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拜谱项目文章 | 叶片中的硼可通过韧皮部以硼-蔗糖复合物的形式运输到根部

叶片中的硼可通过韧皮部以硼-蔗糖复合物的形式运输到根部

Foliar Supplied Boron Can Be Transported to Roots as a Boron-Sucrose Complex via Phloem in Citrus Trees

研究方法:非靶向代谢组学和靶向代谢组学

期刊: Frontiers in Plant Science

影响因子:4.402

研究对象:柑橘树的韧皮部汁液

样本类型:韧皮部汁液

组别设置:

T1处理组:超纯水(含0.01% Tween-20),对照组;

T2处理组:用浸透10B(47 mM H310BO3)的棉签将叶片上下均匀擦拭2次;

T3处理组:叶片处理与T2植株叶片相同,但在砂培中用充足的B (0.25 mg/L H3BO3)灌溉;

T4处理组:叶片处理与T2相同,但树皮被剥除(在嫁接结合部上方约2厘米处,宽8-10毫米);

T5处理组:叶片处理与T2相同,但植株被黑色塑料网遮蔽(透光率为10.55%),4重复/组别

 

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研究背景


硼(B)是一种微量营养素,在植物细胞壁稳定、光合作用和碳代谢中发挥着关键作用。因此,B缺乏会抑制植物生长,阻碍叶片扩张,导致叶片变色或梢尖枯死,使叶片、花或果实变形,降低产量和果实品质,限制根系伸长。防止硼缺乏对保持作物产量和质量至关重要,其成功取决于对B运输和分配机制的理解。来自华中农业大学的研究人员,使用非靶代谢组学分析发现10B处理的植株叶片韧皮部液中蔗糖和部分糖醇含量高于对照组植株,通过分析硼酸-糖复合物,发现叶片中的硼可通过韧皮部以硼-蔗糖复合物的形式运输到根部。其研究成果发表在2020年3月10日的Frontiers In Plant Science杂志上(IF=4.402)。

 


研究思路


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研究结果


1.10Bpro(硼酸的比例)和10Bdff(来源于树叶的硼酸)在不同组别中叶片和根部的比较



  • 叶片(Figure 1B) of或根部(Figure 1C)中10Bpro在T2和T3处理组有相似的水平,但是明显高于T1处理组;


  • 叶片中10Bdff在T3处理组的水平是明显高于T2组别的(Figure 1D),然而在根部两个组别中10Bdff的水平没有明显差异(Figure 1E),根部10Bdff与叶片10Bdff(RBdff/LBdff)在T2处理组是明显高于T3处理组,并且两个处理组都是高于T1处理组。

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Figure 1 叶片(B,D)和根(C,E)中10Bpro和10Bdff的比较




2.叶片和根部中10Bpro 和10Bdff在剥皮或遮蔽后的变化



  • 在树皮剥除后,T4植株叶片中硼的累积浓度Bacc(Figure 2B)和10Bdff(Figure 2D)是明显高于T2处理组的,然而T4植株根部的硼的累积浓度Bacc(Figure 2C)和10Bdff(Figure 2E) 是明显低于T2处理组的;

  • 在遮蔽后,T5植株根部中硼的累积浓度Bacc(Figure 3C)和10Bdff(Figure 3E)是明显低于T2处理组的,叶片中两个比较组是没有明显差异的。


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Figure 2叶片(B,D)和根中(C,E)Bacc和10Bdff的比较


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Figure 3叶片(B,D)和根中(C,E)Bacc和10Bdff的比较

 



3. T2处理组韧皮部汁液的代谢物变化——使用非靶向代谢组学方法分析T1和T2植株的差异代谢物



  • 主成分分析表明T1和T2植株的韧皮部汁液代谢物有很明显的差异,热图显示了两个组别间的显著差异代谢物(Figure 4A),其中显著上调和下调的代谢物分别有47和32个;

  • 在T2植株中显著上调的代谢物主要是氨基酸,脂质,酮类,核苷类,有机酸类,糖类和糖醇类,其中,在T2植株中6个糖和糖醇是增加的,蔗糖,塔格糖,甘露糖,半乳糖醇,熏衣草花醇和甘露庚糖醇,并通过靶向的方法进行证实,结果与非靶的数据吻合。

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Figure 4 脐橙韧皮部树液差异代谢物层次聚类热图(A)和饼状图(B)

 



4.T1和T2植株韧皮部汁液中硼酸-蔗糖复合物分析



  • 两种硼酸-蔗糖复合物(C24H40O22)10B和(C24H40O22)11B的质荷比分别是 690.21和691.21,蔗糖和硼酸的体外反应产物,通过ESI-Q-TOF-MS可以检测,发现(C24H40O22)10B的强度是(C24H40O22)11B强度的25%;

  • 使用UPLCESI-Q-TRAP-MS 技术检测硼酸-蔗糖复合物,T1植株中(C24H40O22)10B的强度是(C24H40O22)11B强度的25%,T2植株中(C24H40O22)10B的强度是(C24H40O22)11B强度的52%。

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Figure 5通过ESI-Q-TOF-MS负离子模式分离得到|硼酸-蔗糖复合物(A)蔗糖(300 mM)和硼酸(0.3 mM)混合物;(B) T1处理组植株的韧皮部汁液;(C) T2处理组植株的韧皮部汁液



本次研究亮点

叶片10B处理后,根中10B浓度显著提高,将树皮剥除和黑色塑料网覆盖,都能显著降低根中B和10B的浓度。LC-MS分析表明,叶片10B处理的植株韧皮部汁液中蔗糖和部分糖醇含量高于对照组。B和蔗糖混合物分析,发现10B处理植株的韧皮部液中硼酸-蔗糖复合物物峰值强度高于对照。


综上所述,叶片中的B可以通过韧皮部从叶片长距离运输到根,至少在柑橘植物中可以形成硼酸-蔗糖复合物。本研究通过非靶的方法筛选差异代谢物来探讨硼运输形式,并进一步通过实验进行证实,最终阐释了硼的运输机制,本研究有助于提高对叶面B施肥的认识,并提高对叶片B向根运输机制的理解。


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