硼缺乏和硼过剩是影响植物生长和产量的主要因素，进一步了解植物生殖器官对硼缺乏和硼过剩胁迫的响应机制，可为提高种子产量和质量提供新思路。本次分享的文献的研究目的是阐明紫花苜蓿(Medicago sativa L.)生殖器官对硼胁迫的耐受机制。
硼是一种必需的微量营养素，参与各种植物的代谢过程，包括碳水化合物的生物合成、酚类代谢、固氮和糖运输。这种元素参与许多植物生长阶段，在花粉萌发中起着至关重要的作用。土壤中硼缺乏或过量时都会影响植物生长。土壤中硼的有效性低很容易导致缺乏，施用硼肥可以克服不足。然而，过度施肥会导致硼毒性。植物生长中所需硼的范围狭窄，两者问题均对植物生长不利。硼缺乏对植物的生殖系统有显著影响，包括植物的生殖器官异常发育，花的可溶性蛋白含量降低，花管伸长受到抑制，种子产量质量降低等。硼过剩也会抑制花粉萌发和花粉管伸长并导致生殖器官的异常发育。苜蓿(Medicago sativa L.)营养价值高，适应性强，是全球重要的饲料作物。但田间紫花苜蓿栽植率低，落花现象严重。越来越多的证据表明，硼是影响苜蓿开花、结实率和产量的重要因素。现有文献描述了硼在紫花苜蓿繁殖中的重要性，以及硼对开花、结荚、种子发育和种子质量的影响。然而，硼如何调控紫花苜蓿的生殖过程还没有被阐明。以往的代谢组学研究为理解植物对硼缺乏和硼过剩的代谢反应做出了重要贡献。这些研究结果有助于我们了解植物对硼吸收和运输的代谢机制，以及植物对硼缺乏和硼过剩的耐受反应。代谢组学是通过考察生物体系受到刺激或扰动前后所有小分子及其含量的变化或其动态变化来研究生物体系的一门科学。
本研究中作者团队采用基于GC-MS的非靶向代谢组学方法研究了不同浓度对苜蓿‘Aohan’ 生殖器官的影响，作者分别用不同浓度(0 mg/L、400 mg/L、 800 mg/L、1200 mg/L、1600 mg/L)的硼来测定田间硼充足水平、硼缺乏和硼过剩引起的应激，以及硼缺乏和硼过剩条件下代谢产物的变化。使用PLS-DA分析代谢产物可以看出三种处理[硼缺乏(BD)，硼充足(CK)和硼过剩(BS)]代谢的差异(图1)。硼缺乏（BD）和硼充足条件(CK)或硼过剩(BS)和硼充足条件(CK)之间代谢产物有着明显的差异（图2）。
图1.苜蓿‘Aohan’生殖器官代谢产物的差异积累
图2.苜蓿‘Aohan’ 生殖器官代谢产物的差异积累
在硼缺乏条件下，苜蓿‘Aohan’花中乳酸、苏糖醇、异麦芽糖、蜜二糖和半乳糖醇等多种糖代谢化合物含量增加(图3)。这些结果在三种葡萄糖相关的代谢途径中得到证实，包括半乳糖代谢和糖酵解或糖异生(图3)。研究显示，硼在糖代谢中扮演重要角色，尤其是在糖的合成和运输方面。苜蓿‘Aohan’花内积累了大量的糖分，抑制了糖分向其他器官和种子的运输，影响了种子产量。在硼缺乏条件下，苜蓿‘Aohan’种子中4-羟基肉桂酸、4-羟基苯甲酸和苯甲酸等酚类化合物的含量显著增加(图4)。硼缺乏症是紫花苜蓿对硼缺乏症适应性反应的一部分，也是紫花苜蓿‘Aohan’生殖器官细胞损伤或死亡的一个指标。此外，糖分和酚类化合物的过量积累可能是导致苜蓿‘Aohan’组织坏死的主要因素，导致生殖器官脱落，从而影响种子产量和质量。
图3. 硼缺乏条件下苜蓿‘Aohan’花中代谢产物的代谢关系
图4. 缺硼条件下苜蓿‘Aohan’种子代谢产物的代谢关系
氨基酸代谢对硼的耐受性起着至关重要的作用。此次研究中，硼过剩时，在苜蓿‘Aohan’花中有一些微分氨基酸代谢相关的代谢产物减少，包括2,4-二氨基丁酸酸、3-氨基异丁酸、组氨酸、丝氨酸、甘氨酸、丙氨酸、天冬酰胺、赖氨酸、高丝氨酸、蛋氨酸、苏氨酸异亮氨酸、脯氨酸、鸟氨酸、亮氨酸、o -乙酰丝氨酸、异苏氨酸、蛋氨酸亚砜和2-氨基己二酸(图5) 。这表明硼过剩抑制植物中氨基酸的合成，从而降低对胁迫的抵抗力。异亮氨酸和亮氨酸，通常被称为支链氨基酸(BCAAs)，是植物生长发育中蛋白质合成和次级代谢物生物合成所必需的，并且可作为能量来源诱导细胞在压力下产生能量生长条件。BCAT基因家族通过控制开花时间调节BCAA代谢途径，因此推测，在苜蓿‘Aohan’花中硼过剩会降低BCAAs的相对丰度，影响其开花时间基因的表达，从而影响开花时间。此外，在硼过剩的情况下，4-氨基丁酸(GABA)在种子中显著增加(图6)。GABA是一种普遍存在的非蛋白氨基酸，在非生物胁迫下在植物中迅速积累。已有研究表明，硼缺乏导致柑橘根中GABA含量增加，与ROS积累相关。ROS诱导细胞损伤和衰老，实际上是硼缺乏通过ROS触发细胞死亡。这些发现表明：在硼过剩的情况下，种子中GABA水平升高与细胞损伤或死亡有关。因此推测，与硼充足处理相比，硼过剩导致苜蓿‘Aohan’种子的细胞损伤或死亡，导致干重降低，硼浓度升高，种子产量降低。
图5. 硼过剩条件下苜蓿‘Aohan’花中代谢产物的代谢关系
图6. 硼过剩条件下苜蓿‘Aohan’种子代谢产物间的代谢关系
本篇文献研究结果表明：硼缺乏导致花中和种子中糖和酚类化合物的过量积累，这反过来导致生殖器官脱落，从而降低种子的产量和质量。硼过剩导致与氨基酸和碳水化合物代谢相关的代谢产物水平严重下降，并导致花在结籽前下降，最终降低种子产量。此研究结果有助于我们进一步了解苜蓿生殖器官对硼缺乏和硼过剩反应的代谢机制。硼缺乏对植物的几个生殖过程产生显著影响，包括生殖器官的异常发育、花的可溶性蛋白含量降低、花管伸长受到抑制、种子产量和质量下降等。相反，硼过剩也会抑制花粉萌发和花管生长，导致生殖器官的异常发育。
