我國科學(xué)家揭示穩(wěn)定鐵同位素指示水稻吸收轉(zhuǎn)運鐵的過程機制

鐵是植物生長必需的營養(yǎng)元素，其在細胞呼吸、光合作用和金屬蛋白的催化反應(yīng)過程中發(fā)揮著重要作用。植物有兩種鐵吸收方式，即機理（Strategy）I 和機理II。機理Ⅰ是指還原酶首先將Fe3+還原成Fe2+，然后由鐵轉(zhuǎn)運蛋白將Fe2+運輸?shù)街参矬w內(nèi)。機理II 是指植物體內(nèi)合成大量的植物鐵載體，并分泌到根際土壤與Fe3+直接結(jié)合，以螯合物的形式轉(zhuǎn)運至植物體內(nèi)。傳統(tǒng)觀點認為，植物只具備其中一種特定的鐵吸收方式。然而近期研究表明，水稻兼具兩種機理。

為了研究水稻在富鐵與缺鐵環(huán)境下鐵的吸收及轉(zhuǎn)運機理，中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所研究人員與合作者系統(tǒng)研究了高有效態(tài)鐵（Fe3+-EDTA 培養(yǎng)液體系）和低有效態(tài)鐵（喀斯特地區(qū)堿性稻田）種植條件下水稻對鐵的吸收轉(zhuǎn)運過程。通過分析土壤、孔隙水及培養(yǎng)液水稻各組織部位的Fe 同位素組成，發(fā)現(xiàn)兩種不同種植條件下的水稻Fe 同位素分餾方向和尺度具有明顯差異。高有效態(tài)鐵種植環(huán)境中，植物根系Fe 同位素組成（d56Fe）比水培液輕約0.6‰，且水稻各個組織部位Fe 同位素組成變化很大，最大可達約1.5‰。這表明在富鐵環(huán)境下生長的水稻以機理I 方式吸收鐵，該過程伴隨著劇烈的氧化還原反應(yīng)。喀斯特地區(qū)堿性土壤條件下的低有效態(tài)種植環(huán)境中，水稻根系Fe 同位素組成比孔隙水略微重約0.3‰，且水稻各個組織部位Fe 同位素組成變化非常有限，這說明在低鐵脅迫環(huán)境下，鐵在水稻中的吸收轉(zhuǎn)運以機理II 為主，并且鐵在植物體內(nèi)始終以鐵螯合物的形式轉(zhuǎn)運，該過程無氧化還原反應(yīng)參與。該研究第一次采用穩(wěn)定Fe 同位素手段研究了不同生長條件下水稻吸收轉(zhuǎn)運鐵過程機制，為調(diào)控水稻鐵元素吸收及其合理利用提供了重要理論支撐；該工作也為金屬穩(wěn)定同位素手段在土壤-植物系統(tǒng)元素遷移與轉(zhuǎn)化研究中的應(yīng)用提供了較好的范例。

該研究由環(huán)境地球化學(xué)國家重點實驗室研究員劉承帥及其博士生高庭與廣東省生態(tài)環(huán)境技術(shù)研究所李芳柏團隊合作完成。成果近期在地球化學(xué)領(lǐng)域期刊Chemical Geology 在線發(fā)表。研究工作受到國家自然科學(xué)基金項目（41701266，U1701241）、中科院前沿重點項目（QYZDBSSW-DQC046）資助。