了枳殼砧木葉片和根系的代謝產(chǎn)物和代謝途徑
　　利用基于氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)(GC-MS)的代謝組學(xué)

13、手段，研究了柑橘枳殼砧木幼苗葉片和根系對(duì)缺硼的代謝響應(yīng)，結(jié)果表明缺硼后葉片和根系代謝物和代謝途徑的變化存在較大的差異，說明植物不同器官對(duì)缺硼的代謝響應(yīng)是不同的。缺硼會(huì)引起葉片和根系中很多代謝物的變化，葉片以糖類和芳香族化合物的變化為主，而根系氨基酸和糖類變化更大。缺硼后在葉片中變化較大代謝物有:蜜二糖和核糖顯著增加;半乳糖酸、景天庚酮糖、4-羥基肉桂酸、阿魏酸、棕櫚酸、芥子酸顯著降低;根系中顯著增加的代謝物有:天冬酰胺、蘇氨酸、色氨酸、

14、阿魏酸、芥子酸。其中天冬酰胺在根系和葉片中都增加，而半乳糖酸則都減少;阿魏酸和芥子酸的變化趨勢(shì)在根系和葉片中相反。缺硼導(dǎo)致了磷酸戊糖途徑(PPP)的下調(diào)、抑制了糖的利用，進(jìn)而使得葉片中的糖類過量積累;根中大多數(shù)氨基酸水平顯著增高與蛋白生物合成的降低、回補(bǔ)途徑的增強(qiáng)和根尖組織損傷有關(guān)。另外，缺硼也對(duì)葉片和根系中的莽草酸途徑(Shikimate pathway)產(chǎn)生了顯著的影響，由于缺硼抑制了體內(nèi)糖的利用而引起葉片中莽草酸途徑中4-羥基肉桂