黃 俊, 張育維, 汪 洪

(1.安徽省桐城市種植業(yè)管理中心 安徽桐城 231400;2.中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/國家化肥質(zhì)量檢驗檢測中心〔北京〕/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全肥料源性因子風險評估實驗室〔北京〕 北京 100081)

0 前言

鐵是一種金屬元素,原子序數(shù)為26,平均相對原子質(zhì)量為55.845,常見價態(tài)有0 價、+2 價、+3 價。 Fe(Ⅱ)作為電子供體,Fe(Ⅲ)作為電子受體,參與眾多氧化還原的生化反應。 鐵是人體必需的微量元素,是人體血紅蛋白、肌紅蛋白、血紅素酶或非血紅素化合物等的重要組成,參與氧的運輸和貯存及多種金屬酶的合成,調(diào)節(jié)組織呼吸,防止疲勞,促進人體生長、神經(jīng)發(fā)育,增強人體免疫力[1-2]。 聯(lián)合國在《2030 年可持續(xù)發(fā)展議程》中提出的可持續(xù)發(fā)展目標(SDGs) 的第二項(SDG-2)“零饑餓”目標,旨在通過獲得安全營養(yǎng),到2030 年結束所有形式的饑餓和營養(yǎng)不良[3],但糧食不安全和營養(yǎng)不良仍是全球面臨的最大挑戰(zhàn)。 根據(jù)聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織等發(fā)布的《2022 年世界糧食安全和營養(yǎng)狀況》,2021 年全球有7.02 億～8.28 億人陷入饑餓,預計到2030 年全世界仍將有近6.7 億人(占全球總人口的8%)面臨饑餓,發(fā)展中國家特別是人口大量增加的非洲和南亞地區(qū)的情況較為嚴重[4]。

鐵是植物生長發(fā)育必需的微量元素,參與植物體內(nèi)葉綠素合成、光合作用、電子傳遞等生理代謝過程[5]。 第一次農(nóng)業(yè)綠色革命提高了谷類作物的產(chǎn)量,增加了全球糧食供給,但忽視了糧食品質(zhì)對環(huán)境和人體健康的影響,出現(xiàn)了“隱性饑餓”問題,即微量元素營養(yǎng)無法滿足人體需求,尤其是鐵、鋅、維生素A 等缺乏[6-7]。 發(fā)展中國家低收入貧困家庭多以禾谷類籽粒為主要食品,谷類作物的微量元素不僅含量較低,而且大多數(shù)鐵、鋅等聚集在谷物籽粒的糊粉層中,在糧食加工過程中因糊粉層的分離導致?lián)p失[8]。 另外,作物籽粒中富含植酸,容易與鐵、鋅等結合形成不溶配合物,而人體消化系統(tǒng)缺少植酸水解酶,影響對鐵等微量元素的吸收。 因此,在以谷物為主食、經(jīng)濟負擔能力較弱的發(fā)展中國家人群中普遍存在鐵、鋅等微量元素缺乏問題[9]。 “隱性饑餓”會削弱免疫系統(tǒng),使人們?nèi)菀资艿礁篂a威脅、病毒感染,兒童容易出現(xiàn)發(fā)育遲緩、失明、貧血等癥狀;全球近5 億15～49 歲的女性患有衰弱性貧血,缺鐵是主要原因。 因營養(yǎng)不良(包括蛋白質(zhì)和熱量攝入不足以及微量營養(yǎng)素缺乏)導致整個非洲的經(jīng)濟損失平均占國內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)的11%[10]。 本文就人體鐵素攝入與人體健康、生物強化與作物鐵肥施用等方面的研究進行了綜述。

1 鐵與人類健康

人體鐵營養(yǎng)的維持與人體內(nèi)鐵含量密切相關,缺鐵會導致人出現(xiàn)疲勞和虛弱、認知和免疫系統(tǒng)受損、智力發(fā)育不良等問題[11-12]。 缺鐵是人體貧血的主要原因,缺鐵性貧血(IDA)是全世界最普遍的營養(yǎng)缺乏癥,影響到全球33%的非孕婦、40%的孕婦和42%的兒童[13]。 估計超過60%的全球人口存在缺鐵或潛在缺鐵的問題,其中約25%的人口存在嚴重的缺鐵性貧血問題[14-15]。 缺鐵風險較高的人群是學齡前兒童和育齡婦女,鐵營養(yǎng)不良是2019 年全球0 ～9 歲、10～24 歲人群殘疾調(diào)整生命年(DALYs)的主要風險因素,因素排序分別為第7 位和第8 位[16]。 亞洲開發(fā)銀行和聯(lián)合國兒童基金會(UNICEF)的一項研究發(fā)現(xiàn),缺鐵性貧血會導致從事繁重體力勞動的工人生產(chǎn)力降低17%,從事中等體力勞動的人群生產(chǎn)力降低5%[17]。 過量鐵離子造成人體“鐵濃化”,通過Fenton 反應引發(fā)氧化性脅迫,發(fā)生非凋亡性細胞過度氧化壞死即鐵死亡(ferroptosis)[18]。

劉建欣等[19]開展的Meta 分析結果顯示:我國0 ～14 歲兒童缺鐵性貧血患病率在2006—2010 年為 22.6%, 2011—2015 年為 21.9%,2016—2020 年下降至16.8%;88.7%的患病兒童表現(xiàn)為輕度貧血,11.3%的表現(xiàn)為中重度;西北、西南地區(qū)兒童患病率分別為31.9%、28.3%;農(nóng)村兒童患病率(25.6%) 遠高于城市兒童的(9.1%)。 2015—2019 年,國家衛(wèi)生健康委員會中國疾病預防控制中心、國家癌癥中心、國家心血管病中心開展了中國居民慢性病與營養(yǎng)監(jiān)測,覆蓋31 個省(區(qū)、市)近6 億人口,現(xiàn)場調(diào)查超過60 萬人,根據(jù)監(jiān)測結果編寫了《中國居民營養(yǎng)與慢性病狀況報告(2020 年)》。 該報告中我國18 歲及以上年齡居民貧血率為8.7%,6 ～17 歲兒童和青少年貧血率為6.1%,孕婦貧血率為13.6%,與2015 年相比均有顯著下降。 《國民營養(yǎng)計劃(2017—2030 年)》要求到2020 年降低人群貧血率,其中5 歲以下兒童貧血率控制在12%以下,孕婦貧血率下降至15%以下,老年人群貧血率下降至10%以下,貧困地區(qū)人群貧血率控制在10%以下;到2030 年,進一步降低重點人群貧血率,其中5 歲以下兒童和孕婦貧血率控制在10%以下。世界衛(wèi)生大會的目標是期待到2025 年實現(xiàn)育齡婦女貧血率減少50%。

2 人體鐵營養(yǎng)攝入

營養(yǎng)是人體維持生命、生長發(fā)育和健康的重要物質(zhì)基礎。 世界衛(wèi)生組織(WHO)推薦的每日飲食鐵攝入量:5 歲以下兒童2 mg/kg(體質(zhì)量,下同),5～12 歲兒童30 mg/kg,育齡婦女60 mg/kg[20]。美國國家科學院醫(yī)學研究所(IOM)食品和營養(yǎng)委員會(FNB)制定的膳食參考攝入量(DRI)中,提供了鐵和其他營養(yǎng)素的攝入量建議[21]。 DRI 是一組參考值的總稱,用于規(guī)劃和評估健康人體的營養(yǎng)攝入,因年齡和性別而異,包括:推薦膳食量(RDA),即每日平均攝入量足以滿足幾乎所有(97%～98%)健康個體的營養(yǎng)需求,通常用于為個人制定營養(yǎng)充足的飲食;充足攝入量(AI),即假設攝入量達到這一水平以確保營養(yǎng)充足,通常在無法確定RDA 時使用;估計平均需求量(EAR),即估計每日平均攝入量水平,以滿足50%健康個體的需求,通常用于評估人群的營養(yǎng)攝入,并為他們制定營養(yǎng)充足的飲食,也可用于評估個體的營養(yǎng)攝入;容許攝入量上限(UL),即不會對健康造成不良影響的每日最大攝入量。 美國居民膳食營養(yǎng)推薦鐵攝入量和可耐受攝入量上限見表1。

表1 美國居民膳食營養(yǎng)推薦鐵攝入量和可耐受攝入量上限mg/d

我國在《國民營養(yǎng)計劃(2017—2030 年)》中建議,貧血、消瘦等營養(yǎng)不良人群要在合理膳食的基礎上,適當增加瘦肉類、奶蛋類、大豆和豆制品的攝入,保持膳食的多樣性,滿足身體對蛋白質(zhì)、鈣、鐵、維生素A、維生素D、維生素B12、葉酸等營養(yǎng)素的需求;增加含鐵食物的攝入或者在醫(yī)生指導下補充鐵劑來糾正貧血。 行業(yè)標準《中國居民膳食營養(yǎng)素參考攝入量 第3 部分:微量元素》(WS/T 578.3—2017)于2017 年發(fā)布,其中中國居民膳食營養(yǎng)參考鐵攝入量見表2。

表2 中國居民膳食營養(yǎng)參考鐵攝入量

為改善人體的鐵營養(yǎng)健康,發(fā)達國家采取的主要策略有飲食多樣化、強化食品和膳食補充劑[13,22-25]。 美國聯(lián)邦政府在《2020—2025 年美國人膳食指南》中指出:食物提供了一系列營養(yǎng)素和其他有益健康的成分,營養(yǎng)需求應主要通過食物來滿足。 因此,飲食多樣化、多食富鐵食物,可增加人體對鐵的攝入。 食物中的鐵分為血紅素鐵和非血紅素鐵兩種形式,瘦肉、海鮮等是血紅素鐵的膳食來源[26],堅果、豆類、蔬菜和強化谷物制品是非血紅素鐵的膳食來源[21,27-28]。 肉類、海鮮和維生素C 可提高非血紅素鐵生物利用度,混合飲食中鐵生物有效性為14%～18%,素食中鐵生物有效性為5%～12%[21,27-28]。 人體吸收非血紅素鐵通常較血紅素鐵困難,且受到食物中各種因素的影響,血紅素鐵生物利用率較高。 抗壞血酸、肉類、家禽和海鮮可增強非血紅素鐵吸收,植酸鹽(存在于谷物和豆類中)和某些非動物性食物(如谷物和豆類)具有相反作用。 與其他鐵吸收抑制劑不同,鈣可能會降低非血紅素和血紅素鐵的生物利用。 主要農(nóng)作物和蔬菜是非血紅素鐵的良好來源,如綠葉蔬菜、豆類、堅果和完整的谷物籽粒。植酸鹽、草酸鹽、單寧和鈣在腸中結合非血紅素鐵,會降低人體對鐵的吸收[29]。 藍豐穎等[29]采用多階段整群抽樣,抽取全國6 座城市、2 個農(nóng)村1 600 名3 ～12 歲的兒童進行調(diào)查,結果發(fā)現(xiàn):鐵攝入量低于平均需要量(EAR)的兒童占17.4%,高于可耐受最高攝入量(UL)的占2.9%;對受訪兒童膳食鐵貢獻最大的食物為谷物和肉類;農(nóng)村兒童動物源鐵的攝入比例顯著低于城市的。

(1)膳食補充劑,即在市場上銷售的含鐵補充劑。 14%～18%的美國人使用含鐵補充劑;含鐵補充劑的使用因年齡和性別存在差異,12 ～19 歲的青少年使用率為6%,哺乳期婦女的為60%,孕婦的為72%[30]。 補充劑中常用的鐵包括亞鐵和三價鐵鹽,如硫酸亞鐵、葡萄糖酸亞鐵、富馬酸亞鐵、乙二胺四乙酸鐵、檸檬酸鐵、硫酸鐵等。富馬酸亞鐵含鐵33%,硫酸亞鐵含鐵20%,葡萄糖酸亞鐵含鐵12%[31]。 因亞鐵鹽具有較高的溶解度,故膳食補充劑中亞鐵的生物利用率比三價鐵的高[27]。 高劑量補充鐵(超過45 mg/d)可能會導致胃腸道副作用,如惡心、便秘等[21]。 補充其他形式的鐵,如天然植物鐵蛋白、乳鐵蛋白、血紅素鐵多肽、羰基鐵、鐵氨基酸螯合物和多糖鐵復合物,對腸胃的副作用可能比亞鐵或鐵鹽小。 鈣可能會干擾鐵的吸收,盡管這種影響尚未確定,但一些專家建議不要同時服用鈣和鐵補充劑。

(2)食品強化工程。 美國、加拿大和許多其他國家在食品中添加鐵,開展食品強化,銷售鐵強化的面粉,嬰兒配方奶粉中也可添加鐵[32]。 不同國家對鐵強化食品的規(guī)定有所不同。 在中國,可可粉、嬰兒食品和鹽中允許加入硫酸亞鐵的最大劑量分別為11 ～12、300 ～500、3 000 ～6 000 mg/kg。在日本,可添加到食用橄欖油中的葡萄糖酸亞鐵的最大劑量為150 mg/kg[25]。

3 作物遺傳育種與鐵生物強化

藥物防治、食品防御及飲食多樣化等措施已在發(fā)達國家廣泛應用并取得了良好的效果。 但發(fā)展中國家經(jīng)濟技術相對落后,政策扶持力度不足,食品和藥品防治作用有限,人群飲食習慣多以含鐵量較低的谷物類為主,導致在發(fā)達國家行之有效的措施在發(fā)展中國家并不能得到很好的實施。生物強化工程被認為是一種安全、經(jīng)濟、穩(wěn)定、有效的策略[33-35]。 在 Ross Welch 教授、 Robin Graham 教授和Howarth ″Howdy″ Bouis 博士等科學家的倡議下,2004 年國際農(nóng)業(yè)研究磋商委員會組織啟動了HarvestPlus 計劃,即生物強化項目。該項目針對發(fā)展中國家人群鐵、鋅、維生素A 等微營養(yǎng)普遍貧乏的狀況,旨在培育和推廣富含微量營養(yǎng)元素的作物新品種,克服植物性食物中微量營養(yǎng)元素不足的缺陷,提高膳食營養(yǎng)水平。 美國比爾和梅林達·蓋茨基金會、美國國際開發(fā)署、世界銀行和丹麥外交部國際發(fā)展署資助該項目,國際熱帶農(nóng)業(yè)中心和國際農(nóng)業(yè)政策研究所負責協(xié)調(diào),在全球特別是在發(fā)展中國家建立了研究聯(lián)盟進行具體實施[35]。 實現(xiàn)生物強化的主要途徑是植物育種和農(nóng)藝栽培措施,提高糧食作物籽粒中微量元素的含量和生物有效性,提高作物可食用部分鐵含量,從而改善通過主食提供的鐵素營養(yǎng)[34-36]。 遺傳育種的生物強化措施涉及基因工程和常規(guī)育種。 精米和小麥籽粒中的鐵含量生物強化目標分別為13～15、59 mg/kg,而普通水稻的籽粒鐵含量低7.5 倍,普通小麥籽粒中的鐵含量僅為20～40 mg/kg[37-39]。 HarvestPlus 計劃旨在通過作物育種研究項目,研發(fā)小麥、水稻和大豆等的新品種,鐵含量提高了10 mg/kg[40]。 HarvestPlus項目與國際干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究中心(ICARDA)合作開發(fā)了鐵強化的扁豆品種[41],2010 年首次在孟加拉國和敘利亞上市,目前孟加拉國、印度、尼泊爾和敘利亞已經(jīng)發(fā)布了12 種富鐵扁豆;與國際半干旱熱帶作物研究所(ICRISAT)合作培育的富鐵小米,在印度和尼日爾已經(jīng)發(fā)布了2 種開放授粉品種和9 種小米雜交種,鐵含量達到77 mg/kg,珍珠小米中鐵生物利用率達8%[42];研發(fā)了近60 個富鐵豆類品種,鐵含量比常規(guī)品種的高90%,產(chǎn)量也很高,并具有農(nóng)藝、口感和烹飪特性,在11 個國家得到推廣,定期食用可為育齡婦女和兒童提供80%的日鐵需求,迄今已在布隆迪、剛果民主共和國、盧旺達等非洲國家推廣了42 個品種,在玻利維亞、巴西、哥倫比亞、薩爾瓦多、危地馬拉、洪都拉斯、尼加拉瓜、巴拿馬等推廣了23 個品種[43]。 在盧旺達開展的一項針對女大學生的生物效能試驗發(fā)現(xiàn),高鐵豆類改善了人體鐵營養(yǎng),認知能力、大腦功能和工作效率明顯增強[44]。 缺鐵的女大學生(18 ～27 歲)每天吃富鐵豆,堅持4.5 個月后,體內(nèi)血紅蛋白、血清鐵蛋白和鐵濃度明顯升高[45],記憶力、注意力及完成每天體力勞動的能力明顯提升[46-48]。

分子標記輔助選擇、高通量表型和特定性狀的基因型篩選等分子育種與轉基因組技術已應用于鐵生物強化的遺傳育種計劃中[49]。 全基因組關聯(lián)研究(GWAS)加速遺傳標記的開發(fā),有助于更快地確定目標基因。 通過數(shù)量性狀基因座(QTLs)定位和GWAS 鑒定了與水稻籽粒中鐵和鋅積累有關的遺傳位點,在12 條水稻染色體上已鑒定出93 個與鐵含量相關的QTLs,其中數(shù)量最多的位于第1、3、7 號染色體,17 個穩(wěn)定的QTLs位于第1～4、6～8、10、11 號染色體[50]。 表達水稻煙酰胺合成酶(OsNAS2)和大豆鐵蛋白(SferH-1)基因有助于提高胚乳中鐵和鋅含量[51-52]。 過表達OsYSL2和鐵儲存蛋白鐵蛋白的轉基因水稻品系體內(nèi)鋅和鐵的濃度分別增加了1.6 倍和6 倍[53]。 作物籽粒中植酸含量較高,通過增加煙酰胺含量或過表達NAS基因可降低植酸含量,增強小麥和玉米的鐵生物利用[38]。 反向育種、寡核苷酸介導誘變、基因組編輯技術和高通量表型等現(xiàn)代技術,為微量營養(yǎng)生物強化育種戰(zhàn)略帶來全新的變化[54-55]。 遺傳育種的生物強化措施能有效提高作物中鐵的含量和有效性,但仍面臨耗時長等問題,而田間應用效果、與重金屬累積相關的健康風險以及在鐵供應不足的背景下能否發(fā)揮其潛力等還有待驗證[40,55-56]。 遺傳生物強化手段目前仍處于早期階段。

4 鐵肥施用與作物鐵強化

4.1 植物鐵吸收運輸與生物強化

4.1.1 土壤鐵供應與植物鐵吸收

谷物中鐵的含量與土壤中鐵的有效性密切相關。 鐵是地殼中第四大元素,在土壤中含量豐富,但是鐵在土壤(尤其是堿性土壤)中主要以不溶性的氧化鐵和氫氧化鐵的形式存在,游離鐵總的物質(zhì)的量濃度一般不超過10-15mol/L,無法滿足植物正常生長發(fā)育對鐵的需求(10-9～10-4mol/L),導致植物缺鐵現(xiàn)象普遍存在,影響作物產(chǎn)量和品質(zhì)[57]。 全球有1/3 的耕地是石灰性土壤,植物缺鐵現(xiàn)象較為嚴重[58]。

為了從土壤中獲得足夠的鐵,植物在長期的進化過程中,形成了2 種不同的鐵吸收策略。 雙子葉植物和非禾本科單子葉植物屬于策略Ⅰ植物,根系向根際釋放有機酸、酚類和黃素類化合物等,促進難溶性鐵化合物溶解、螯合;根系質(zhì)膜上H+-ATPase 泵分泌H+,根際土壤酸度降低,土壤中的可溶性鐵含量增加[59]。 根系質(zhì)膜上誘導Fe3+螯合物還原酶的表達,將Fe3+還原成Fe2+,通過高親和力的Fe2+轉運蛋白轉入根細胞[5]。 Fe3+螯合物還原酶基因FRO2已在擬南芥、番茄、黃瓜、花生等相繼被克隆[60-63]。 Eide 等[64]的研究發(fā)現(xiàn),擬南芥根表細胞質(zhì)膜上鐵轉運蛋白基因AtIRT1屬于ZIP 轉運體家族,具有廣泛的底物特性,除了能轉運鐵外,同時還能轉運鋅、錳和鎘等金屬元素[64]。 在豌豆、番茄、花生等植物根表也相繼發(fā)現(xiàn)了IRT 轉運蛋白[65]。 NRAMP 等蛋白也參與Fe2+的轉運[66]。

禾本科植物采用策略Ⅱ適應土壤中鐵的缺乏。 根系分泌麥根酸類植物高鐵載體(PS),與土壤中的Fe3+螯合形成Fe(Ⅲ)-PS,然后在專一性轉移蛋白YS1 或YSL 作用下,將Fe(Ⅲ)-PS 運輸?shù)礁毎麅?nèi),釋放出Fe3+供植物體內(nèi)生理代謝利用[67]。 PS 由S-腺苷甲硫氨酸通過一系列的酶促反應合成得到。 參與麥根酸生物合成的酶包括煙酰胺合成酶(NAS)、煙酰胺氨基轉移酶和雙脫氧麥根酸合成酶[67]。 Nozoye 等[68]在水稻和大麥根中分離和鑒定了PS 轉運蛋白TOM1。

植物體內(nèi)存在復雜的鐵穩(wěn)態(tài)基因調(diào)控網(wǎng)絡,包括轉錄和翻譯水平上的控制來調(diào)節(jié)鐵穩(wěn)態(tài),既可保證其對土壤中缺鐵脅迫進行應答與有效鐵的吸收,又可避免積累過量的鐵對其自身生長發(fā)育產(chǎn)生毒害[69-71]。 擬南芥中基本螺旋-環(huán)-螺旋(bHLH)轉錄因子的關鍵調(diào)控網(wǎng)絡包括轉錄因子FIT、Ib 亞組、IVc 亞組和URI(bHLH121),這些轉錄因子調(diào)節(jié)擬南芥對鐵的吸收[70]。 植物激素生長素、乙烯、細胞分裂素、脫落酸、油菜素內(nèi)酯、茉莉酸、褪黑素以及一氧化氮、鈣離子信號、鋅指蛋白等信號系統(tǒng)和分子被證實參與調(diào)控植物對鐵的吸收[70,72-73]。 禾本科作物缺鐵脅迫誘導的順式作用元件IDE1 和IDE2 以及特異結合于該元件上的轉錄因子IDEF1 和IDEF2,對維持體內(nèi)鐵平衡具有重要的作用[74]。 微生物在缺鐵或低鐵條件下會產(chǎn)生一些低相對分子質(zhì)量(500～1 000 Da)的有機化合物,稱為鐵載體(Siderophores)。 Fe3+-Siderophores 螯合物一部分被微生物自身吸收,進入細胞后還原成Fe2+,供微生物生長發(fā)育;另一部分被植物吸收利用[75]。

4.1.2 植物體內(nèi)鐵運輸及向籽粒轉運

植物細胞有一套精細的機制,控制細胞內(nèi)游離鐵離子的平衡[76]。 通過細胞膜系統(tǒng)運輸時,Fe(Ⅲ)通常被還原為Fe(Ⅱ)[77],以避免細胞內(nèi)產(chǎn)生過多的活性氧,Fe(Ⅱ)通過VIT1 蛋白被運輸?shù)阶蚜Ｒ号葜衃78]或Fe(Ⅲ)以鐵蛋白形式儲存[79-81]。 在細胞質(zhì)中,鐵可能與有機酸、煙堿酰胺(NA)形成復合物,生成Fe(Ⅲ)-檸檬酸鹽、Fe(Ⅲ)-NA 和Fe(Ⅱ)-NA[76,82-83]。 植物體內(nèi)的鐵通過木質(zhì)部和韌皮部進行長距離運輸,木質(zhì)部中的鐵大多運輸?shù)嚼先~中,韌皮部中的鐵運輸?shù)叫氯~,鐵從營養(yǎng)組織經(jīng)韌皮部運輸?shù)秸诎l(fā)育的種子。 鐵主要在水稻籽粒糊粉層中以Fe(Ⅱ)和Fe(Ⅲ)形式與植酸結合。 小麥中鐵的累積與水稻中的類似,60%或更多的鐵在種子麩皮的糊粉層中積累,其次是鱗莖,胚乳中只有少量鐵積累[84-85]。

木質(zhì)部中的鐵主要以螯合物如Fe3+-檸檬酸復合物的形式存在[86-88]。 在缺鐵條件下,木質(zhì)部中的檸檬酸鹽、蘋果酸鹽和琥珀酸鹽的含量升高[89]。 鐵進入胚胎組織需要經(jīng)歷韌皮部鐵釋放和胚胎鐵吸收2 個步驟。 在擬南芥等雙子葉植物中,鐵首先釋放到胚囊液中,再由胚胎吸收[84];擬南芥鐵還原酶缺陷3 基因FRD3、水稻體內(nèi)該基因同源基因FRDL1介導檸檬酸鹽和鐵向木質(zhì)部運輸[90];鐵蛋白1(FPN1)負責擬南芥體內(nèi)鐵向木質(zhì)部裝載[91]。 葉片中的鐵可通過YSL 轉運蛋白從質(zhì)外體空間裝載到細胞中[92];AtYSL2 參與了鐵從木質(zhì)部到地上部細胞內(nèi)的分布[93],AtYSL1和AtYSL3 參與了Fe-煙堿酰胺復合物從衰老葉片向花序和種子中的轉移、韌皮部中鐵的運輸。水稻YSL 轉運蛋白如OsYSL2,可能參與Fe(Ⅱ)-煙堿酰胺復合物向地上部和種子的轉移[94];OsYSL16 有助于Fe(Ⅲ)-脫氧麥根酸通過維管束鞘的運輸[95];OsYSL18是Fe(Ⅲ)-脫氧麥根酸的轉運載體基因,在花粉、花粉管、葉片和葉鞘接頭部位的韌皮部中表達,說明該基因很可能在水稻受精和韌皮部的鐵運輸中起作用[96]。 寡肽轉運蛋白家族OPT3 參與韌皮部中鐵的運輸,介導地上部到根的信號傳導[97]。

4.2 鐵肥施用

通過施肥包括土壤施用、葉面噴施、種子包衣等農(nóng)藝措施,可提高作物籽粒中鐵的含量[98]。 當前市場上主要的鐵肥品種有以硫酸亞鐵為主的無機鐵肥、螯合態(tài)鐵和一些有機物與鐵復合形成的鐵肥,各種鐵肥詳情可參見文獻[99]。 無機鐵肥穩(wěn)定性差,施入土壤中會迅速轉化為不溶形式;螯合態(tài)鐵肥可克服被土壤固定的缺點,但成本高;有機復合鐵肥肥效較低。

土施鐵肥能夠顯著提高果樹作物的果實產(chǎn)量和品質(zhì)[100]。 Zulfiqar 等[101]通過2 年的田間試驗發(fā)現(xiàn),土施鐵肥處理的面包小麥籽粒產(chǎn)量提高了28%。 Gamble 等[102]于2010—2012 年在阿拉巴馬州的2 個高酸度土壤上開展了田間試驗,結果表明在犁溝中施用Fe-EDDHA 4.5 kg/hm2的處理提高了大豆產(chǎn)量,但施用檸檬酸鐵和FeSO4的處理未能提高大豆產(chǎn)量。 世界上約1/3 的土壤呈堿性,土壤pH 較大,施入土壤中的鐵肥易被固定或氧化成植物難以利用的形式,總體來說土施鐵肥對作物補鐵的效果不是十分理想[99,103]。 基于植物高鐵載體脫氧麥根酸(DMA)結構合成了一種新型鐵螯合劑脯氨酸-2′-脫氧麥根酸(PDMA)[104]。 PDMA 比DMA 穩(wěn)定,合成成本較低。 PDMA 已被證實在水培和石灰基質(zhì)中改善了植物鐵營養(yǎng)[104-105]。 盆栽試驗結果表明,施用PDMA 可使花生根際不溶性鐵溶解,AhYSL1表達增強,改善了花生植株的鐵營養(yǎng);此外,缺鐵引起的黃化和生長抑制顯著減弱。 值得注意的是,在田間條件下,施用PDMA 可提高花生產(chǎn)量和籽粒鐵含量,PDMA 具有作為新型鐵肥的潛力[106]。

葉面施肥可避免土壤對鐵的固定。 在特定生長時期葉面噴施的鐵可以通過莖和葉組織內(nèi)韌皮部或木質(zhì)部運輸[107],提高谷物鐵含量[108-109]。 缺鐵土壤上種植的豌豆在籽粒灌漿期間葉面噴施Fe-EDDHA 和FeSO4,可顯著提高籽粒中鐵的含量,開花期間葉面噴施鐵肥是提高成熟谷物中鐵含量的合適時間[110]。 Fang 等[111]的田間試驗結果表明:葉面噴施鐵肥(0.90 kg/hm2)不影響水稻產(chǎn)量、蛋白質(zhì)含量,可顯著提高鐵含量37.1%;與不進行葉面噴施鐵肥的處理相比,最佳葉面施肥處理的精米中鐵含量增加了2.6 倍。 Zulfiqar等[101]的研究發(fā)現(xiàn):2017—2018 年和2018—2019 年葉面噴施0.5%鐵溶液處理的小麥籽粒鐵含量分別比對照提高了65%和58%。 Yuan 等[112]通過試驗發(fā)現(xiàn):與對照相比,葉面噴施鐵氨基酸(Fe-AA)肥料顯著提高了水稻糙米中的鐵含量,平均提高了14.5%;在Fe-AA 中添加1%煙酸(NA)時,糙米中鐵含量平均提高了32.5%。

浸種、拌種、種子引發(fā)和種子包衣等處理也屬于鐵肥施用的方式。 種子引發(fā)技術主要作用于種子吸水膨脹階段,通過調(diào)控種子吸水狀態(tài),激活種子生理代謝過程,使種子質(zhì)量與植物抗逆能力得到提升。 Zulfiqar 等[101]的試驗結果表明:以種子引發(fā)方式施用鐵肥,小麥籽粒產(chǎn)量提高了33%;通過種子包衣方式施用鐵肥,小麥產(chǎn)量增加21%。 Wei 等[113]在種子發(fā)芽過程中添加質(zhì)量濃度0.05～2 g/L 硫酸亞鐵,發(fā)芽糙米中鐵含量提高了1.1～15.6 倍。 采用不同質(zhì)量濃度(25～600 mg/L)氧化鐵納米顆粒浸泡引發(fā)小麥種子12 h,結果表明:400、200 mg/L 處理的高鐵基因型(IITR26)和低鐵基因型(WL711)小麥的發(fā)芽率和芽長均顯著增加;25 mg/L 處理的IITR26 和WL711 的籽粒鐵含量分別顯著增加45.7%和26.8%[114]。

耕作措施如輪作或間作可以改善作物的鐵營養(yǎng)。 雙子葉植物與禾本科單子葉植物間作促進了雙子葉植物對鐵的吸收。 Zuo 等[115]觀察到,在中國河南省的石灰性土壤中,玉米/花生間作能明顯減輕花生的缺鐵黃化現(xiàn)象,可提高花生中鐵含量和產(chǎn)量。 Gunes 等[116]的田間試驗結果表明,小麥和鷹嘴豆間作,可使小麥籽粒中的鐵含量、鷹嘴豆籽粒中的鐵和鋅含量增加。

施用氮肥和硫肥可提高谷物中微量元素的含量[117-118]。 在鷹嘴豆開花期葉面噴施2%尿素400 L/hm2,可提高籽粒中鋅和鐵的含量[119]。 在大麥孕穗期施用尿素20 kg/hm2(折純),可提高籽粒中鋅和鐵的含量[120]。 水稻-小麥種植體系施用硫肥,可提高谷物中鋅、鐵等元素的含量[118]。

納米顆粒是指粒徑至少在一個維度上小于100 nm 的顆粒,具有小尺寸效應、表面效應、量子尺寸效應和宏觀量子隧道效應。 鐵納米顆粒已用于提高作物鐵含量[121];α-Fe2O3納米顆粒預處理豆科種子可促進根系生長[98];施用鐵納米顆粒改善了花生的營養(yǎng)質(zhì)量、生物量、產(chǎn)量、氮磷代謝和鐵強化[122];施用γ-Fe2O3納米顆粒促進了鐵從根部向植物其他部位運輸,提高了南瓜中鐵的濃度,但Fe(Ⅱ)-EDTA 處理的效果較弱[123];南瓜葉面施用碳涂層鐵納米顆粒有助于將鐵從葉片轉移到其他部位,但不會影響植物生長[124];鐵螯合納米肥料的應用改善了羅勒植物[125]和水稻[126]產(chǎn)量;施用黃鐵礦(FeS2)納米顆粒預處理菠菜種子,可促進菠菜生長[127];施用螯合鐵納米肥料4 kg/hm2,菠菜葉片中的鐵和鉀的積累增加[128];鐵螯合納米肥料的施用改善了水稻品質(zhì),提高了對氮磷鉀的吸收[126]。 納米顆粒的復雜性和不確定性使得施用納米肥料進行生物強化面臨挑戰(zhàn),一些研究報告了納米顆粒對植物的生理損傷。 Al-Amri等[129]的研究表明,Fe2O3納米顆粒會損傷小麥植株根尖細胞,這可歸因于活性氧的產(chǎn)生,破壞了細胞膜。 與非納米形式相比,納米顆粒被認為對生物和環(huán)境系統(tǒng)具有毒性風險,納米顆粒通過食物鏈轉移到可食用植物部位,進而轉移給動物和人類,但這一說法仍需要更多毒理學證據(jù)和風險評估研究,綜合生命周期來評估納米肥料對環(huán)境與人體健康的影響[130-133]。

5 結語

鐵與人體營養(yǎng)健康關系密切,生物強化是改善發(fā)展中國家人群鐵營養(yǎng)狀況的重要途徑(圖1)。 通過育種培育高鐵含量作物品種,采取葉面噴施、土壤施用不同類型的鐵肥等農(nóng)藝措施,改善作物鐵素營養(yǎng),提高農(nóng)產(chǎn)品中鐵的含量,再通過食物鏈傳遞以增強人體鐵素營養(yǎng)攝入。 建議在“醫(yī)學-營養(yǎng)學-農(nóng)學”之間建立起跨學科體系,合作研究肥料-土壤-作物-人體系統(tǒng)中鐵的運轉與利用效率,綜合解決人類鐵營養(yǎng)健康問題。

圖1 鐵肥施用、生物強化與人體鐵營養(yǎng)健康