張妮娜，上官周平，陳 娟

（西北農(nóng)林科技大學/黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室，陜西楊陵 712100）

雖然土壤中鐵的含量很高，但其主要以生物有效性低的三價鐵形式存在，尤其是在堿性石灰性土壤上，土壤中鐵的溶解度因較高的pH和高含量的碳酸鹽而嚴重降低。數(shù)據(jù)分析表明，全世界大約40%的耕地面積潛在性缺鐵[1]，植物缺鐵已成為亟需解決的一個重要問題。鐵元素在植物生長中起著非常重要的作用，不僅參與植物體光合與呼吸、植物蛋白質及核酸的合成、氮的固定等諸多生理代謝過程，還可參與電子傳遞，或作為酶促反應中心[2–3]。鐵參與植物葉綠素的生物合成，缺鐵會使葉綠體結構發(fā)育不完整，導致植株葉片缺鐵黃化，光合能力下降，作物的產(chǎn)量和品質最終遭受巨大損失。植物作為人類主要的食物來源之一，土壤缺鐵不僅嚴重降低了作物籽粒中的鐵含量，還會導致人類的鐵營養(yǎng)狀況。我國患缺鐵性貧血的男女性分別為14.9%、21.2%，城市中有12.3%的5歲以下兒童患有貧血，在北方偏遠的農(nóng)村這一現(xiàn)象則更為突出[4]，其中膳食缺鐵是人類貧血的重要原因。所以要改善人類的鐵營養(yǎng)狀況，減少我國城市及農(nóng)村人口的貧血現(xiàn)象，最根本的還是要解決作物鐵缺乏的問題。

面臨植物缺鐵這一嚴重現(xiàn)象，不僅要加強植物對鐵的吸收和轉運，更重要的是從源頭治理，采取有效的方法緩解植物的缺鐵脅迫，增強其對缺鐵環(huán)境的適應能力。目前有關植物鐵吸收和利用的分子生理機制、調控植物鐵營養(yǎng)的相關基因與信號、植物鐵生物強化等方面已有大量文獻報道，且李俊成等[5]、段立紅等[4]、申紅蕓等[6]、Briat等[7]、Zuo[8]等對以上方面的研究成果也作了較全面的綜述。但目前為止還很少有人對植物應答缺鐵脅迫所作出的生理反應和調控機制方面作出系統(tǒng)的綜述。因此本文主要以植物鐵吸收的生理機制為基礎，重點闡述了植物如何響應缺鐵脅迫，以及在缺鐵應答過程中參與調控的相關基因與信號，并提出緩解植物缺鐵脅迫、改善植物鐵營養(yǎng)成分的有效途徑。為深入探索更加有效地緩解鐵缺乏的轉基因技術及農(nóng)藝措施提供了重要的理論依據(jù)和技術支撐。

1 植物鐵吸收的分子生理機制

植物在不斷的進化過程中已漸漸形成了一些缺鐵適應機制，如適應性機理和非適應性機理。適應性機理受植物體內(nèi)鐵營養(yǎng)狀況調控，主要包括機理Ⅰ與機理Ⅱ；非適應性機理就是可能存在的吞噬機理，不受植物體內(nèi)鐵含量的影響。

機理Ⅰ植物通常包括雙子葉和非禾本科單子葉植物，如大豆、花生、向日葵、黃瓜等。這類植物主要通過以下三個過程來吸收鐵 (Fe)：1) H+-ATPase泵系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過H+的分泌酸化根際土壤，降低pH值，增加土壤中鐵的可溶性；在眾多的H+-ATPase(HA) 基因中，一些HA基因的表達受缺鐵脅迫誘導，可能與植物鐵元素吸收機理Ⅰ的調控有關，例如擬南芥中的AHA2基因[9]及蘋果屬小金海棠中的MxHA7 基因[10]。2) Fe3+的還原，其中依賴 NADPH 脫氫酶的鐵離子螯合還原酶 (ferric-chelate reductase oxidase, FRO) 可以將土壤中難溶解的 Fe3+還原成容易被植物體吸收利用的Fe2+，如模式植物擬南芥中的Fe3+螯合還原酶FRO2[11]，這一過程作為機理Ⅰ植物鐵吸收過程中的限速步驟，顯得尤為重要。3) Fe2+的轉運，這一過程涉及到一系列的鐵轉運蛋白 (iron regulated transporter, IRT)，可以將由 Fe3+螯合還原酶還原的亞鐵離子轉運到細胞內(nèi)，通過其他轉運蛋白的作用又被輸送到各個細胞器及器官中供植物生長發(fā)育所需，例如擬南芥中的鐵轉運蛋白基因IRT1[12](圖1)。還有一些其他金屬轉運蛋白，如植物中的NRAMP1 (natural resistance associated macrophage protein 1)，也被發(fā)現(xiàn)參與吸收土壤中的少量鐵元素，但NRAMP對鐵吸收的特殊機制還不是很清楚，有研究表明NRAMP依賴于其對鐵特殊的親和力以及其對自身與環(huán)境信號的應答反應[13]。然而在石灰性土壤中，這一適應性機理所涉及到的生理及分子調控過程因較高的pH值和HCO3-而受到了顯著影響，導致石灰性土壤中的機理Ⅰ植物很容易出現(xiàn)缺鐵黃化現(xiàn)象，所以如何有效地提高機理Ⅰ植物根系對鐵的吸收及轉運，從而緩解其所面臨的缺鐵黃化現(xiàn)象，成為國內(nèi)外科學家需要關注的重點問題。

圖1 機理Ⅰ植物根系鐵吸收及響應缺鐵脅迫的作用機理Fig. 1 Mechanisms of iron absorption and response to iron deficiency in strategy Ⅰ plant roots

機理Ⅱ植物主要為禾本科植物，如小麥、水稻、玉米等重要的糧食作物。缺鐵條件下這類植物會通過合成與分泌麥根酸 (mugineic acid, MA) 類物質并螯合鐵來滿足對鐵元素的需求，其對缺鐵環(huán)境的適應主要通過兩個關鍵步驟：第一，麥根酸類植物鐵載體 (phytosiderophore, PS) 在植物體內(nèi)合成后，經(jīng)載體作用主動分泌到根際。煙堿酰胺合成酶 (nicotinic amide synthetase, NAS)、煙堿酰胺氨基轉移酶(nicotinic amide aminotransferase, NAAT) 和雙脫氧麥根酸合成酶 (double deoxymagenate synthetase, DMAs)等均是與麥根酸生物合成有關的酶。研究表明在植物根部麥根酸由S-腺苷甲硫氨酸 (S-adenosyl methionine, SAM) 經(jīng)過這些酶的一系列酶促反應合成，并經(jīng) TOM1(transporter of mugineic acid family phytosiderophores 1) 蛋白分泌至土壤中[14–16]。第二，分泌到土壤中的植物鐵載體與根際環(huán)境中的Fe3+發(fā)生螯合作用，形成植物鐵載體與Fe3+的螯合物Fe (III)-PS并遷移到根系質膜，然后經(jīng)過YS1 (yellow stripe 1)和 YSL (yellow stripe1-like) 等載體的特異性轉運，直接被植物細胞所吸收，最終釋放出Fe3+供植物體代謝利用[17–18](圖2)。由于環(huán)境pH值的變化不會影響這一機制所涉及的諸多生理過程，因而石灰性土壤上的機理Ⅱ植物并沒有表現(xiàn)出特別顯著的缺鐵癥狀。有些非典型的鐵吸收植物可以同時采用兩種機理吸收鐵元素，如水稻既能通過OsYSL15轉運蛋白轉運Fe(III)-PS混合物，也能直接利用自身的Fe2+轉運蛋白OsIRT1吸收土壤中的Fe2+[19]。此外，近年來發(fā)現(xiàn)植物吸收轉運鐵的機制，僅有機理Ⅰ和機理Ⅱ是不足以解釋，Mori[20]在植物體內(nèi)發(fā)現(xiàn)了轉鐵蛋白 (NRAMP)和血紅蛋白，并表明在鐵等金屬離子的代謝過程中NRAMP基因家族起著關鍵的角色，從而提出植物中的鐵吸收機制可能還包括一種新的吞噬機制。NRAMP基因在該機制中控制合成的一種全新的高親和性轉鐵蛋白，能夠主動結合吞噬Fe2+，然后將其轉運并釋放到細胞質中。最新研究表明，大豆植株中Fe、K等營養(yǎng)元素的缺乏會對NRAMP基因的功能進行不同程度的調控，此外還在大豆根瘤內(nèi)發(fā)現(xiàn)了GmNRAMP的高度表達，并表明GmNRAMP基因能夠對大豆根瘤中的Fe或其它金屬離子進行轉運[21]。然而關于NRAMP基因在植物體內(nèi)或豆科植物根瘤中詳細的調控機制還不是很清楚，仍需要進一步的探討。

2 植物響應缺鐵脅迫

植物經(jīng)過漫長的進化，缺鐵時自身能夠誘導產(chǎn)生一系列響應機制來適應低鐵環(huán)境，包括改變根部構型、增大吸收面積、誘導大量鐵吸收相關基因的表達等[22]。其中根系結構的變化可以提高植物對鐵的吸收，如單子葉和雙子葉植物的根尖膨脹而變粗，生成更多的根毛，大量的轉移細胞也相繼從根的外表皮細胞和根毛中產(chǎn)生，明顯促進了植物根部對鐵的吸收能力；根尖主動向根系環(huán)境分泌大量的H+、有機酸、酚類等還原物質，從而增加外界環(huán)境中鐵的可溶性；植物根尖表皮細胞原生質膜上的還原酶活性也因此提高[23]。對于機理Ⅰ植物而言，缺鐵脅迫會顯著誘導Fe3+螯合還原酶活性。地上部缺鐵的諸多癥狀中，幼葉失綠最為常見，其葉綠體的發(fā)育遲緩導致形態(tài)結構異常，而葉綠素含量的減少使得植物的呼吸強度減弱，最終降低光合作用，提高光飽和點，光補償點也隨著植株不斷缺鐵失綠而逐漸升高。此外，鐵作為諸如細胞色素氧化還原酶、過氧化氫酶、過氧化物酶、輔酶等許多酶的合成因素或激活劑，一旦缺失這些酶系統(tǒng)功能遭受損壞，植物的能量和物質代謝受到嚴重影響[24]。由此可見，缺鐵脅迫對植物的形態(tài)及生理等方面都具有顯著影響。

植物對鐵元素的吸收主要通過兩種不同的機理，因而在它們應對低鐵環(huán)境時也會做出截然不同的應答反應。機理Ⅰ為雙子葉植物和非禾本科單子葉植物，主要通過三個系統(tǒng)做出響應：質子及有機酸、酚類等小分子有機物質分泌系統(tǒng)、Fe3+還原酶系統(tǒng)、Fe2+轉運系統(tǒng)。這三個系統(tǒng)均分布在形態(tài)發(fā)生特化的根尖表皮細胞的細胞質膜上，且對鐵缺乏做出了有效的響應。即，1) H+-ATPase大量表達，使質子(H+) 不斷滲入到根際土壤中，從而酸化根際環(huán)境，增加根際土壤中鐵的可溶性及有效性，而且根部有機酸如酒石酸、丙二酸、反丁烯二酸、檸檬酸以及蘋果酸的積累顯著增加。此外，缺鐵時擬南芥根系還會分泌一類次生代謝的酚類物質—香豆素類化合物[25–26]。2) 鐵還原酶基因 (FRO) 表達上調，促進吸附在根表皮的 Fe3+還原成 Fe2+。Wu 等[27]和 Mukherjee 等[28]研究發(fā)現(xiàn)，缺鐵脅迫能夠強烈誘導根系Fe3+還原酶基因(FRO3) 的表達。最近，Grillet等[29]還發(fā)現(xiàn) Fe3+進入種子的新途徑，即種子胚分泌大量抗壞血酸鹽將檸檬酸-蘋果酸鹽復合物中的 Fe3+還原為 Fe2+。3) Fe2+的轉運體基因 (IRT) 大量表達，將被FRO還原成的Fe2+轉運到根部細胞供植物體利用[30]。如黃瓜根系及葉片中的CsIRT1基因在缺鐵時其表達均明顯增強[31]。

機理Ⅱ主要為禾本科植物。這類植物能在缺鐵時加快分泌一類對Fe3+有著較強親和力的麥根酸類植物鐵載體 (MAs) ，從而與Fe3+結合形成穩(wěn)定的Fe3+螯合物 (Fe3+-MAs)。這一過程受到多種基因的調控，如MAs合成過程中的關鍵酶基因NAS[14]、NAAT[32]等及轉運Fe3+-MAs結合蛋白的基因YS1基因[17]。Singh等[33]通過研發(fā)得到了表達OsNAS2或PvFERRITIN或兩種基因都表達的小麥品系，并經(jīng)試驗表明這三種小麥品系所得籽粒中的鐵含量顯著高于普通小麥，對人類的膳食缺鐵現(xiàn)象進行有效改善。有試驗表明缺鐵脅迫明顯誘導了水稻根系與葉片中OsNAAT1的表達[34]。此外，TaNAAT1，TaNAAT2和TaDMAS因植物體內(nèi)鐵營養(yǎng)狀態(tài)的不同而差異性表達[35]。

3 調控植物缺鐵應答反應的相關基因

3.1 增強機理Ⅰ植物鐵吸收的主要基因

人們通過試驗逐步發(fā)現(xiàn)了酵母和植物鐵吸收功能缺陷突變體，并利用異源或同源功能互補法，成功克隆出與植物鐵吸收機制Ⅰ相關的許多關鍵性基因 (表 1)。

Fe3+螯合物還原酶基因FRO2最初是從缺鐵誘導的擬南芥根系cDNA文庫中篩選得到的，向Fe3+螯合物還原酶缺陷突變體 frd1中轉入FRO2基因后，發(fā)現(xiàn)缺鐵脅迫下的轉基因植株根表皮的Fe3+螯合物還原酶活性明顯增強，并預測轉基因不僅使原來存在的還原酶活性恢復，可能還重新合成了新的還原酶[10]。到目前為止，已經(jīng)逐步克隆出許多植物根系中的Fe3+還原酶基因，如花生AhFRO1、豌豆PsFRO1、黃瓜CsFRO1等[36–38]。豌豆Fe3+還原酶基因PsFRO1受缺鐵信號的誘導，在根、根瘤及葉中都有表達，但在具有Fe3+還原系統(tǒng)及Fe2+轉運蛋白的根表皮細胞中高度表達；而PsFRO1在根瘤固氮區(qū)的表達可能與植物的固氮作用密切相關[36]。最新研究表明，VIGS技術的使用能夠沉默本生煙草中的FRO1基因，且經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)FRO1基因沉默或非沉默植物均因缺鐵而褪綠，但在鐵補充12天后，只有非沉默植物從鐵缺乏中恢復過來，F(xiàn)RO1基因沉默植物仍然保持褪綠色，三價鐵螯合還原酶活性與FRO1基因的表達也隨著顯著降低，從而阻止植物對鐵的攝取[39]。

IRT也是一類與根部鐵吸收相關的重要基因，在根部表達且受缺鐵脅迫的誘導。植物中的第一條IRT基因是從擬南芥中獲得的，因此被命名為AtIRT1，屬于ZIP家族，這一基因也同樣是利用酵母突變株功能互補實驗克隆而得[12]。對IRT1的序列進行分析與定位，發(fā)現(xiàn)AtIRT1編碼一個膜蛋白，通常在缺鐵的擬南芥根系中表達，尤其是對缺鐵敏感的根系外表皮細胞，另外在花的雄蕊中也檢測到了AtIRT1，但其表達主要決定于植物的發(fā)育狀況，而與鐵營養(yǎng)狀態(tài)無關[40]。此外，有研究發(fā)現(xiàn)擬南芥根系分泌物中的酚類化合物能夠轉化植物生長培養(yǎng)基中的不溶性Fe3+，但只有通過IRT1/FRO2高親和Fe2+轉運體系才能從中吸收這部分Fe3+[41]。

除了吸收Fe、Mn、Zn等養(yǎng)分外，IRT1基因還積極參與到植物光合作用的調節(jié)過程中。缺失IRT1功能的突變株，其柵欄組織消失，缺鐵黃化現(xiàn)象明顯，生長發(fā)育也受到嚴重限制。人們最初以為在模式植物擬南芥中決定鐵吸收的基因只有IRT1，但隨著IRT2和IRT3的逐步發(fā)現(xiàn)，尤其是對IRT2全長基因的克隆及其功能的初步研究才使人們對機理Ⅰ植物吸收鐵的機制有了更加深入的理解，而且IRT2也可以恢復鐵吸收酵母突變株的功能，但僅在根的幼嫩組織中檢測到AtIRT2的表達，尤其是對缺鐵脅迫較為敏感的根毛區(qū)。對植物進行缺鐵1 h處理后，發(fā)現(xiàn)IRT1和IRT2在根部的轉錄水平均提高，但IRT1所提高的倍數(shù)明顯高于IRT2。由此表明在機理Ⅰ中IRT1是植物運輸Fe2+的關鍵基因[40]。

3.2 機理Ⅱ系統(tǒng)中參與調節(jié)鐵缺乏的關鍵性基因

缺鐵脅迫下，機理Ⅱ植物的根系通常會通過分泌麥根酸類植物高鐵載體 (MAs) 來適應這一逆境脅迫。關于MAs的生物合成途徑，目前已經(jīng)非常清楚。L-蛋氨酸 (L-Met) 作為載體合成的前體，先與ATP一起形成S-腺苷甲硫氨酸 (SAM)，然后在煙堿酰胺合成酶 (NAS) 的催化下形成煙堿酰胺 (NA)，而NA則經(jīng)過一系列步驟并通過煙堿酰胺氨基轉移酶(NAAT) 等的催化再次形成脫氧麥根酸 (DMA)，最后在雙脫氧麥根酸合成酶 (DMAS) 的作用下轉化為麥根酸 (MA) 和差向異構-3-羥基麥根酸 (Epi-HDMA)等麥根酸類植物高鐵載體[35]。近年來，已有許多MAs合成途徑中的關鍵酶基因被克隆并鑒定，如NAS[14]、NAAT[32]、IDS1-7、APRT、FDH、ADH[42]以及 YSL 基因[17](表 1)。

通過對缺鐵脅迫大麥根系的cDNA文庫進行等篩選，Higuhi等[14]得到了7個NAS基因；而Takahashi等[32]也篩選得到了NAATA、NAATB等4個NAAT基因。將NAATA和NAATB基因的大麥基因組片段采用農(nóng)桿菌轉化法轉入水稻，觀察發(fā)現(xiàn)水稻轉化株遭遇缺鐵脅迫時，其根莖部分的NAAT活性明顯升高，并分泌出更多的高鐵載體，耐低鐵脅迫能力也有所增強。IDS1-7基因也被篩選得到，其中IDS1-3的序列已經(jīng)過鑒定，且研究發(fā)現(xiàn)這3個基因的表達均受缺鐵脅迫的誘導[43]。Itai等[44]還從中篩選到了腺嘌呤磷酸核糖轉移酶基因 (adenine phosphoribosyl transferase gene, APRT)，因腺嘌呤來自蛋氨酸循環(huán)，而蛋氨酸循環(huán)又與MAs的合成相關聯(lián)，因此MAs的合成也會受蛋氨酸循環(huán)過程中關鍵酶的影響。甲酸脫氫酶 (formate dehydrogenase, FDH) 及乙醇脫氫酶 (alcohol dehydrogenase, ADH) 等基因也逐漸被克隆[42–44]，植物經(jīng)歷長期的缺鐵脅迫后可能會出現(xiàn)“生理性缺氧癥”，這時FDH和ADH便可發(fā)揮作用來增加能量的合成。

表1 不同鐵吸收機理的植物缺鐵調控基因Table 1 Major genes responsible for plant iron deficiency

雖然已成功克隆了MAs合成途徑的大多數(shù)關鍵基因，但將Fe3+-MAs轉運進細胞質的轉運蛋白基因的克隆進程卻很緩慢。早在1997年便有人發(fā)現(xiàn)玉米突變體ysl能夠合成并分泌MAs但無法將其轉運到細胞質中，便推斷該基因很可能就是Fe3+-MAs轉運蛋白基因，但因技術問題未能進行克隆[45]。將缺鐵脅迫的大麥根系cDNA轉入酵母突變體中來篩選轉運蛋白基因的試驗也未能獲得成功[46]。直到2001年Curie等[18]才成功構建出缺鐵脅迫的cDNA文庫，并從中得到3條ysl- cDNA。之后又在水稻基因組中鑒定出18個假定的OsYSLs，并發(fā)現(xiàn)OsYSL2是水稻的一個金屬-NA轉運體，負責Fe和Mn在植物韌皮部的運輸[47]。近來研究發(fā)現(xiàn)OsYSL9作為Fe(Ⅱ)-NA和Fe(Ⅲ)-MA的新型轉運蛋白，主要負責植物內(nèi)部鐵運輸，尤其是從發(fā)育種子中的胚乳到胚胎[48]。

3.3 可能存在的吞噬機理涉及到的重要基因

可能存在的吞噬機制中主要涉及轉鐵蛋白基因及 NRAMP 基因家族 (表 1)。Bereczky等[49]認為NRAMP1 編碼的一種完整膜蛋白的結構可能與已知的同源性原核和真核運輸系統(tǒng)相似，但這種轉運功能尚不清楚，NRAMP1的發(fā)現(xiàn)引起了廣泛學者對這一膜蛋白的關注。

Ttf-p150是一種經(jīng)高鹽缺鐵誘導產(chǎn)生，且由Fisher等[50]在綠藻中首次發(fā)現(xiàn)的除動物界之外，存在于質膜上的植物類轉鐵蛋白，即使在3.5 mol/L NaCl的高鹽脅迫下，這種蛋白也能使植物的攝鐵效率提高2～3倍，并經(jīng)試驗證明它是以吞噬方式吸收轉運Fe3+。

最早在酵母和哺乳動物中發(fā)現(xiàn)了NRAMP基因家族，而該基因家族在植物中的研究尚未普遍展開，主要集中于擬南芥、水稻和番茄等幾種植物。Belouchi等[51]克隆了水稻的第1個NRAMP基因，并將外源植物NRAMP基因采用異源功能互補法轉入突變體中，其表型的恢復充分驗證了植物NRAMP基因的功能。酵母鐵離子吸收轉運高、低親和系統(tǒng)雙突變體fet3、fet4和錳離子吸收突變體smf1的缺陷株表型可以通過AtNRAMP1, 3, 4和OsNRAMP1的表達得以彌補，而AtNRAMP2和OsNRAMP2則不能，說明這兩個基因可能不編碼鐵的轉運蛋白[52]。

在35S強啟動子的引導下，AtNRAMP1在擬南芥中過量表達并增強擬南芥抗鐵毒的能力，表明AtNRAMP1能夠對細胞質中游離態(tài)Fe2+到質體或液泡等細胞器的轉運進行調節(jié)，而AtNRAMP2不能對鐵吸收酵母突變株的功能進行有效恢復，可以進一步探索其具體的生理功能及機制。有關NRAMP基因家族的研究，在植物中廣泛集中于AtNRAMP3，缺鐵往往會使AtNRAMP3的表達上調，但研究發(fā)現(xiàn)即使在供鐵條件下，根莖葉的維管組織中仍然有大量的AtNRAMP3表達，由此表明AtNRAMP3很有可能參與了金屬離子在植物體內(nèi)的長距離運輸[53]。此外研究發(fā)現(xiàn)，與AtNRAMP3的功能完全相似，AtNRAMP4對于低鐵條件下種子的萌發(fā)也是必不可少的，且編碼的蛋白都位于液泡膜上，因此兩者在缺鐵脅迫時均可以再利用貯藏于液泡中的鐵來滿足種子的萌發(fā)，直到植物能夠正常有效地吸收土壤中的鐵[54]。近來已有研究確認，OsNRAMP5有助于水稻中Fe的轉運，對植物的生長和發(fā)育非常重要[55]。

Alonso等[56]克隆了植物乙烯信息轉導的核心組分-EIN2 (Ethylene-insensitive 2) 基因，并經(jīng)序列分析表明該基因屬于膜整合蛋白，與NRAMP基因家族有著21%的相似性，因此猜測EIN2很有可能是一種金屬離子轉運蛋白基因。

4 感應植物鐵缺乏的相關信號

4.1 植物激素及氣體信號分子響應缺鐵脅迫

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)參與植株缺鐵脅迫的植物激素、氣體信號分子可能是缺鐵應答信號 (圖3)。OsARF16作為一種調節(jié)生長素再分配的轉錄因子，可以修復許多由缺鐵引發(fā)的癥狀，如植株矮小、光合作用降低、鐵含量減少及根系結構變化等，進而增加缺鐵水稻的鐵營養(yǎng)[57]。而且研究發(fā)現(xiàn)外源生長素 (auxin)可以促進植株體內(nèi)NO積累，說明生長素可能在NO信號途徑上游調節(jié)植株對鐵的吸收[58–59]。赤霉素(GA) 通過正向調節(jié) bHLH038、bHLH039、FRO2、IRT1等鐵相關基因的表達來適應鐵缺乏，但不能誘導FIT表達[60]。最新研究結果表明缺鐵脅迫下，赤霉素信號傳導阻遏蛋白DELLA在植物根部的分生組織中發(fā)生積累，從而排除根部分生區(qū)的表皮細胞，與FIT、bHLH38及bHLH39等轉錄因子共同作用促進鐵吸收[61]。一定濃度的外源脫落酸 (ABA) 處理降低了與果膠和半纖維素結合的根系質外體鐵含量，卻顯著提高植株地上部的鐵含量，從而緩解缺鐵引起的黃化現(xiàn)象；同時還通過促進酚類物質的分泌及上調AtNRAMP3基因的表達，釋放質外體中的Fe并增強液泡中Fe的再利用，最終導致根中可溶性鐵含量的升高[62]。水楊酸 (SA) 與NO互作可以促進缺鐵環(huán)境下落花生對鐵的吸收、轉運及活化，調節(jié)植物體內(nèi)礦物質元素的平衡，減輕由鐵缺乏誘導產(chǎn)生的氧化刺激[63]。NO 供體硝普鈉 (sodium nitroprusside,SNP) 和SA不同的配施組合能夠通過各種不同的機制來緩解花生缺鐵引起的萎黃癥，如提高葉片有效鐵和葉綠素含量，提高抗氧化酶活性，調節(jié)礦物元素平衡等[64]。

細胞分裂素 (CTK) 對根部鐵吸收基因的調節(jié)不僅與鐵營養(yǎng)狀態(tài)無關，更不受FIT的介導，也不能使鐵調控基因AtNRAMP3和AtNRAMP4的表達下調，而是通過一種根系生長-依賴型途徑來抑制IRT1、FRO2及FIT的表達，從而控制根部的鐵吸收機制[65]。在缺鐵條件下，擬南芥的乙烯 (ETH) 突變體erf4中的葉綠素含量升高，而葉綠素降解相關基因AtPAO和AtCLH1的表達降低，另外根中的鐵還原酶活性也顯著高于野生型植株，鐵吸收相關基因AtIRT1和AtHA2也呈現(xiàn)出高水平表達，最終表明AtERF4作為鐵缺乏響應的負調控因子，在植物發(fā)生缺鐵脅迫時發(fā)揮著重要作用[66]。研究發(fā)現(xiàn)缺鐵脅迫下植物釋放的ETH也能夠激活AtERF72的表達，而AtERF72則通過直接與缺鐵響應基因IRT1、HA2及CLH1的啟動子區(qū)域結合對缺鐵反應作出負向調控[67]。茉莉酸(JA) 同樣是鐵吸收的負向調控因子, 它可能獨立于FIT基因，直接通過抑制IRT1和FRO2基因的表達來調控缺鐵應答反應[68]。最新研究表明，對水稻野生型植株外源應用油菜素甾醇 (BR) 會使缺鐵癥狀更加明顯，植物生長受到影響，莖中OsNAS1、OsNAS2、OsYSL2等基因的表達下調、韌皮部中鐵的轉運也因此受到抑制[69]。

圖3 植物激素與氣體信號分子對植物響應鐵缺乏的作用機制Fig. 3 Mechanisms of plant hormones and gas signaling molecules in response to iron deficiency in plants

在鐵含量充足的條件下，NO并不能誘導番茄根系產(chǎn)生缺鐵相關響應；但缺鐵條件下，根表皮細胞NO含量明顯提高[70]。SNP的施加顯著促進鐵在花生植株細胞壁、細胞器等部分的吸收，增加了有效鐵及葉綠素的濃度，并減緩植株在缺鐵時對Mn、Cu等重金屬的過量吸收。此外，SNP還明顯增強了超氧化物歧化酶、過氧化物酶及過氧化氫酶的活性，從而抑制丙二醛與活性氧的積累[71]。NO清除劑cPTIO (carboxy-PTIO) 的施用則完全抑制了植物受到缺鐵誘導時根毛的形成及根系鐵含量的增加，降低了鐵螯合還原酶的活性和根系H+的分泌量，使鐵相關基因FIT、MxFRO2-like和MxIRT1的上調表達受到影響，從而降低幼葉和根中的活性鐵含量[72]。高濃度的CO2不僅能夠增強三價鐵還原酶活性、質子分泌及FER、FRO1、IRT等基因表達，還會導致番茄中NO的積累，最終促進其對缺鐵脅迫的應答反應[73]。對擬南芥外源施加一定濃度的CO能夠阻止因缺鐵誘導產(chǎn)生的植株萎黃，增強葉綠素累積及缺鐵幼苗中AtIRT1、AtFRO2、AtFIT1、AtFER1等鐵吸收相關基因的表達，此外CO也能對單子葉植物如玉米體內(nèi)的鐵平衡進行調節(jié)；試驗同時表明，CO還可誘發(fā)植物根尖NO的積累，而NO清除劑cPTIO的應用卻抑制了CO作用效果，因此表明在缺鐵脅迫下，CO可能通過調控NO信號分子來改善植物適應鐵缺乏環(huán)境[74]。近來也確有研究表明，在擬南芥中CO、NO與生長素通過彼此間的信號轉導作用共同應對植物缺鐵脅迫[75]。新型氣體信號分子H2S則通過增強缺鐵環(huán)境下玉米幼苗葉片中ZmIRT1、ZmFRO1及ZmYS1等鐵吸收與調控相關基因的表達，促進根部有機酸的分泌和影響鐵在植物組織中的積累，進而緩解缺鐵脅迫的所導致的葉綠體合成受阻和光合作用下降的癥狀[76](表 2)。

4.2 缺鐵反應性microRNAs

microRNAs (miRNAs) 是近年來在細胞中發(fā)現(xiàn)的一類內(nèi)源非編碼蛋白的單鏈小分子RNA，其長度約為 20～24 nt，廣泛存在于動植物和病毒中，主要通過降解靶基因mRNA或與mRNA結合，從而抑制蛋白翻譯的過程來發(fā)揮作用。miRNAs的主要功能有響應環(huán)境脅迫[77]、參與植物激素的調節(jié)和信號轉導[78]、調控植物的生長發(fā)育[79]及營養(yǎng)平衡[80–81]。目前在動物中已有很多報道表明microRNAs參與了鐵穩(wěn)態(tài)的調控[82–83]，而在植物體內(nèi)關于microRNAs調節(jié)鐵平衡的研究較少。2010年Kong等[84]在擬南芥中通過構建缺鐵響應的microRNAs文庫，鑒定出8個在缺鐵條件下有差異表達的microRNAs。近年來又有研究者在擬南芥中發(fā)現(xiàn)了22個靶向15個缺鐵響應基因的microRNAs，并表明其中有17、10和4個microRNAs啟動子中包含缺鐵響應元件IDE1、生長素響應元件和乙烯響應元件[85](表 2)。

5 緩解植物缺鐵脅迫的有效途徑

5.1 利用鐵吸收相關基因的轉導提高植物鐵含量

鐵蛋白 (ferritin, Fer) 不僅可以合成含鐵的蛋白質，還能保護細胞免受鐵過量引起的氧化損傷，防止自由基的產(chǎn)生。因此可利用轉基因技術將外源FER基因導入植物基因組提高植物體內(nèi)的鐵含量。例如Goto等[86]通過農(nóng)桿菌介導法，在水稻胚乳中用胚乳特異啟動子OsGluB1表達大豆鐵蛋白基因SoyFERH1，顯著提高了胚乳及T1代種子中的鐵含量。最新研究結果也表明AtIRT1、AtNAS1和PvFER的協(xié)同表達可以增加水稻中的鐵含量，是一種更為有效的生物強化措施[87]。

將鐵吸收及轉運過程中的相關基因導入植物也可提高植物組織中的鐵含量。如Robinson等[11]將FRO2基因轉入Fe3+還原酶缺陷的擬南芥突變體后，轉基因植株中Fe3+還原酶的活性得以恢復。針對水稻吸收利用鐵生物學機制的特殊性，Suzuki等[88]將大麥中能夠高效合成和分泌麥根酸類植物鐵載體的基因，如HvNAS、HvNAAT和HvIDS3轉入水稻中，極大地提高了水稻的麥根酸合成和分泌能力，而且轉入HvIDS3基因的水稻子粒中鐵含量顯著增加。

5.2 控制鐵吸收抑制及促進因子增強鐵的生物有效性

植酸能與Fe2+、Mn2+等金屬元素絡合形成不易被人體吸收的植酸鹽沉淀，從而降低營養(yǎng)元素的生物有效性[89]。采用誘變法篩選低植酸突變體是培育低植酸作物的有效措施。應用化學誘變獲得的玉米低植酸突變體lpa1-1和lpa2-1籽粒中的植酸含量分別下降了66%和50%[90]。水稻、大豆和大麥等作物的低植酸突變體也在近年來通過誘變法陸續(xù)獲得[91–93]。而植酸酶能夠在種子萌發(fā)過程中催化植酸水解為無機磷和肌醇。動物和人體研究均表明，內(nèi)外源植酸酶都可降低飲食中的植酸含量，并提高鐵的生物利用效率[89]。如植酸酶在小麥胚乳中的轉基因表達，使植物中的植酸酶活性增強，并降低了小麥種子中的植酸含量，從而提高谷物中Fe和Zn的生物利用度[94]。

飲食中的氨基酸可以促進鐵的吸收，尤其是半胱氨酸或富含半胱氨酸的多肽。Lucca等[95]為了增加飲食中半胱氨酸的含量，把一個富含12個半胱氨酸殘基的金屬硫因類似蛋白 (cysteine-rich metallothioneinlike protein) 基因導入水稻胚乳，結果發(fā)現(xiàn)該金屬硫因類似蛋白在水稻胚乳中過量表達，并使半胱氨酸含量比正常水平提高10倍。將NA合成酶基因OsNAS1在水稻種子中特異超表達后獲得了NA高積累的轉基因水稻，其籽粒的鐵吸收效價更是原始品種的2倍[96]。

表2 植物感應鐵缺乏的相關信號Table 2 Signals in plants responding to iron deficiency

5.3 采用農(nóng)藝措施等改善植物鐵營養(yǎng)

通過施用土壤改良劑、噴施鐵肥、種子引發(fā)技術、作物間作等農(nóng)藝措施能夠改善作物的營養(yǎng)狀況。其中，噴施鐵肥能夠快速、有效地提高作物中的鐵含量及其生物有效性。He等[97]通過試驗發(fā)現(xiàn)不同鐵肥的施用均能提高精米中的鐵含量和生物有效性，且DTPA-Fe的效果最為顯著。石灰性土壤上鐵高效機理Ⅱ植物與鐵低效機理Ⅰ植物的間作能有效改善機理Ⅰ植物的鐵營養(yǎng)，因為機理Ⅱ植物不僅能通過合成及分泌鐵載體滿足自身對鐵的需求，更重要的是能夠顯著影響間作機理Ⅰ植物根系對鐵的吸收和轉運[98]。如玉米/花生在石灰性土壤上的間作可以提高玉米麥根酸的分泌量和花生活性鐵含量，同時在缺鐵敏感時期，花生AhFRO1和AhIRT1基因顯著上調，使其鐵還原酶活性提高，從而促進間作花生對鐵的吸收及轉運，并顯著提高花生子粒中的鐵含量。而且對于豆科植物花生而言，鐵營養(yǎng)的改善還有利于根瘤的形成及固氮能力的提高[98–99]，表明一些合理的農(nóng)藝措施，如噴施鐵肥及間作作物合理搭配而充分挖掘和利用植物間互惠互利的遺傳潛力，對加強作物鐵的吸收和利用具有重要的指導和實踐意義。

6 研究展望

迄今為止，植物鐵吸收機制研究已經(jīng)取得了較大的進展，并克隆了大量關鍵性基因，對其作用也有了初步的實驗證據(jù)。對有關植物缺鐵脅迫的響應及改善植物鐵營養(yǎng)也有了一定的了解，但還需對以下幾個方面進行更深入、更全面的研究：1) 植物鐵吸收機理Ⅰ和機理Ⅱ的具體過程及涉及到的相關基因已經(jīng)相當清楚，但目前對于Moil所提出的吞噬機制還不是很了解，其中起關鍵作用的NRAMP基因究竟是如何吸收并轉運鐵元素的還需要進一步的試驗驗證，而血紅蛋白是否也在這一過程中發(fā)揮作用，也要進行深入的研究。2) 雖然已發(fā)現(xiàn)了諸多如植物激素、氣體信號分子等缺鐵脅迫感應信號，但對于激素之間、信號分子之間以及激素與信號分子之間是如何相互作用緩解鐵脅迫的還有待于進一步的探索。此外，除擬南芥之外的機理Ⅰ植物和禾本科植物中是否存在響應缺鐵的microRNAs，這些microRNAs

又是如何通過調控信號分子或轉錄因子對缺鐵脅迫作出響應的還不是很清楚。3) 盡管目前已有多種途徑可以對鐵營養(yǎng)成分進行改善，調節(jié)植物體內(nèi)鐵平衡，但還需繼續(xù)對抗鐵脅迫基因型品種進行篩選，因為篩選抗逆性強的基因型植物已成為克服植物鐵脅迫的根本途徑；開發(fā)轉鐵蛋白基因作物的新品種也將成為一種新的研究趨勢。最終達到提高植物鐵營養(yǎng)效率，從而改善人類鐵營養(yǎng)的目的。