缺铁状态下水稻铁吸收机制及应用

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《生命的化学》２００８年２８卷４期ＣＨＥＭＩＳＴＲＹ　ＯＦ　ＬＩＦＥ　２００８，２８（４）

●　Ｍｉｎｉ　Ｒｅｖｉｅｗ

文章编号： １０００－１３３６（２００８）04－0412-03

缺铁状态下水稻铁吸收机制及应用

郭振清 郭晓强１

（河北科技师范学院生命科学系，秦皇岛　０６６６００；１解放军白求恩军医学院生化教研室，石家庄　０５００８１）

摘要：铁是水稻生长的必需元素之一，然而由于种种原因使铁处于难吸收状态造成缺铁环境，这极大影响水稻正常发育和产量。水稻可利用根部合成并分泌麦根酸而将Ｆｅ３＋螯合实现吸收（策略ＩＩ），也可直接吸收Ｆｅ２＋（策略Ｉ），这两种策略可协同作用使水稻在缺铁环境下获得尽可能多的铁，以满足生长和发育需要。在实际生产中，可通过转基因而增加麦根酸合成或Ｆｅ

２＋

的吸收来达到增加水稻铁吸收的目的，从而增加水稻产量和改善水稻品质。

关键词：水稻；铁吸收；麦根酸；还原法中图分类号：Ｑ９４６

收稿日期：２００８－０３－２５

作者简介：郭振清（１９６９－），男，硕士，讲师，Ｅ－ｍａｉｌ：Ｇｕｏｚｑ２００１１＠ｅｙｏｕ．ｃｏｍ；郭晓强（１９７７－），男，硕士，讲师，联系作者，Ｅ－ｍａｉｌ：ｘｉａｏｑｉａｎｇｇｕｏ１２３＠１２３．ｃｏｍ

铁是大多数生物生长和发育所必需的元素之一，植物也不例外，铁对于植物叶绿素生物合成及叶绿体发育都发挥着重要的作用，因此铁的缺乏将导致萎黄病的发生，而萎黄病可引起农作物产量和质量下降，是全世界农作物减产的重要原因［１］。尽管铁元素在土壤中含量非常丰富（占地壳元素第四位），然而在碱性、氧化等环境下，铁往往处于高价（Ｆｅ３＋）和难溶状态，这造成植物对铁的吸收能力下降

［２］

，这也使铁成为植物生长和发育最基本最普通的

限制因素之一。为了应对“低铁”环境，植物采取了多种措施，通过激活根部一系列生理和形态学变化而增加铁的摄入，如铁的还原、土壤酸化、二价铁输入和根毛增殖等［３］。以上方法可归纳为两种策略：还原法（又称策略Ｉ，将Ｆｅ３＋转变成Ｆｅ２＋再吸收）和螯合法（又称策略ＩＩ，螯合剂与Ｆｅ３＋结合可增加铁的溶解而实现直接吸收）。非禾本科植物一般采用策略Ｉ，而禾本科植物则采用策略ＩＩ，作为禾本科中重要粮食作物的水稻主要使用策略ＩＩ，然而由于它对铁高度敏感，为了减少缺铁损伤，水稻还采用了类似策略Ｉ的方式，以最大程度增加铁吸收。

１．麦根酸介导的水稻铁吸收机制及应用

麦根酸（ｍｕｇｉｎｅｉｃ　ａｃｉｄ，　ＭＡ）是一类植物体内非蛋白氨基酸，包括２－脱氧麦根酸（ＤＭＡ）、麦根酸（ＭＡ）、３－羟基麦根酸等多种成分，属于植物摄铁素（ｐｈｙｔｏｓｉｄｅｒｏｐｈｏｒｅ），可与Ｆｅ３＋形成螯合物而增加铁的吸收，许多禾本科植物如大麦、小麦、水稻和玉米等都可以在缺铁状态下由根部细胞合成和分泌。麦根酸在结构上与烟胺结构相似，并已经初步阐明了它的合成过程。麦根酸合成的直接原料是Ｌ－甲硫氨酸，首先在Ｓ－腺苷基甲硫氨酸合成酶（Ｓ－ａｄｅｎｏｓｙｌｍｅｔｈｉｏｎｉｎｅ　ｓｙｎｔｈａｓｅ，　ＳＡＭＳ）催化下生成Ｓ－腺苷基甲硫蛋氨酸（ＳＡＭ），随后由烟胺合成酶（ｎｉｃｏｔｉａｎａｍｉｎｅ　ｓｙｎｔｈａｓｅ，　ＮＡＳ）将ＳＡＭ三聚化生成烟胺（ＮＡ），ＮＡ再在烟胺氨基转移酶（ｎｉｃｏｔｉａｎａｍｉｎｅａｍｉｎｏｔｒａｎｓｆｅｒａｓｅ，　ＮＡＡＴ）催化下生成麦根酸的３＇－酮基中间产物，随后由脱氧麦根酸合成酶（ｄｅｏｘｙｍｕｇｉｎｅｉｃａｃｉｄ　ｓｙｎｔｈａｓｅ，　ＤＭＡＳ）催化生成ＤＭＡ，ＤＭＡ是第一个合成的麦根酸，它成为其他类型麦根酸的前体［４］，这些研究为应用奠定了基础。

禾本科植物中大麦麦根酸的分泌种类和数量最多，而小麦和水稻主要生成ＤＭＡ，并且数量有限，因此增加ＤＭＡ的含量对促进铁的吸收具有重要意

义。ＮＡＳ、ＮＡＡＴ和ＤＭＡＳ等是水稻ＤＭＡ合成过程中的重要酶类，它们的含量与麦根酸浓度成正比。水稻中存在三种ＮＡＳ，分别为ＯｓＮＡＳ１、ＯｓＮＡＳ２、

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《生命的化学》２００８年２８卷４期ＣＨＥＭＩＳＴＲＹ　ＯＦ　ＬＩＦＥ　２００８，２８（４）

●　小综述

ＯｓＮＡＳ３，存在多种ＮＡＡＴ（水稻中有六种ＯｓＮＡＡＴ基因），其中ＯｓＮＡＡＴ１为主要酶类，活性最高，ＯｓＮＡＡＴ１在根部和茎部表达，缺铁环境下表达增强［５］。麦根酸在铁吸收过程中的重要性还体现在水稻种子萌发早期许多缺铁诱导酶类如ＯｓＮＡＳ１、ＯｓＮＡＳ２、ＯｓＮＡＳ３、ＯｓＮＡＡＴ１、ＯｓＤＭＡＳ１等的基因表达明显增强，这可能有利于早期发育对铁的需求［６］。通过将大麦ＮＡＡＴ基因转入水稻发现，转基因水稻在缺铁状态下ＤＭＡ的合成和分泌增多，这明显促进了水稻对铁的吸收，因此表现出比正常水稻更强的缺铁耐受力，最终产量也增加４．１倍［７］，这次成功为更广泛的利用增加麦根酸合成来促进铁吸收提供了重要的借鉴。

根部细胞合成并分泌的麦根酸与Ｆｅ３＋形成的螯合物虽然增加了铁的溶解性，然而还需要细胞膜上特定铁转运蛋白来协助完成铁的摄入。最早于玉米中发现了一种这样的蛋白ＺｍＹＳＡ，后来在大麦中发现了ＨｖＹＳ１［８］，并且它们在结构上具有高度的保守性，说明在机制上具有相似性。水稻中也存在多种铁转运蛋白，如ＯｓＹＳＬ１和ＯｓＹＳＬ２，它们在缺铁环境下表达增加，说明它们应该与铁的吸收有密切联系［９］。需要指出的是水稻ＯｓＹＳＬ２基因不仅在根部表达，而且还在韧皮部表达，因此可能既参与根部对铁的吸收，又参与植物体内铁的长距离运输。

前期研究阐明了水稻在缺铁状态下麦根酸介导的铁螯合和铁吸收机制，但对缺铁如何调节该过程缺乏详细的理解，而最新研究则解析了缺铁的诱导机制。水稻中麦根酸合成的相关基因如ＯｓＮＡＳ１、ＯｓＮＡＳ３等上游启动子区都存在一个保守的缺铁反应顺式作用元件（ｉｒｏｎ－ｄｅｆｉｃｉｅｎｃｙ－ｒｅｓｐｏｎｓｉｖｅ　ｃｉｓ－ａｃｔｉｎｇｅｌｅｍｅｎｔｓ，　ＩＤＥ）［１０］，其核心序列为５＇－ＣＡＣＧＴＧＧ－３＇，而相对应的是水稻中还存在一类受到铁诱导的碱性螺旋－环－螺旋（ｂａｓｉｃ　ｈｅｌｉｘ－ｌｏｏｐ－ｈｅｌｉｘ，　ｂＨＬＨ）型的转录因子，如ＯｓＩＲＯ２［１１］，ＯｓＩＲＯ２正好可与ＩＤＥ序列结合并激活下游基因的表达。研究发现水稻中ＯｓＩＲＯ２过表达可使麦根酸分泌显著增加，这使水稻对缺铁的耐受性大大增强，相反抑制ＯｓＩＲＯ２基因表达则使水稻对缺铁环境异常敏感［１２］，这说明ＯｓＩＲＯ２在水稻体内可通过增加麦根酸相关酶的表达而促进麦根酸的合成及分泌，进而参与铁吸收。此外Ｆｅ３＋－麦根酸转运蛋白的表达也受到ＯｓＩＲＯ２的调节，这可进一步增加铁的运输而促进缺铁状态下铁吸收，减少缺铁损害。

深入研究还发现ＯｓＩＲＯ２基因表达也受到其他因素的影响，最新从水稻中鉴定出一个新转录因子ＩＤＥＦ１，该因子可与ＩＤＥ区结合并发挥激活效应，并且也受缺铁环境的诱导［１３］。对ＩＤＥＦ１转基因水稻观察发现无论是在溶液中培养还是在石灰性土中种植，其对缺铁环境的耐受力都较正常水稻明显增强，这项研究表明可利用转入特定转录因子的方法来实现水稻对缺铁的耐受以增加水稻产量。策略ＩＩ作为水稻铁吸收的主要机制，对其深入研究为更好的实际应用奠定了基础，尤其是缺铁诱导的铁吸收机理的逐步阐明使科学家可利用转入相关基因的方法来增加缺铁状态的水稻铁吸收。

２．铁还原法在水稻铁吸收中的机制和作用

和其他禾本科植物不同的是水稻除采用策略ＩＩ摄取土壤中铁元素外，还可采用类似策略Ｉ的方式来实现。２００２年，从水稻中成功克隆得到一个Ｆｅ２＋转运蛋白基因，命名为ＯｓＩＲＴ１，该基因在根部表达并受缺铁环境的诱导［１４］，随后又发现另一个类似基因ＯｓＩＲＴ２［１５］，它们都转运Ｆｅ２＋则暗示着水稻存在另外的铁吸收机制。最新一项研究发现当将水稻内ＮＡＡＴ１基因点突变后根部丧失了合成ＤＭＡ的能力，因此无法在含柠檬酸铁（三价）的培养液中生长，然而突变后的水稻却可以在含ＥＤＴＡ－Ｆｅ（二价）培养液中正常生存，并且所获得果粒中铁含量较正常水稻为高［１６］。对此现象的解释为ＮＡＡＴ１基因突变一方面使ＤＭＡ无法合成，另一方面使ＮＡ积累，而ＮＡ还是一种重要的Ｆｅ２＋螯合剂，这强化了Ｆｅ２＋的吸收，这个结果说明水稻可采用策略Ｉ来实现铁的摄入。

然而和典型利用策略Ｉ实现铁吸收植物不同，水稻中铁还原酶活性较低，这使该策略在自然条件下（往往是Ｆｅ３＋）效果有限，然而对水稻而言可能具有独特的优势。相对于小麦和玉米等农作物，水稻常年生长在水中，根部周围Ｆｅ２＋含量较多，因此存在针对Ｆｅ２＋的吸收使水稻更加适应缺铁环境。水稻存在Ｆｅ２＋吸收的能力在实际中有重要的应用，最近研究人员将酵母Ｆｅ３＋－螯合还原酶基因融合到水稻低铁诱导基因ＯｓＩＲＴ１启动子下，随后利用转基因技术整合到水稻基因组中，这使水稻也拥有铁还原酶活性，可将环境中Ｆｅ３＋还原为Ｆｅ２＋，再利用Ｆｅ２＋转运蛋白实现铁吸收。对该转基因水稻观测表明铁吸收率明显升高、对缺铁环境耐受性明显增强，在相同生长环