硼（B）是植物必需的微量营养元素，全球超百种作物的产量与品质高度依赖硼肥施用。自一个世纪前硼被确认为植物必需元素以来，其缺乏导致的根尖分生组织崩溃、生长停滞等症状长期困扰农业生产，但背后的分子机制始终扑朔迷离。

2026年7月16日，北大-清华开云手机网页登录页面焦雨铃团队与合作者在《细胞》（Cell）期刊发表题为“Boron-bridged GIPCs stabilize cell wall anchoring and PIN polar domains”的研究论文，首次揭示硼通过交联糖基肌醇磷酸神经酰胺（GIPCs）稳定细胞质膜-细胞壁连接，进而锚定生长素转运蛋白PIN的极性定位，为这一百年科学难题提供了系统性解答。

从“郝氏丝（Hechtian strands）”到硼的分子桥梁

植物细胞的外层界面，即细胞质膜与细胞壁的连续体，是协调生长发育与环境响应的关键枢纽。早在1912年，科学家就在质壁分离过程中观察到连接质膜与细胞壁的丝状结构“郝氏丝”，但其分子组成与形成机制长期未被阐明。传统观点认为，阿拉伯半乳糖蛋白、细胞壁关联激酶等蛋白质可能介导这一连接，但这些分子均未显示出对郝氏丝的调控作用。

研究团队推测，硼可能通过交联质膜上的糖脂与细胞壁多糖形成物理桥梁。为验证这一假说，团队利用能竞争性抑制硼交联的苯硼酸处理拟南芥幼苗。结果发现，苯硼酸处理10分钟内即可完全消除郝氏丝的形成，PIN2等质膜蛋白的细胞壁锚定也随之消失。这直接证明硼交联是维持质膜-细胞壁物理连接的核心机制。

图1 硼交联和交联抑制剂示意及硼交联抑制破坏郝氏丝形成

GIPCs：硼交联的“超级锚点”

糖基肌醇磷酸神经酰胺（GIPCs）是植物质膜中含量最丰富的糖脂，占总脂类的25%-50%，但其功能长期未被充分认知。团队通过质谱分析发现，拟南芥中所有6个系列的GIPCs均存在多个硼结合位点：即使是最简单的A系列GIPC，也能结合多达4个硼原子。¹¹B核磁共振进一步证实，硼与GIPC的肌醇和糖基头部直接形成硼酸酯键，且这一反应在植物生理pH条件下高效发生。

以上实验表明着硼酸能够通过GIPCs实现质膜与细胞壁的多价交联，像“分子铆钉”一样将两者牢牢固定。这一发现颠覆了以往对GIPC功能的认知，也为长期困扰学界的郝氏丝的组成提供了分子解释。

图2 GIPCs及苯硼酸交联后GIPCs的质谱图谱

锚定PIN极性：硼调控生长素运输的关键

PIN蛋白家族是介导生长素极性运输的核心载体，不对称定位于质膜特定区域形成“极性域”，直接决定生长素的流向与分布。研究团队发现，硼交联的GIPC不仅是结构支架，更是PIN蛋白的直接“锚定点”。通过脂质结合实验与基因编辑，团队证实PIN2的第6个跨膜区存在一个保守的鞘脂结合基序，该基序缺失会导致PIN2无法与GIPC结合，进而丧失质膜定位与根向地性生长能力。

当硼交联被抑制时，PIN2的侧向扩散速率显著增加，内吞作用增强，原本集中的极性域迅速扩散至整个质膜。该过程仅需几分钟，远快于硼缺乏导致的生长表型（至少4小时以上），说明PIN极性破坏是硼缺乏的早期分子事件。遗传学证据进一步支持这一机制：硼转运蛋白突变体nip5;1在低硼条件下，所有5个细胞质膜定位的PIN蛋白的定位均显著减弱，根尖生长素高点消失，表型与高阶pin突变体完全类似。

图3 PIN蛋白通过保守基序结合GIPCs等鞘脂

农业意义与未来展望

超长链脂肪酸是GIPC的组成部分之一。研究团队还发现，GIPC合成缺陷突变体与超长链脂肪酸合成抑制剂处理后的植株，均表现出与硼缺乏一致的PIN极性丢失、生长素分布异常及根系发育缺陷，且补硼无法挽救GIPC缺陷表型。这提示，硼-GIPC-PIN轴是植物发育的核心调控通路，其功能独立于已知的细胞壁果胶RG-II交联途径。

该项研究不仅解开了硼营养作用的百年谜题，还为作物抗逆改良提供了新靶点，为未来培育低硼耐受、根系构型优化的作物新品种指明了方向，为保障粮食安全提供新策略。

邮箱：

yuling.jiao@pku.edu.cn

实验室主页：

https://www.bio.pku.edu.cn/homes/Index/news_cont_jl/16/8.html

研究领域：

本课题组致力于解析植物发育过程中的形态建成，并探索合成生物技术的应用。具体研究包括：

1. 形态的涌现
我们对基因、蛋白等分子机器的认识相对深入，但对它们如何组合与协调，进而形成组织与器官却所知有限。三维形态的建成不仅塑造了自然界的多样性，也是器官行使功能的基础。大量简单个体通过局部互动，能在系统层面涌现出全新的性质或模式。我们融合数学建模、人工智能与定量实验，旨在阐释基因与蛋白的“涌现”现象如何决定植物茎叶的形态，并最终实现器官形态的设计与定制。

2. 植物合成生物技术
随着对生命过程理解的加深，我们已能够在局部改造生物体系。我们在植物中挖掘可改造的部件与通路，发展新型合成生物技术。一方面，聚焦植物基因组与染色体改造，建立合成基因组技术，通过基因组重构开发颠覆性的基因工程底盘技术；另一方面，探索以植物为对象重构信号通路、合成医药与工业产品，推动植物底盘的工程化应用。

研究兴趣：

生命系统中仍存在大量未解之谜，其核心在于生物作为复杂体系所表现出的诸多亟待阐释的涌现现象。相较于单纯挖掘新功能基因，本实验室在植物中解析未知过程的建立机制。以下是一些我们的研究发现：

1. 茎尖Sussex信号：茎尖通过生长素极性运输产生 Sussex 信号 (Qi et al., 2014 PNAS)，从而调控叶片扁平化 (Guan et al., 2017 Curr. Biol.; Wang et al., 2022 PNAS; Guan et al., 2022 Sci. Adv.)。

2. 叶片扁平化的力学调控：叶片首先通过背–腹轴细胞壁差异建立初始扁平态 (Peng et al., 2022 Curr. Biol.)，再经微管介导的应力反馈放大该扁平形态 (Zhao et al., 2020 Curr. Biol.)。

3. 分枝起源：植物分枝起源于茎尖分生组织中未彻底分化的细胞 (Shi et al., 2016 PLoS Genet.; Cao et al., 2020 Curr. Biol.)。

4. 单细胞再生：原生质体中基因表达的紊乱，部分细胞激活干细胞基因并再生 (Xu et al., 2021 Sci. Adv.)。

5. 细胞壁-膜连接：硼通过锚定细胞壁与细胞膜形成郝氏丝 (Hechtian strands)，进而稳定 PIN 等膜蛋白 (He et al., 2026 Cell)。

6. 合成基因组学：植物染色体片段可以人工合成与构建 (Chen et al., 2024 Nat. Plants)。