植物缺鐵機(jī)理研究淺述

1、植物缺鐵機(jī)理研究淺述陸海明植物缺鐵是世界農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中面臨的一個(gè)嚴(yán)重而普遍的問題(Korcak,1988)。早在150多年前Gris就已經(jīng)對(duì)缺鐵現(xiàn)象有所描述，他發(fā)現(xiàn)生長(zhǎng)在石灰性土壤中的葡萄葉片出現(xiàn)的失綠癥狀與缺鐵有關(guān)。關(guān)于鐵在植物體內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)以及缺鐵的生理機(jī)制一直是植物營(yíng)養(yǎng)學(xué)家關(guān)心的問題。本文就缺鐵機(jī)理的研究作簡(jiǎn)單的回顧。一、鐵元素的生理功能及其在土壤中的含量鐵是植物所必需的微量營(yíng)養(yǎng)元素之一，大多數(shù)植物的含鐵量為100300mg/Kg(干重)，且常隨植物種類和植株部位的不同而有差別。鐵是葉綠素合成所必需的營(yíng)養(yǎng)元素；它參與植物細(xì)胞內(nèi)的氧化還原反應(yīng)和電子傳遞，鐵可以與某些有機(jī)物結(jié)合形成具有強(qiáng)氧化還原能力

2、的血紅蛋白，鐵也是鐵硫蛋白的重要組成部分；植物細(xì)胞的呼吸作用中許多酶如細(xì)胞色素氧化酶、過氧化氫酶、過氧化物酶等都含有鐵。盡管在多數(shù)土壤中全鐵的含量并不低，但可被植物吸收利用的可溶性鐵含量卻很低。土壤溶液中的鐵濃度為10-20-10-6mg/l(RomheldandMarschner,1986),在石灰性土壤中約為10-10mol/l(O'Conneretal.,1971),主要以三價(jià)鐵的氧化物，氫氧化物、碳酸鹽的形態(tài)存在。鐵的溶解度受pH的影響很大，pH每降低一個(gè)單位，鐵的溶解度約增加1000倍，可溶性鐵在pH為6.5-8.0時(shí)達(dá)到最低，當(dāng)pH>7.5時(shí)，鐵的溶解度降低到10-2

3、0mol/l(LindsayandSchwab,1982)。Lindsay(1972)從理論上計(jì)算后認(rèn)為，如果靠質(zhì)流來滿足植物對(duì)鐵的需求，鐵的總濃度至少應(yīng)高達(dá)10-6mol/lo然而，要達(dá)到這一水平，只有在土壤pH3時(shí)才能實(shí)現(xiàn)，而絕大多數(shù)土壤的pH值都遠(yuǎn)高于3。全世界約有25%30%的土壤存在潛在缺鐵的問題(李澤巖，1984),呈“補(bǔ)丁”狀分布于世界各地。進(jìn)一部研究表明，缺鐵土壤大多是干旱、半干旱地區(qū)的石灰性土壤(ChenandBarak,1982)。二、植物缺鐵反應(yīng)機(jī)理及其影響因素(一)植物缺鐵時(shí)形態(tài)學(xué)和生理學(xué)變化植物缺鐵時(shí)形態(tài)變化有：根系生長(zhǎng)增加、根尖膨大、增粗、產(chǎn)生大量根毛、表面積擴(kuò)大(

4、RomheldandMarschner,1981);根的外表皮細(xì)胞和根毛中形成大量轉(zhuǎn)移細(xì)胞(Krameretal.,1980;Landsberg,1982)。生理變化主要有：根向外分泌H+和能力顯著增加；酚類等還原物質(zhì)的分泌量增多(RomheldandMarschner,1981);有機(jī)酸的分泌量也增加(Landsberg,1982);根系對(duì)Fe3+的還原能力增強(qiáng)(RomheldandMarschner,1983)。(二)植物適應(yīng)性缺鐵反應(yīng)機(jī)制植物鐵能夠以Fe2+、Fe3+或鐵的螯合物形式被植物根系所吸收，但是Fe2+是植物吸收利用的主要形式。Fe3+N有在根的表面還原成532+以后才能被吸收

5、(Hofner,1972)。根據(jù)植物對(duì)缺鐵的反應(yīng)機(jī)制不同，可分為以下兩種適應(yīng)機(jī)理：StrategyI雙子葉和非禾本科單子葉植物缺鐵時(shí)，體內(nèi)發(fā)生如下適應(yīng)性機(jī)制：(1)原生質(zhì)膜上的H+-ATPase質(zhì)子泵被激活，H+由膜內(nèi)泵向膜外，根際pH下降，提高了根際鐵的有效性。(2)膜外低pH在原生質(zhì)膜上誘導(dǎo)產(chǎn)生三價(jià)鐵離子還原酶，它可將Fe3+還原成Fe2+,并由膜外轉(zhuǎn)運(yùn)到膜內(nèi)，NADPH或NADH作為誘導(dǎo)還原酶的電子供體。Zaharieva(1997)通過比較非禾本科單子葉植物(StrategyI)和禾本科單子葉植物(Strategy")吸收Fe2+的機(jī)理，發(fā)現(xiàn)質(zhì)膜上的Fe2+-轉(zhuǎn)運(yùn)子(Fe2+

6、-transportor)只有在非禾本科單子葉植物(StrategyI)缺鐵時(shí)才被誘導(dǎo)，它不同與其它二價(jià)陽離子的轉(zhuǎn)運(yùn)子。在高濃度的Zn2+脅迫下Fe2+-轉(zhuǎn)運(yùn)子也可以轉(zhuǎn)運(yùn)Zn2+,但轉(zhuǎn)運(yùn)效率較低。(3)植物根分泌螯合態(tài)化合物(主要是酚類化合物)絡(luò)合三價(jià)鐵離子，通過誘導(dǎo)還原酶被轉(zhuǎn)運(yùn)到膜內(nèi)，被植物吸收利用。Bienfcint(1985)認(rèn)為，根細(xì)胞質(zhì)膜上有兩種不同的氧化還原系統(tǒng)，即標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)和可誘導(dǎo)系統(tǒng)(也叫Turbo系統(tǒng))，標(biāo)準(zhǔn)還原系統(tǒng)存在于所有植物細(xì)胞中，僅還原鐵氧化物，而不與Fe3+-螯合物反應(yīng)，這一系統(tǒng)的活性強(qiáng)弱與植物鐵營(yíng)養(yǎng)狀況無關(guān)，誘導(dǎo)系統(tǒng)由缺鐵脅迫誘導(dǎo)，其電子受體是Fe3+-螯合物。以上

7、這些缺鐵機(jī)理是一個(gè)整體，相互影響，并嚴(yán)格受基因控制，對(duì)于一個(gè)給定的物種可能是由一個(gè)主基因控制(Marschner,1992)。StrategyII禾本科單子葉植物在缺鐵條件下，根部大量分泌麥根酸類植物鐵載體(phytosiderophore)。它對(duì)鐵有活化作用，因此禾本科植物很少出現(xiàn)缺鐵癥狀。其作用機(jī)理分為四部分：1、鐵載體的生物合成；2、鐵載體的分泌；3、鐵載體對(duì)鐵的活化；4、植物對(duì)鐵載體螯合鐵的吸收(張福鎖，1997)。植物鐵載體的分泌并非受缺鐵的專一性誘導(dǎo)，缺鋅小麥也能分泌同類植物鐵載體，但缺銅和缺鎰則不能誘導(dǎo)這類鐵載體的分泌。植物鐵載體不僅能活化介質(zhì)中的鐵，而且能活化銅和鋅。用放射性同

8、位素研究的結(jié)果表明，植物對(duì)鐵載體螯合鐵的吸收是專一性的，其吸收量可以是其它螯合物的上百倍到上千倍。這一特性并未在其它金屬的螯合物上表現(xiàn)出來。植物鐵載體分泌及其對(duì)鐵活化能力的非專一性使這一機(jī)理的作用效率明顯下降，但植物吸收系統(tǒng)的專一性彌補(bǔ)了這一缺陷。通過對(duì)這些缺鐵適應(yīng)機(jī)制的研究，確定控制這些性狀的基因，為人們進(jìn)行這一適應(yīng)機(jī)理的遺傳控制基因研究提供動(dòng)力和目標(biāo)，進(jìn)而可以選育植物營(yíng)養(yǎng)高效利用型的物種。(三)影響植物吸收利用鐵的主要環(huán)境因素1石灰性土壤中HCO3-在石灰性土壤上，最易發(fā)生缺鐵失綠癥狀，HCO3-導(dǎo)致植物缺鐵失綠機(jī)理一直是國(guó)內(nèi)外植物營(yíng)養(yǎng)學(xué)家研究的熱點(diǎn)。一些研究者發(fā)現(xiàn)缺鐵失綠植物根部質(zhì)外體內(nèi)

9、可以累積較高濃度的鐵離子，黃花葉片中鐵離子比正常的葉片要少(Bienfaitetal.1985;Longneckerundwelch,1990;MengelandGewtzen,1988)。Planke(1991)發(fā)現(xiàn)，根中的HCO3能影響木質(zhì)部中的pH,進(jìn)而影響鐵在莖桿中的擴(kuò)散運(yùn)輸。Romheld,D,V(1997)用油菜做水培試驗(yàn)證明，在短期內(nèi)HCO31響鐵的吸收是由于它限制了三價(jià)鐵還原酶的還原能力，木質(zhì)部無論在短期還是在長(zhǎng)期試驗(yàn)中pH都沒有改變。田間試驗(yàn)也顯示，缺鐵失綠是由于根系吸收以及轉(zhuǎn)運(yùn)到幼葉的量少。Nikolic,M和Kastori,R(1997)同樣用油菜做水培試驗(yàn)認(rèn)為，HCO3

10、-導(dǎo)致植物缺鐵黃花是由于根中鐵的獲得受阻，而不是葉中的鐵失活。在石灰性土壤上，CaCO3含量較高，由根呼吸產(chǎn)生的CO2與根際土壤顆粒水溶液中溶解的CaCO3生成HCO3-中和由膜內(nèi)泵向膜外的H+,導(dǎo)致膜外pH升高，而Fe3+由膜內(nèi)向膜外運(yùn)輸受膜上的Fe3+還原酶的調(diào)節(jié)，當(dāng)pH上升時(shí)鐵的轉(zhuǎn)運(yùn)受到限制。HCO3一的濃度也與CO2分壓和土壤緊實(shí)度有關(guān)，當(dāng)土壤中的CO2分壓較高或土壤結(jié)構(gòu)緊實(shí)時(shí)，植物根呼吸不良，氧氣缺乏，CO2分壓較高，引起HCO3-濃度增大、pH升高。HCO3-在土壤溶液中有較強(qiáng)的pH緩沖能力，其毒害作用較難逆轉(zhuǎn)。長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)低溫陰雨出現(xiàn)的所謂“壞天氣失綠癥”即是此原因(Perretan

11、dKoblet,1981)。從上面的分析可以知道鐵離子從土壤介質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)到根內(nèi)不是限制因子，HCO3-影響鐵從根質(zhì)外體轉(zhuǎn)移到細(xì)胞質(zhì)進(jìn)而通過長(zhǎng)距離運(yùn)輸?shù)饺~片中被植物利用，究竟是通過影響質(zhì)外體的pH值亦或質(zhì)膜上的Fe3+還原酶，還是兼而有之仍需進(jìn)一步探討。許多研究者同時(shí)又發(fā)現(xiàn)，在石灰性土壤上，缺鐵失綠葉片中鐵的含量并不低，甚至比正常的葉片的還高(Mengel,1995;Iljin,1943)。Mengel(1984)發(fā)現(xiàn)葉片質(zhì)外體的pH值與以葉綠體濃度為尺度的缺鐵黃花程度之間有明顯的負(fù)相關(guān)性。這可能與葉片內(nèi)積累較多的HCO3-,影響鐵在葉片內(nèi)的分布有關(guān)(LucenaJ.J.,2000)。在葉片中質(zhì)外體

12、pH控制的鐵進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)與根中情況類似。植物葉片內(nèi)的PO43-含量也較高，Mengel(1984)認(rèn)為這不是導(dǎo)致缺鐵的原因而是缺鐵的結(jié)果。DeKock,etc(1981)和Scholl等(1979)提出不能用植物體內(nèi)鐵的絕對(duì)含量表示鐵的營(yíng)養(yǎng)狀況，而應(yīng)以體內(nèi)的“有效活性鐵”作為標(biāo)準(zhǔn)。HCO3-影響植物對(duì)鐵的吸收利用可能抑制鐵從根部向地上部運(yùn)輸，導(dǎo)致在根中積累；或者影響鐵在葉片中的利用導(dǎo)致鐵在葉片中累積，而不能被植物所利用。2不同形態(tài)的氮肥供應(yīng)植物不同氮素形態(tài)的肥料對(duì)植物吸收鐵有不同的影響。供應(yīng)NH4+-N時(shí)植物吸收的陽離子大于陰離子，體內(nèi)外的陰陽離子不平衡，為達(dá)到體內(nèi)電荷平衡，根系釋放出H+,使植

13、物根際酸化，增加鐵的有效性，與此同時(shí)質(zhì)外體空間的pH值也下降，有利于鐵由根向上運(yùn)輸。供應(yīng)NO3-N時(shí)，植物吸收的陰離子量大于陽離子的量，植物根系會(huì)向外釋放HCO3或OH-,使根際pH升高，與提供NH4+-N過程相反，不利于根對(duì)鐵的吸收。但是供應(yīng)NO3-N時(shí)植物根際的pH變化幅度不如供應(yīng)NH4+-N的變幅大，后者pH可以下降2-3.5個(gè)單位(張福鎖，1997)。Mengel等(1995)以玉米作為試驗(yàn)材料，用EDTA-Fe為鐵源，NO3-N作為唯一的氮源，經(jīng)過14-21天后，表現(xiàn)典型的缺鐵黃花癥狀，根、莖、葉pH較高。將這些植株轉(zhuǎn)移到以硫酸鏤為氮源的營(yíng)養(yǎng)液中2-3天后，培養(yǎng)液的pH、植物體內(nèi)pH

14、都下降，植株恢復(fù)綠色。用pH3.5的HCl溶液也可以得到同樣的結(jié)果。H.Kosegarten等(1997)以向日葵為試驗(yàn)材料也得到了相似的結(jié)論。據(jù)趙秀蘭等(1998)用小麥為試驗(yàn)材料結(jié)果顯示，小麥根、莖的鐵濃度也隨營(yíng)養(yǎng)液中NO3-比例的提高而增加，這可能與供應(yīng)NO3-使根和莖質(zhì)外體的pH值升高，導(dǎo)致鐵在質(zhì)外體空間發(fā)生沉淀有關(guān)。崔驍勇等(2000)用豌豆水培試驗(yàn)也證明氮素形態(tài)對(duì)豌豆鐵營(yíng)養(yǎng)的影響主要是通過提高根際pH值，抑制根系還原酶活性的作用，從而降低植物對(duì)鐵的吸收利用能力，即通過影響質(zhì)外體pH起作用的。3微生物J.Masalha等(2000)用玉米和向日葵在石灰性土壤上做試驗(yàn)，在未滅菌土壤上的

15、植株生長(zhǎng)情況比滅菌后土壤上生長(zhǎng)的好，并未顯示缺鐵癥狀，根內(nèi)的鐵含量較高。滅菌處理后麥根酸類植物鐵載體產(chǎn)生被抑制，導(dǎo)致根質(zhì)外體內(nèi)鐵濃度下降。4外源激素Mengel(1988)用玉米作為試驗(yàn)材料有，在缺鐵失綠的葉片上施用IAA或殼梭抱素(fusicoccin)可以使葉片恢復(fù)綠色，但并沒改變?nèi)~片內(nèi)的pH值。這可能與施用IAA或殼梭抱素(fusicoccin)后刺激質(zhì)膜上的質(zhì)子泵活性有關(guān)。Maschner(1986)曾指出根中高濃度的HCO3-降低了細(xì)胞分裂素向上轉(zhuǎn)移，從而影響蛋白質(zhì)和葉綠素的合成。3、 鐵在體內(nèi)運(yùn)輸及利用當(dāng)Fe2+被根吸收后，在大部分的根細(xì)胞中可氧化成Fe3+,并被有機(jī)酸(主要是檸檬

16、酸，還有蘋果酸等)螯合，通過木質(zhì)部被運(yùn)輸?shù)降厣喜?。其它高濃度的重金屬元素能夠把鐵從其絡(luò)合物上取代，影響植物對(duì)鐵的吸收和運(yùn)轉(zhuǎn)。植物體內(nèi)高濃度的PO43-通過與三價(jià)鐵離子結(jié)合沉淀也影響其有效性的發(fā)揮(MathanandAmberger,1997;Scherer,1978)。鐵離子在植物體內(nèi)的移動(dòng)性較差，缺鐵癥狀通常是從新葉開始，在有可見癥狀之前，植物體內(nèi)的代謝已受到影響，只有在葉片尚未發(fā)育完全，缺鐵脅迫不是太嚴(yán)重時(shí)用葉面噴施或土壤施肥的辦法來矯正才有效。傳統(tǒng)的觀點(diǎn)一直認(rèn)為鐵在韌皮部是不能移動(dòng)的，但用菜豆為試驗(yàn)材料測(cè)得，在韌皮部?jī)?nèi)鐵是以Fe2+與植物內(nèi)源螯合物-煙草酸(nicotianamine)結(jié)合的形式在體內(nèi)移動(dòng)的(Schmidke,I.andStephan,U.1995;Axel.Pich,etal.2001),它與植物基因型及其環(huán)境條件有關(guān)(Mass,etal.1998;MengelandGeurtzen,1986)。4、 研究展望如何提高植物