稻田體系中鐵的生物地球化學(xué)過程及鐵同位素分餾機(jī)制研究進(jìn)展

李芳柏*，李勇珠 , **

1. 中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所，廣東 廣州 510640；2. 廣東省生態(tài)環(huán)境技術(shù)研究所，廣東 廣州 510650；3. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100039

鐵是植物維持正常生命活動(dòng)的必需微量元素之一，參與眾多生物代謝過程，如生物體內(nèi)光合作用、呼吸作用、氮素同化和固定及激素合成等（Briat et al.，1997）。植物自身不能合成鐵元素，只能從外界環(huán)境中獲得鐵來滿足自身生命活動(dòng)的需要；但是鐵的溶解性很低，植物可以利用的生物有效鐵有限（Guerinot et al.，1994）。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界有20億人口貧血，膳食缺鐵是人類貧血的首要成因，而水稻是全球三分之一人口的主食來源，因此了解水稻吸收鐵的機(jī)制對(duì)提高其對(duì)環(huán)境中鐵的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和富集將有重要作用。

鐵同位素已被廣泛地用來追蹤生物地球化學(xué)過程中的鐵循環(huán)（Beard et al.，2003），比如異化鐵還原（Crosby et al.，2005）、亞鐵的生物和非生物氧化以及吸附、沉淀（Croal et al.，2004；Schuth et al.，2015）等過程。稻田體系中，水稻會(huì)通過改變鐵吸收機(jī)制來應(yīng)對(duì)不斷變化的生境，而鐵吸收機(jī)制的改變會(huì)形成不同的鐵同位素組成特征。當(dāng)土壤水位降低時(shí)，土壤中的鐵從還原態(tài)變成氧化態(tài)，鐵的溶解性和生物可利用性降低，水稻主要利用機(jī)理II途徑，即螯合途徑來吸收鐵；反之，土壤水位升高時(shí)，鐵多以還原態(tài)存在，生物可利用性提高，此時(shí)水稻可以通過機(jī)理I途徑直接吸收亞鐵。進(jìn)入到水稻植株內(nèi)以后，鐵在各器官組織之間的運(yùn)輸涉及到鐵的氧化還原、螯合和轉(zhuǎn)運(yùn)等過程，這些過程均會(huì)導(dǎo)致不同程度的鐵同位素分餾，這些特定的鐵同位素組成信息不容易受環(huán)境改變而保存在水稻植株內(nèi)。因此闡明稻田體系鐵同位素的分餾特征，對(duì)于研究水稻吸收鐵的機(jī)制，以及鐵在土壤-水稻體系中的循環(huán)轉(zhuǎn)運(yùn)有重要意義。

本文從3個(gè)方面進(jìn)行文獻(xiàn)綜述：（1）水稻土中鐵的遷移轉(zhuǎn)換及鐵同位素分餾過程；（2）鐵在水稻內(nèi)吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)的生理機(jī)制；（3）水稻內(nèi)鐵同位素的分餾特征及機(jī)制。以期從這3個(gè)方面綜合理解稻田體系中鐵的生物地球化學(xué)過程。

1 水稻土中鐵的同位素分餾特征及影響因素

鐵是地球上豐度第四的元素，其地球化學(xué)行為作為土壤元素循環(huán)的重要組成部分而具有重大意義。鐵穩(wěn)定同位素方法在示蹤鐵元素地球化學(xué)行為上取得了很大的進(jìn)展（Johnson et al.，2008；Wiederhold，2015）。在水稻土的風(fēng)化發(fā)育過程中，輕鐵會(huì)優(yōu)先淋溶，且鐵形態(tài)和同位素組成隨著土壤發(fā)育的進(jìn)行而發(fā)生變化。近期對(duì)于年代序列水稻土的研究結(jié)果顯示不同發(fā)育年齡土壤之間的鐵同位素組成范圍為0.1‰-0.18‰，鐵同位素分餾值大小與水稻土發(fā)育年齡成正相關(guān)關(guān)系（Huang et al.，2018）。同時(shí)，隨著發(fā)育年齡的增加，土壤中弱結(jié)晶態(tài)和硅酸鹽結(jié)合態(tài)鐵的比例下降，而氧化態(tài)鐵比例上升，這可能是長(zhǎng)期人為的落干與淹水調(diào)控的結(jié)果。水稻對(duì)不同形態(tài)鐵的利用效率不同，交換態(tài)和弱結(jié)晶態(tài)相對(duì)于氧化態(tài)和硅酸鹽結(jié)合態(tài)更容易被水稻吸收利用，鐵同位素的測(cè)定結(jié)果顯示水稻吸收的交換態(tài)、弱結(jié)晶態(tài)富集 0.3‰輕鐵，而基本不被水稻吸收的硅酸鹽結(jié)合態(tài)富集0.4‰的重鐵（Guelke et al.，2010），同時(shí)水稻植株相對(duì)土壤富集輕鐵（Garnier et al.，2017）。這些研究表明稻田體系發(fā)育過程是一個(gè)輕鐵缺損的過程，鐵的循環(huán)涉及氧化還原、吸附、溶解、沉淀及生物作用等多個(gè)過程；同時(shí)這些過程因受 pH、Eh、微生物過程等的影響而呈現(xiàn)出復(fù)雜多樣性。

孔隙水的鐵是水稻土中最容易被吸收利用的鐵源，鐵主要以二價(jià)和三價(jià)鐵存在，其中二價(jià)鐵占主導(dǎo)地位。二價(jià)鐵主要由鐵的異化鐵還原（DIR）過程產(chǎn)生（Crosby et al.，2007；Garnier et al.，2017），同時(shí)還受到硫酸鹽還原過程的影響（Severmann et al.，2006）。水稻土處于長(zhǎng)期淹水時(shí)，異化鐵還原過程活躍，亞鐵富集輕鐵，鐵同位素分餾值達(dá)到3‰，而且隨著DIR過程的進(jìn)行，不斷有輕鐵釋放到孔隙水中，因此DIR過程被認(rèn)為是孔隙水中輕鐵同位素的主要來源。但是隨著淹水時(shí)間的增加，以及土壤深度的增加，土壤Eh會(huì)大幅度下降。當(dāng)Eh下降到-200 mV左右，土壤中 SO42-會(huì)被還原成H2S，H2S電離成HS-，之后與溶液中的Fe2+生成黃鐵礦（FeS。Butler et al.，2005）。黃鐵礦沉淀初始，輕鐵優(yōu)先被沉淀在 FeS中，且動(dòng)力學(xué)分餾系數(shù)ε=0.85±0.30‰，隨著沉淀過程的進(jìn)行，動(dòng)力學(xué)分餾被平衡分餾結(jié)果掩蓋而使黃鐵礦富集重鐵，分餾值為0.32‰，這一數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于DIR過程導(dǎo)致的分餾值（3‰。Romain et al.，2011）。異化鐵還原和硫酸鹽還原過程共同影響孔隙水中鐵的同位素組成，硫酸鹽還原過程使孔隙水富集輕鐵的程度遠(yuǎn)小于異化鐵還原過程。

除了鐵還原過程外，水稻土中鐵的氧化沉淀過程被認(rèn)為是影響土壤鐵同位素組成的主要因素之一，且受到pH值和氧氣濃度的影響。當(dāng)pH值高，亞鐵氧化主要是非生物過程，當(dāng)pH低于3時(shí)，亞鐵氧化主要受非生物過程調(diào)控，比如光合細(xì)菌氧化，亞硝酸依賴亞鐵氧化以及嗜酸性亞鐵氧化過程（Balci et al.，2006）。Welch et al.（2003）的研究表明溶液中二價(jià)鐵和三價(jià)鐵之間存在平衡分餾，建立了鐵同位素分餾值與溫度間的關(guān)系：ΔFe(III)-Fe(II)=0.334×106/T2-0.88，且實(shí)驗(yàn)測(cè)定 22 ℃下的分餾值為2.76‰。Balci et al.（2006）在低pH下測(cè)定生物誘導(dǎo)亞鐵氧化生成三價(jià)鐵的平衡分餾值 ΔFe(III)-Fe(II)=2.9‰，且三價(jià)鐵與隨后生成的沉淀物之間的平衡分餾范圍為0.58‰-0.98‰。氧化沉淀過程中，氧化占主導(dǎo)作用，產(chǎn)物總體富集重同位素。溶液中的Fe(II)與針鐵礦之間的總體分餾值為-1.05‰，且溶液 Fe(II)與針鐵礦上表層 Fe(III)的最小分餾值為-2.1‰。這些結(jié)果都表明鐵的氧化以及成礦過程均發(fā)生鐵同位素分餾，且氧化成礦的產(chǎn)物總體富集重鐵同位素。

含鐵礦物的溶解過程也會(huì)發(fā)生同位素分餾。溶解過程主要有異化鐵還原溶解、質(zhì)子溶解和吸附溶解等過程。HCl溶解針鐵礦被認(rèn)為是不會(huì)導(dǎo)致同位素分餾的溶解方式，而草酸誘導(dǎo)的吸附溶解和還原溶解過程都會(huì)導(dǎo)致輕鐵優(yōu)先溶解，平衡分餾值為0.5‰（Wiederhold et al.，2006）。而草酸吸附溶解優(yōu)先釋放重鐵，原因是形成的oxalate-Fe的鍵強(qiáng)要高于 Fe-O鍵。跟氧化還原作用相比，吸附作用是造成鐵同位素分餾的次要原因。Dideriksen et al.（2008）測(cè)定溶液中有機(jī)和無機(jī)鐵之間的平衡分餾值為 0.6‰，其中有機(jī)鐵為脫鐵敏物質(zhì)與鐵的絡(luò)合物。除實(shí)驗(yàn)測(cè)定外，理論計(jì)算結(jié)果也表明有機(jī)配合物可以絡(luò)合重鐵同位素，例如 Fe(III)-phytosiderophore與Fe(III)之間的理論分餾值為 1‰左右（Moynier et al.，2013），但是在土壤發(fā)生過程中，有機(jī)物仍然對(duì)鐵同位素分餾起重要作用。例如Wiederhold et al.（2007a，2007b）分別測(cè)定了氧化還原土和灰壤在不同剖面和不同形態(tài)鐵之間的同位素分餾值，其中灰壤提前經(jīng)過一年的曝氣處理，限制其氧化還原過程。研究結(jié)果表明兩種土壤均表現(xiàn)出輕鐵先淋溶，但是氧化還原土中土壤剖面間的分餾值只有0.3‰，而在灰壤中，分餾值達(dá)到1‰。兩種土壤之間存在較大鐵同位素組成差異可能是因?yàn)榛胰佬纬捎诔浞炙至苋艿沫h(huán)境下，且存在強(qiáng)酸性腐殖質(zhì)等有機(jī)絡(luò)合物，有機(jī)物的絡(luò)合作用可以幫助鐵同位素發(fā)生遷移而增大同位素分餾效應(yīng)。

土壤中鐵的分餾還受到諸多因素影響，其中土壤鐵含量是一個(gè)必須被重視的因素。國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)數(shù)據(jù)匯總結(jié)果呈現(xiàn)出鐵同位素分餾值與鐵濃度成負(fù)相關(guān)關(guān)系的特征（Huang et al.，2018），Wiederhold（2015）提出儲(chǔ)庫對(duì)同位素分餾的影響很大，大的儲(chǔ)庫可以削弱同位素分餾效應(yīng)，反之，小的儲(chǔ)庫會(huì)增大同位素分餾效應(yīng)。正是由于土壤鐵同位素的產(chǎn)生是多因素的，將鐵同位素方法用于稻田鐵元素循環(huán)時(shí)應(yīng)結(jié)合土壤發(fā)育背景、土壤化學(xué)生物性質(zhì)等因素。

2 水稻吸收轉(zhuǎn)運(yùn)鐵的生理機(jī)制

植物吸收鐵的機(jī)理有兩種，分別為機(jī)理I和機(jī)理II，其中雙子葉植物和非禾本科單子葉植物運(yùn)用機(jī)理I吸收鐵，禾本科單子葉植物運(yùn)用機(jī)理II吸收鐵（Marschner et al.，1986；R?mheld，2010）。機(jī)理I基于鐵還原吸收鐵途徑，同時(shí)伴隨著3種物質(zhì)的分泌：（1）三價(jià)鐵螯合物還原酶，它由鐵缺乏誘導(dǎo)生成，可以還原三價(jià)鐵至亞鐵螯合物；（2）H+，它能降低根際pH值，提高鐵化合物的溶解度，促進(jìn)三價(jià)鐵的還原；（3）酚類物質(zhì)，具有還原和螯合作用，具有多種潛在功能。機(jī)理I吸收過程依賴于可溶性鐵的提供，受pH影響大。機(jī)理II過程基于鐵的螯合吸收，具有兩大特征：（1）分泌植物鐵載體類化合物（phytosiderophore，PS），這些化合物在缺鐵環(huán)境下誘導(dǎo)生成，能螯合溶解度很小的鐵化合物，如氫氧化鐵；（2）擁有一套高親和性的鐵載體運(yùn)輸系統(tǒng)，能夠特異性運(yùn)輸鐵螯合化合物進(jìn)入植物根系。機(jī)理II過程主要由植物鐵載體（PS）釋放速率來調(diào)控，受pH影響很小。

2.1 水稻根吸收鐵的機(jī)制

水稻作為禾本科單子葉植物，除了采用機(jī)理II吸收鐵，也能通過機(jī)理I吸收鐵（Ishimaru et al.，2006），研究發(fā)現(xiàn)玉米中也存在機(jī)理I吸收通道（Li et al.，2018）。Charlson et al.（2006）分析發(fā)現(xiàn)機(jī)理I和機(jī)理II植物均含有機(jī)理I鐵吸收基因，但是機(jī)理I植物并沒有機(jī)理II鐵吸收基因，且裸子植物和單子葉中的祖先品種-擬南芥，也不含有機(jī)理 II基因，同時(shí)研究也表明機(jī)理II途徑比機(jī)理I途徑擁有更高的鐵吸收效率，受pH和土壤含水量變化的影響小（Chaney，1984；Marschner et al.，1986），因而推測(cè)機(jī)理 II是從機(jī)理 I進(jìn)化得到的鐵吸收途徑。水稻可能通過調(diào)節(jié)鐵吸收機(jī)理來適應(yīng)生長(zhǎng)環(huán)境的變化，特別是當(dāng)鐵的供給發(fā)生較大變化時(shí)。

當(dāng)水稻處于淹水環(huán)境，根際鐵充足且可能因過量造成毒害作用。溶液中的亞鐵直接通過二價(jià)金屬轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白進(jìn)入根表皮細(xì)胞。水稻中已知的二價(jià)金屬轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白有 OsIRT1/2（Lee et al.，2009a）蛋白和OsNRAMP1/5（Ishimaru et al.，2012；Takahashi et al.，2011）蛋白，其中OsIRT蛋白對(duì)亞鐵的親和力高于OsNRAMP蛋白。根際溶液中多余的鐵會(huì)形成鐵的氫氧化物吸附和沉淀在根表形成鐵膜，鐵膜既可以作為緩沖帶減少亞鐵毒害，也可以作為備用鐵庫在鐵供給不足時(shí)被水稻重新利用（Mi et al.，2013；Sebastian et al.，2016）。當(dāng)鐵缺乏時(shí)，水稻會(huì)通過OsPEZ1和OsPEZ2蛋白分泌酚類物質(zhì)（原兒茶酸和咖啡酸）到根外，這些酚類物質(zhì)可以增大根際土以及根質(zhì)外體中鐵的溶解性。

處于干旱條件時(shí)，鐵主要以氫氧化鐵存在時(shí)，水稻的三價(jià)鐵螯合物還原酶基因（OsFRO）在根部的表達(dá)水平很低（Ishimaru et al.，2007），機(jī)理I途徑的效率太低，因此水稻根細(xì)胞通過機(jī)理II的螯合途徑獲得鐵。麥根酸類物質(zhì)（Mugineic Acids，MAs）是一類植物鐵載體（PS），包括麥根酸（MA）、2′-脫氧麥根酸（DMA）及3-羥基麥根酸（epiHMA）等多種物質(zhì)。其中DMA是第一個(gè)生成的MAs，水稻根細(xì)胞內(nèi)形成的DMA被轉(zhuǎn)運(yùn)輸出蛋白運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞外螯合 Fe(Ⅲ)，OsTOM1（Nozoye et al.，2011）和OsTOM2（Nozoye et al.，2015）是兩個(gè)已被鑒定的鐵載體輸出蛋白。根細(xì)胞外形成的 Fe(Ⅲ)-PS螯合物通過 YSL（yellow-stripe1-like）家族蛋白進(jìn)入植物根表皮細(xì)胞，水稻根中已鑒定出的運(yùn)輸Fe(Ⅲ)-PS螯合物的YSL家族蛋白有OsYSL15（Lee et al.，2009b）和 OsYSL16（Kakei et al.，2012）蛋白。水稻分泌PS的活性在一天中波動(dòng)很大，Ueno et al.（2009）對(duì)多年生草本植物的研究發(fā)現(xiàn)，PS的分泌主要受溫度控制，且水稻分泌 PS的能力弱于大麥，燕麥等禾本科植物，這可能是水稻在石灰土壤中易缺鐵的原因之一（石灰土壤的高pH值會(huì)降低鐵活性）。

2.2 鐵在水稻內(nèi)的短距離運(yùn)輸

鐵從根表皮細(xì)胞進(jìn)入木質(zhì)部的過程為徑向運(yùn)輸過程，也叫短距離運(yùn)輸過程，主要有兩條途徑：一條是共質(zhì)體途徑，鐵借助胞間連絲在細(xì)胞和細(xì)胞之間傳輸，是主動(dòng)運(yùn)輸過程，鐵的移動(dòng)速度慢；另一條是質(zhì)外體途徑，鐵在由細(xì)胞壁和細(xì)胞間隙組成的區(qū)域運(yùn)輸，是被動(dòng)運(yùn)輸過程，鐵的移動(dòng)速度快。經(jīng)質(zhì)外體運(yùn)輸?shù)蔫F到達(dá)內(nèi)皮層后，被內(nèi)皮層細(xì)胞壁上具有疏水性的凱氏帶阻隔，而后加入共質(zhì)體途徑。由于根尖處的凱氏帶未發(fā)育成熟，側(cè)根處的凱氏帶被破壞，當(dāng)根際溶液中鐵濃度很高時(shí)，可以經(jīng)由根尖和側(cè)根等質(zhì)外體途徑進(jìn)入中柱。在共質(zhì)體中，細(xì)胞液呈堿性，pH值為7-8，F(xiàn)e(III)-DMA螯合物在輸運(yùn)前可以被維生素C等物質(zhì)還原為Fe(II)（Weber et al.，2008），F(xiàn)e(II)隨后和尼克酰胺（NA）形成穩(wěn)定的Fe(II)-NA螯合物。NA是形成DMA的前體物質(zhì)，與二價(jià)鐵有強(qiáng)結(jié)合能力（logK=12.1）（Bene? et al.，1983）。三價(jià)鐵螯合物還原酶（OsFRO）、核黃素、NADH等物質(zhì)也可以還原Fe(III)-DMA。共質(zhì)體中的鐵部分停留在細(xì)胞質(zhì)和儲(chǔ)存在液泡中，部分進(jìn)入中柱的木質(zhì)部，重新進(jìn)入到質(zhì)外體。

2.3 鐵在水稻內(nèi)的長(zhǎng)距離運(yùn)輸

鐵參與植物內(nèi)運(yùn)輸是從進(jìn)入木質(zhì)部開始的，木質(zhì)部是質(zhì)外體的一部分。鐵從內(nèi)皮層細(xì)胞進(jìn)入木質(zhì)部所需要的蛋白還未研究清楚，但是已有研究發(fā)現(xiàn)OsIRT1和 OsYSL18均在內(nèi)皮層細(xì)胞中有表達(dá)（Aoyama et al.，2009；Lee et al.，2009a），不過還無法確定OsIRT1和OsYSL18是將鐵載入細(xì)胞還是載出細(xì)胞，鐵以何種形式進(jìn)入木質(zhì)部也未有定論。木質(zhì)部的pH為5-6，鐵主要以Fe3+-檸檬酸復(fù)合物形式存在，少量以鐵-PS復(fù)合物和離子態(tài)形式存在（Ariga et al.，2014）。檸檬酸由多藥物和毒素排出（multidrug and toxin efflux，MATE）家族的 OsFRD1成員負(fù)責(zé)運(yùn)輸，OsFRD1主要在根的中柱鞘細(xì)胞中表達(dá)，異源表達(dá)結(jié)果顯示其可以轉(zhuǎn)運(yùn)檸檬酸，并將鐵-檸檬酸復(fù)合體運(yùn)輸至植物木質(zhì)部（Yokosho et al.，2009）。木質(zhì)部細(xì)胞為栓質(zhì)化的死細(xì)胞，營(yíng)養(yǎng)液運(yùn)輸至葉片，果實(shí)等庫組織的動(dòng)力來自于根壓和蒸騰壓力，運(yùn)輸方向?yàn)閺南轮辽?。營(yíng)養(yǎng)液在水稻地上部器官中的分配取決于蒸騰速率和時(shí)間，各器官蒸騰速率強(qiáng)弱依次為葉片＞果莢≥種子，水稻可能通過降低蒸騰速率的方法來抵抗高濃度鐵的毒害作用（Shrestha et al.，2015）。在葉中，鐵經(jīng)木質(zhì)部運(yùn)輸?shù)慕K點(diǎn)是葉肉細(xì)胞。YSL家族蛋白擔(dān)任鐵從木質(zhì)部卸載鐵的載體，由于YSL蛋白不能運(yùn)輸鐵-檸檬酸螯合物，在木質(zhì)部卸載過程中，鐵可能會(huì)發(fā)生形態(tài)的轉(zhuǎn)化。其中NA既可以螯合Fe3+，也可以螯合Fe2+，可以作為穿梭體裝載和卸載鐵，對(duì)木質(zhì)部和韌皮部之間的鐵分布很關(guān)鍵：鐵從木質(zhì)部卸載之前與NA結(jié)合，經(jīng)YSL蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)至葉肉細(xì)胞（Curie et al.，2009）。YSL蛋白中的OsYSL2負(fù)責(zé)運(yùn)輸Fe-NA，但是不能運(yùn)輸Fe-PS，其表達(dá)部位主要有水稻根部、葉片韌皮部、花的維管束及發(fā)育的種子（Koike et al.，2004）；相反，OsYSL15/16/18負(fù)責(zé)運(yùn)輸Fe(III)-PS（Aoyama et al.，2009；Inoue et al.，2009；Kakei et al.，2012），但不轉(zhuǎn)運(yùn) Fe-NA。ZIP（Zn-Fe-regulated transporter）家族的OsIRT1、OsIRT2轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白可以運(yùn)輸離子態(tài)鐵進(jìn)入葉肉細(xì)胞。

進(jìn)入葉肉細(xì)胞后，鐵大部分與鐵運(yùn)輸?shù)鞍捉Y(jié)合（iron transport protein，ITP）形成Fe-ITP復(fù)合物并儲(chǔ)藏在葉綠體中（Curie et al.，2009）。鐵在水稻中屬于移動(dòng)性中等的元素，可以通過韌皮部重新運(yùn)輸至水稻中蒸騰作用較弱的器官和組織，例如新葉、籽粒等，這些組織由于缺少蒸騰壓力而不能從木質(zhì)部得到足量的鐵。與木質(zhì)部長(zhǎng)距離運(yùn)輸不同，韌皮部的長(zhǎng)距離運(yùn)輸發(fā)生在活細(xì)胞篩管中，向上運(yùn)輸至籽粒，向下運(yùn)輸至根部。韌皮部汁液的 pH值為7-8，存在大量蔗糖、小分子蛋白質(zhì)和代謝物，除此之外，三價(jià)鐵的濃度是二價(jià)鐵的 10倍以上。文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)表明機(jī)理I植物韌皮部三價(jià)鐵大部分和谷氨酸、NA結(jié)合，二價(jià)鐵全部和NA結(jié)合（Harris et al.，2012）。機(jī)理I植物韌皮部中亞鐵氧化到三價(jià)鐵的電勢(shì)計(jì)算結(jié)果為247 mV，而Fe(Ⅱ)-NA的氧化電勢(shì)為-181 mV；推測(cè)在韌皮部中，亞鐵極易被氧化，NA結(jié)合亞鐵可以防止其被氧化和水解（Harris et al.，2012）。但是對(duì)于水稻韌皮部鐵形態(tài)的研究則顯示，三價(jià)鐵幾乎全部和DMA結(jié)合，而NA主要結(jié)合 Cu2+和 Zn2+等二價(jià)離子（Nishiyama et al.，2012）。造成這種差異的原因可能是機(jī)理I植物缺少合成DMA需要的關(guān)鍵酶。DMA的合成需要尼克酰胺轉(zhuǎn)移酶NAAT，GUS染色結(jié)果顯示OsNAAT1在根的伴胞和中柱鞘細(xì)胞，以及莖葉韌皮部的伴胞中表達(dá)（Inoue et al.，2008）。表明DMA不僅在根部表達(dá)，協(xié)助鐵的根吸收過程；也在韌皮部表達(dá)，促進(jìn)水稻內(nèi)的鐵平衡。

2.4 鐵在籽粒中的積累過程

水稻進(jìn)入生殖生長(zhǎng)期后，光合作用產(chǎn)物對(duì)根的供給減少，根因活性減弱而無法吸收足夠的鐵，水稻植株內(nèi)的鐵會(huì)經(jīng)歷空間重新分布的過程。其中新葉的鐵主要由老葉提供，籽粒中鐵營(yíng)養(yǎng)主要來自上部葉片和旗葉，且已由實(shí)驗(yàn)證明主要通過韌皮部傳輸，少量鐵經(jīng)由木質(zhì)部傳輸（Yoneyama et al.，2010；Yoneyama et al.，2015）。小麥中重新活化進(jìn)入籽粒的鐵占植株總鐵的77%，在水稻中為4%（Morrissey et al.，2010）。鐵進(jìn)入并保存在籽粒中需要多個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)和運(yùn)輸?shù)鞍椎膮f(xié)調(diào)，其中，NA-YSL運(yùn)輸系統(tǒng)發(fā)揮了重要作用：NA結(jié)合鐵離子，經(jīng)細(xì)胞質(zhì)膜上的YSL通道蛋白進(jìn)入籽粒細(xì)胞。現(xiàn)已證實(shí)超量表達(dá)NA合成酶基因OsNAS2可以增加水稻籽粒的鐵含量（Lee et al.，2012），轉(zhuǎn)入大麥 NA合成酶基因HvNAS1后，水稻籽粒中鐵和鋅含量分別增加了2倍和3倍（Masuda et al.，2009）。這些都表明尼克酰胺NA可以幫助運(yùn)輸鐵元素進(jìn)入籽粒。Fe-NA進(jìn)入籽粒需要通過YSL蛋白家族，OsYSL2蛋白對(duì)發(fā)育中的水稻籽粒表現(xiàn)出極大的促進(jìn)作用（Koike et al.，2004）。YSL家族的另一個(gè)成員 OsYSL9則對(duì)籽粒中胚乳和胚芽間鐵的分配起決定作用，敲除OsYSL9基因的水稻籽粒中，胚芽中的鐵減少，而胚乳中的鐵增加（Senoura et al.，2017）。ZIP家族的 IRT1蛋白對(duì)籽粒鐵積累發(fā)揮重要作用，表示鐵也以離子態(tài)進(jìn)入籽粒中。最近的研究顯示，OsFRDL基因也與籽粒鐵的運(yùn)輸有關(guān)。OsFRDL1在水稻的第一個(gè)節(jié)、穗以及旗葉中表達(dá)水平高。OsFRDL1主要位于節(jié)的伴胞橋中，可以分泌檸檬酸將質(zhì)外體中的鐵運(yùn)輸至花粉、種子等水稻生殖器官中（Yokosho et al.，2016）。

鐵從土壤到水稻，涉及多個(gè)生物化學(xué)過程，經(jīng)歷了多種形態(tài)變化，圖1是根據(jù)文獻(xiàn)總結(jié)的鐵在稻田體系的轉(zhuǎn)運(yùn)過程示意圖，表1是可能涉及的生物化學(xué)過程。

圖1 稻田系統(tǒng)中鐵轉(zhuǎn)運(yùn)過程Fig. 1 Iron transport process in paddy field system

3 水稻中鐵同位素分餾特征及機(jī)制

目前僅在少數(shù)幾種植物中開展了鐵同位素組成的研究，結(jié)果顯示植物與生長(zhǎng)基質(zhì)之間、植物內(nèi)部均存在鐵同位素分餾，且不同植物呈現(xiàn)出特有的鐵同位素組成特征。植物間特有的鐵同位素組成可能與鐵在植物內(nèi)的運(yùn)輸過程緊密相關(guān)，鐵同位素的精確測(cè)定在揭示植物鐵運(yùn)輸機(jī)制方面具備巨大潛力。

表1 稻田體系中鐵的生物化學(xué)過程Table 1 Biochemical processes of iron in paddy field systems

3.1 高等植物鐵同位素分餾特征及機(jī)制

Guelke et al.（2007）最早測(cè)定了高等植物體內(nèi)的鐵同位素分餾特征，他們發(fā)現(xiàn)機(jī)理I和機(jī)理II植物在鐵同位素組成和變化趨勢(shì)上存在很大不同：機(jī)理I植物相對(duì)于土壤富集輕鐵，分餾值達(dá)到-1.6‰，且 δ56Fe值隨著根莖葉種子等器官由下至上逐漸減??；而機(jī)理II植物整體富集重鐵，分餾值為0.2‰，且各個(gè)器官間的組成幾乎沒有差異。猜測(cè)機(jī)理I植物富集輕鐵是因?yàn)樵谖砧F之前存在三價(jià)鐵還原過程，且植物體內(nèi)存在的多個(gè)氧化還原過程擴(kuò)大了分餾值；而機(jī)理 II植物螯合吸收鐵的過程中，PS的螯合作用會(huì)富集重鐵同位素；各植物器官間鐵同位素組成無差異是因?yàn)橹参飪?nèi)不存在鐵的氧化還原過程，或者其鐵氧化還原過程是定量的。Guelke-Stelling et al.（2011）隨后采用沙培的方式，以EDTA-Fe(III)為鐵源分別種植典型機(jī)理I植物大豆和機(jī)理II植物燕麥，分4個(gè)生長(zhǎng)期收割作物。鐵同位素的測(cè)定結(jié)果與之前的類似：大豆和燕麥均富集輕鐵，δ56Fe值從下至上依次減小，在種子中達(dá)到最小，為-2.5‰。而燕麥的δ56Fe為-0.5‰，各個(gè)器官間的鐵同位素組成差異很小。機(jī)理I植物的鐵同位素分餾趨勢(shì)相近，表明其同位素分餾與生長(zhǎng)環(huán)境沒有直接關(guān)系，而燕麥的分餾值相對(duì)其他機(jī)理II植物增大可能是根吸收鐵之前存在還原過程。

Kiczka et al.（2010）測(cè)定了阿爾卑斯山3種植物的鐵同位素組成，其結(jié)果與Guelke et al.（2007）的略有差異：機(jī)理I和機(jī)理II植物均富集輕鐵，機(jī)理II的富集程度小于機(jī)理I植物。機(jī)理I植物總體鐵同位素分餾值Δ56Feplant-granite=-1.3‰，而機(jī)理 II植物僅僅富集 0.2‰的輕鐵，這個(gè)結(jié)果則與 Guelke（2007）的結(jié)果類似：機(jī)理I富集因子為-1.6‰，機(jī)理II為-0.2‰。不同的是本研究中兩種植物的內(nèi)部均存在很大分餾。植物內(nèi)部同位素組成最輕的為根中柱，F(xiàn)e=-0.39‰，最重為皮層，Δ56Fe中柱-皮層=-4.5‰，可能是因?yàn)槠淤|(zhì)外體的鐵進(jìn)入中柱之前被還原，同時(shí)伴隨著瑞利分餾過程（圖1中的過程⑤）。小糠草（Agrostis）和杜鵑花（Rhododendron）兩種植物的葉子在不同生長(zhǎng)階段，分餾分別增加了0.5‰和0.8‰。機(jī)理II植物小糠草不同生長(zhǎng)時(shí)期的花的同位素值變化最大，為 1.6‰。植物內(nèi)鐵的重新運(yùn)移過程是導(dǎo)致新老葉以及不同時(shí)期花之間鐵同位素分餾的原因：運(yùn)移過程涉及配體轉(zhuǎn)化過程和氧化還原過程。根據(jù)測(cè)定值計(jì)算出的選擇性吸收導(dǎo)致的分餾值Δ56Feafteruptake-cortex=-1-（-1.7‰），這與鐵的異化還原過程導(dǎo)致的分餾值[-1-（-1.5‰）]（Johnson et al.，2008）很接近，猜測(cè)根部選擇性吸收主要涉及鐵的還原吸收過程。

這3項(xiàng)關(guān)于高等植物鐵同位素值的研究表明，機(jī)理I和機(jī)理II植物相對(duì)于土壤和培養(yǎng)液均富集輕鐵。但是這兩類植物在鐵同位素組成上各自有其不同特點(diǎn)：機(jī)理I植物總的輕鐵富集程度大于機(jī)理II植物，且機(jī)理I植柱內(nèi)部在同位素組成上存在較大變異，而機(jī)理II植株內(nèi)部在同位素組成上相對(duì)均一（圖 2）。目前認(rèn)為造成兩類植物鐵同位素組成呈現(xiàn)較大差異的原因是機(jī)理 I植物通過還原途徑吸收鐵，而機(jī)理II植物通過螯合過程吸收鐵，且鐵形態(tài)在植物內(nèi)部不會(huì)發(fā)生變化。這些目前都只是猜想，未來的研究應(yīng)該綜合植物的生理過程來解釋鐵同位素的分餾機(jī)制。例如測(cè)定跟鐵還原過程和鐵螯合過程相關(guān)的基因的表達(dá)量來確定鐵吸收過程是否發(fā)生了鐵還原過程，如 OsFRO（鐵還原基因）和OsYSL（鐵螯合相關(guān)基因）基因的表達(dá)量。植物間分餾特征的差異除了跟植物類型有關(guān)之外，可能還跟鐵營(yíng)養(yǎng)元素的生物可利用性有關(guān)。例如機(jī)理II途徑在螯合鐵的過程中富集的重鐵是相對(duì)于環(huán)境中可利用鐵的鐵同位素組成而言的，當(dāng)環(huán)境的鐵同位素組成偏輕，則機(jī)理II植物仍有可能富集輕鐵同位素。因此解釋植物鐵同位素分餾機(jī)制時(shí)應(yīng)該充分考慮環(huán)境中鐵元素的鐵同位素值和可利用性。

圖2 高等植物鐵同位素組成Fig. 2 Iron isotope composition of higher plants

3.2 水稻中鐵同位素分餾特征及機(jī)制

水稻由于兼具機(jī)理I和機(jī)理II途徑，其鐵同位素組成表現(xiàn)出了獨(dú)特的特征，這也表明鐵在水稻內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)過程有其特殊性。Arnold et al.（2015）分別測(cè)定了水稻在有氧和厭氧（落干和淹水）生長(zhǎng)條件下莖葉和種子的鐵同位素組成。莖葉的Fe值分別為-0.32‰（厭氧）和-0.40‰（有氧），種子的Fe值分別為-0.39‰（厭氧）和-0.23‰（有氧）。雖然同位素組成在兩種培養(yǎng)條件下沒有顯著的變化，但是在分餾趨勢(shì)上可以觀察到微小變化：厭氧培育時(shí)，水稻種子相對(duì)于莖葉富集輕鐵（Δ56Fegrain-shoot=-0.06‰），而在有氧培育條件下，種子相對(duì)于莖葉富集重鐵（Δ56Fegrain-shoot=0.14‰）。造成這種微小差異的原因可能是制樣和測(cè)定的誤差導(dǎo)致的，也有可能是水稻的生長(zhǎng)條件改變導(dǎo)致的?？紤]到土壤中鐵形態(tài)的改變可能誘導(dǎo)水稻采用不同的鐵吸收機(jī)制，且本研究中缺少水稻植株的鐵濃度變化數(shù)據(jù)，無法得知培養(yǎng)條件的改變是否影響水稻植株對(duì)鐵元素的獲取，因此進(jìn)一步更加詳盡的研究還有待開展。

Garnier et al.（2017）詳細(xì)測(cè)定了土壤-水-水稻體系的鐵同位素組成，揭示了水稻獨(dú)特的鐵同位素組成，如圖3所示。不同于以往機(jī)理II植物少量富集輕鐵的研究結(jié)果，水稻植株內(nèi)部鐵的分餾可以達(dá)到-0.821‰，暗示水稻內(nèi)鐵的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制可能不同于典型的機(jī)理 II植物（燕麥），可能是因?yàn)樗究梢韵駲C(jī)理I植物一樣吸收Fe2+，擁有獨(dú)特的鐵吸收轉(zhuǎn)運(yùn)過程。土壤-水-水稻體系中，鐵同位素組成最輕的為孔隙水，F(xiàn)e=-1.377‰，同位素組成最重的為鐵膜，F(xiàn)e=0.867‰，而植物整體偏輕，猜測(cè)鐵膜作為鐵庫為水稻提供鐵營(yíng)養(yǎng)，且輕鐵進(jìn)入水稻而重鐵留在鐵膜中（圖 1中的過程④）。鐵膜活化主要依靠螯合機(jī)制，因而機(jī)理II可能是水稻吸收鐵的主要機(jī)制。鐵膜的主要礦物成分為水鐵礦，鐵膜與孔隙水之間的分餾值 Δ56Feiron plaque-Fe(II)aq2.24‰，這個(gè)分餾值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于文獻(xiàn)報(bào)道的水鐵礦沉淀導(dǎo)致的分餾值1.5‰（圖1中的過程②），同時(shí)亞鐵氧化形成水鐵礦物的分餾值也在 1.5‰左右，似乎鐵膜的形成無法用單一的機(jī)理來解釋，可能涉及還原、氧化和沉淀等多個(gè)過程。水稻植株中，鐵同位素組成最輕的為種子，δ56Fe=-0.462‰，鐵從根到達(dá)種子的過程中，會(huì)經(jīng)歷配體和價(jià)態(tài)的雙重變化，正是這些變化過程導(dǎo)致了鐵同位素在水稻內(nèi)的分餾，因此清楚鐵在水稻內(nèi)的形態(tài)變化過程以及這些過程導(dǎo)致的分餾效應(yīng)對(duì)于解釋水稻鐵同位素組成變化顯得十分重要（參考圖1）。

圖3 土壤-水-水稻體系鐵同位素組成（引自Garnier et al., 2017）Fig. 3 Iron isotope composition of soil-water-rice system (Cited from Garnier et al., 2017)

本研究初次較全面地測(cè)定了土壤-水-水稻體系的鐵同位素組成，為揭示鐵的循環(huán)過程提供了新的角度。但是本研究只是孤立地測(cè)定了水稻各組織的鐵同位素組成，為了能更好地理解某一轉(zhuǎn)運(yùn)過程（如根與莖）導(dǎo)致的鐵同位素分餾效應(yīng)，應(yīng)該運(yùn)用質(zhì)量平衡計(jì)算的方法來計(jì)算這一過程的鐵同位素分餾效應(yīng)，從而理解其鐵轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)理。同時(shí)為了更加深入得解釋水稻鐵同位素機(jī)制，還可以結(jié)合水稻內(nèi)諸如鐵形態(tài)和價(jià)態(tài)的變化等生理過程來解釋鐵同位素?cái)?shù)據(jù)，具體分析過程如下：

結(jié)合Moynier et al.（2013）的理論計(jì)算結(jié)果，僅改變鐵元素所螯合的配體就可以導(dǎo)致 1.5‰的分餾：且 PS（phytosiderophore）、NA（nicotianamine）和 citrate間螯合重鐵的能力依次為PS＞NA＞citrate。而配體改變加上價(jià)態(tài)變化，分餾效應(yīng)可以達(dá)到3‰：Δ56FeFe(II)理論計(jì)算結(jié)果僅代表單個(gè)的轉(zhuǎn)運(yùn)過程，但是在水稻等植物中，運(yùn)輸過程往往都是復(fù)合轉(zhuǎn)運(yùn)過程，所以實(shí)際測(cè)定的分餾值代表的是多個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)過程的累積分餾效應(yīng)。且水稻各器官是開放體系，也就意味著轉(zhuǎn)運(yùn)過程中導(dǎo)致的分餾效應(yīng)不會(huì)被一直保存在轉(zhuǎn)運(yùn)的器官中，各個(gè)器官記錄的是一定時(shí)空尺度內(nèi)的累積分餾效應(yīng)。已有的研究表明水稻木質(zhì)部中鐵主要以鐵(III)-檸檬酸復(fù)合物形式存在，鐵從木質(zhì)部運(yùn)輸?shù)巾g皮部需要依靠NA作為穿梭體（Von Wiren et al.，1999）（圖1中的過程⑨），由于NA相對(duì)于檸檬酸螯合重鐵同位素（Δ56FeFe(II)-nicotianamine-Fe(II)-citrate?1‰），因此進(jìn)入韌皮部的為重鐵。鐵在植物內(nèi)從根運(yùn)往地上部的過程中，節(jié)和葉中會(huì)存在木質(zhì)部和韌皮部之間的鐵轉(zhuǎn)運(yùn)過程，且重鐵進(jìn)入韌皮部，輕鐵留在木質(zhì)部。水稻進(jìn)入生殖生長(zhǎng)階段后，水稻根系退化，新葉和種子的鐵主要通過韌皮部由老葉供給，特別是種子由于幾乎沒有蒸騰拉力作為動(dòng)力，鐵無法通過木質(zhì)部獲得，幾乎全部通過韌皮部獲得（圖1中的過程⑩）。老葉中的鐵主要以鐵(III)-ITP復(fù)合物形式存在，活化進(jìn)入新葉和種子的過程需要檸檬酸和尼克酰胺可以作為配體去運(yùn)輸鐵，而ITP相對(duì)檸檬酸和尼克酰胺明顯富集重鐵，因此從老葉重新活化進(jìn)入新葉和籽粒的鐵為輕鐵。特殊的是，PS作為一種具有強(qiáng)螯合能力的配體，只存在于機(jī)理II植物中，這也許能解釋為何機(jī)理II植物相對(duì)機(jī)理I植物更加富集重鐵。

4 展望

鐵同位素方法為研究稻田體系鐵的生物地球化學(xué)行為提供了全新的手段。鐵同位素分餾行為可以反映水稻土的發(fā)育過程和特征，可以用來反演水稻土鐵的生物地球化學(xué)過程，為土壤-水稻間以及水稻內(nèi)部鐵元素遷移機(jī)制提供了重要的科學(xué)依據(jù)。已有的研究表明氧化還原過程對(duì)土壤鐵同位素組成的影響最大，但是在特定的土壤中，Eh變化、有機(jī)質(zhì)含量、總鐵含量的影響都可以超過氧化還原過程，因此解釋土壤鐵同位素組成時(shí)，應(yīng)測(cè)定其主要化學(xué)性質(zhì)，了解其發(fā)育背景，完善鐵同位素分餾機(jī)制的理解。但是，要將鐵同位素方法成熟地應(yīng)用于鐵生物地球化學(xué)行為研究還有諸多問題需要解決。

（1）清楚各個(gè)儲(chǔ)庫的鐵同位素組成和同位素分餾機(jī)理是用鐵同位素方法失蹤鐵地球化學(xué)行為的基礎(chǔ)。目前已經(jīng)測(cè)定了稻田體系的鐵同位素組成，也摸清了大量的鐵同位素分餾過程和機(jī)理。但是水稻各部分的鐵同位素值只是得到了初步測(cè)定，且由于鐵在水稻各部位的形態(tài)存在差異，因此如何制備具有代表性的植物樣品對(duì)于解釋鐵的轉(zhuǎn)運(yùn)過程具有重要意義。例如在日后的研究中，應(yīng)該盡量細(xì)致地測(cè)定具有同一形態(tài)鐵的組織，例如分離葉片的葉肉細(xì)胞和葉脈；分別提取莖中的木質(zhì)部和韌皮部汁液進(jìn)行鐵同位素值得測(cè)定。

（2）目前只是測(cè)定了水稻各部位的鐵同位素值，但是這只能代表一定時(shí)間內(nèi)累計(jì)的鐵同位素分餾效應(yīng)。為了更好地理解不同組織之間鐵轉(zhuǎn)運(yùn)過程導(dǎo)致的鐵同位素分餾效應(yīng)，還應(yīng)該利用質(zhì)量平衡計(jì)算的方法來理解組織之間單個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)過程的鐵同位素分餾機(jī)制。

（3）水稻鐵同位素分餾效應(yīng)除了受到平衡分餾過程的影響外，也有可能受到動(dòng)力學(xué)平衡過程的影響。因此為了計(jì)算稻田體系動(dòng)力學(xué)分餾效應(yīng)，可以通過測(cè)定不同生長(zhǎng)期的水稻樣品（不同時(shí)期的水稻吸收的鐵的比重不一樣）的鐵同位素組成來判斷水稻鐵同位素組成是否受到生長(zhǎng)過程的影響，且可以計(jì)算動(dòng)力學(xué)分餾系數(shù)。

（4）由于鐵是變價(jià)元素，除了價(jià)態(tài)的變化，還會(huì)伴隨配體改變等形態(tài)的變化。多個(gè)氧化還原過程的疊加，以及鐵存在形態(tài)的改變，均會(huì)加深我們理解其分餾機(jī)理的難度。因此日后的研究應(yīng)該集合同步輻射、紅外光譜分析等手段來分析鐵在水稻內(nèi)的形態(tài)和價(jià)態(tài)，從而為鐵同位素分餾機(jī)制提供多個(gè)角度的分析。