水稻缺鐵應(yīng)答機(jī)制研究進(jìn)展

鄧凌韋　王利軍　王永力　李琬　馬軍韜　張麗艷　鄒世輝　王英

摘要：鐵是植物生長發(fā)育必需的微量元素，也是人體不可或缺的微量元素之一。水稻作為世界上50%人口的主食，可有效地從土壤中吸收鐵供人類食用，有助于改善人類鐵缺乏的現(xiàn)狀。本文綜述了水稻鐵吸收及轉(zhuǎn)運(yùn)的調(diào)控機(jī)制，并對鐵在水稻根、莖部運(yùn)輸?shù)淖钚卵芯窟M(jìn)展進(jìn)行了闡述，為水稻鐵生物強(qiáng)化提供參考，為水稻富鐵品種的培育提供思路。

關(guān)鍵詞：鐵生物強(qiáng)化;鐵缺乏;脫氧麥根酸;煙酰胺

中圖分類號： S511文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）08-0012-06

人體缺鐵是世界上最嚴(yán)重的營養(yǎng)缺乏癥之一，危害嚴(yán)重。人體主要從食物中攝入鐵。水稻是重要的糧食作物，全世界50%以上的人口以水稻為主食。發(fā)展中國家人們主要從稻米中攝入鐵元素，例如在菲律賓（包括高收入家庭），人體50%的鐵攝入來自于水稻、玉米[1]。水稻生長所需可溶性鐵濃度在10-9～10-4 mol/L之間[2]，但即使是通氣良好、pH值適宜的土壤中，可溶性鐵濃度不超過10-15 mol/L，堿性土壤中可溶性鐵濃度只有10-17 mol/L[3]。土壤可溶性鐵離子不足降低了水稻鐵含量，因此水稻鐵生物強(qiáng)化育種成為農(nóng)作物國際挑戰(zhàn)計(jì)劃HarvestPlus項(xiàng)目中的一個重要研究內(nèi)容，2008年哥本哈根會議（http：//www.copenhagenconsensus.com/）更是明確指出，生物強(qiáng)化是解決生物體缺鐵這一世界營養(yǎng)缺乏癥最經(jīng)濟(jì)、有效的途徑[4]。

雖然近年來水稻鐵生物強(qiáng)化取得了很多進(jìn)展，但水稻傳統(tǒng)育種周期長、工作量大，鐵元素在稻米中含量又低，迫切須要研究出一種簡便、快捷、經(jīng)濟(jì)的鐵含量檢測方法供育種者使用，并根據(jù)缺鐵應(yīng)答機(jī)制制定育種方案，調(diào)節(jié)相關(guān)基因，培育富鐵品系，加速育種進(jìn)程。本文綜述水稻缺鐵應(yīng)答機(jī)制研究進(jìn)展，并對未來的研究工作進(jìn)行展望，旨在為水稻鐵生物強(qiáng)化育種提供參考。

1水稻缺鐵應(yīng)答機(jī)制的特殊性

1986年，R-mheld等根據(jù)應(yīng)答方式不同，將植物缺鐵應(yīng)答機(jī)制分為機(jī)制Ⅰ（還原機(jī)制）和機(jī)制Ⅱ（螯合機(jī)制）2種方式[5]。機(jī)制Ⅰ植物（雙子葉植物和非禾本科單子葉植物）先將Fe3+還原成Fe2+再吸收利用;機(jī)制Ⅱ植物（僅限于禾本科植物）吸收Fe3+的鰲合物，不能還原Fe3+。ys1突變體不能吸收Fe3+-PS復(fù)合體（Fe3+-植物鐵載體復(fù)合體），導(dǎo)致苗期葉片失綠，最終死亡[6]，說明Fe3+-PS復(fù)合體吸收是機(jī)制Ⅱ植物缺鐵應(yīng)答的必要步驟[6-7]。

水稻是特殊的機(jī)制Ⅱ植物。OsIRT1、OsIRT2基因被定位在根表皮細(xì)胞質(zhì)膜上，具有類似機(jī)制Ⅰ植物Fe2+運(yùn)載體IRT1功能[8]。naat1突變體不能合成鐵載體（PS），該突變體在Fe3+源條件下生長緩慢，葉片失綠;但在Fe2+源條件下正常生長[9]。這些試驗(yàn)結(jié)果說明，水稻雖然不能還原Fe3+，但能吸收Fe2+[10-11]，所以有些學(xué)者直接把水稻定義為混合機(jī)制植物（圖1）。

2缺鐵感應(yīng)

2.1缺鐵感應(yīng)元件

為了避免自由基的毒害作用，水稻進(jìn)化出精密的鐵吸收調(diào)控系統(tǒng)[12]。水稻缺鐵感應(yīng)元件包括IDEF1（iron deficiency-responsive element-binding factor 1）[13]、HRZ[hemerythrin motif-containing really interesting new gene （RING）- and zinc-finger proteins][14]。水稻HRZ是擬南芥BTS的同源蛋白質(zhì)[15]。

2.1.1IDEF1

與其他缺鐵應(yīng)答相關(guān)基因不同，IDEF1轉(zhuǎn)錄本不受鐵有效濃度影響，因而推測IDEF1位于缺鐵應(yīng)答級聯(lián)反應(yīng)的上游，是缺鐵感應(yīng)元件[16-17]。IDEF1通過結(jié)合基因序列普遍存在的CATGC序列[18]精密調(diào)控缺鐵應(yīng)答順式元件基因[19]。IDEF1的組氨酸-天冬酰胺重復(fù)序列（histidine-asparagine repeat）、脯氨酸富集區(qū)域（proline-rich regions）（圖2）是二價金屬離子結(jié)合域，根據(jù)細(xì)胞內(nèi)鐵離子濃度在總金屬離子濃度中的比例調(diào)節(jié)水稻缺鐵應(yīng)答反應(yīng)[13]。

在鐵充足條件下，26S蛋白酶系統(tǒng)降解IDEF1，使之維持本底表達(dá)[20]。在缺鐵條件下，IBP1（bowman-birk trypsin inhibitor designated IDEF1-binding protein 1）抑制26S蛋白酶系統(tǒng)活性，水稻體內(nèi)IDEF1濃度增加，當(dāng)IDEF1積累到閾值濃度時，啟動缺鐵應(yīng)答基因[21]。

2.1.2HRZs

HRZs是水稻缺鐵誘導(dǎo)基因[14，22]，[JP3]該基因所編碼的蛋白質(zhì)含有保守的hemerythrin、CHY-、CTCHY-、RING-Zn-fingers、rubredoxin-type fold[14]。Hemerythrin結(jié)合二價金屬，RING-Zn-fingers是26S蛋白酶系統(tǒng)泛素化位點(diǎn)。即使在鐵充足條件下，HRZs敲除植株體內(nèi)缺鐵應(yīng)答基因都表達(dá)，說明HRZs通過負(fù)向調(diào)節(jié)缺鐵應(yīng)答系統(tǒng)基因，維持植株體內(nèi)鐵動態(tài)平衡[14]。

2.2調(diào)節(jié)缺鐵應(yīng)答的信號分子

IDEF1根據(jù)細(xì)胞內(nèi)鐵離子濃度在總金屬離子濃度中的比例調(diào)節(jié)水稻缺鐵應(yīng)答反應(yīng)[13]，HRZs的Hemerythrin結(jié)構(gòu)域能夠結(jié)合2個鐵分子，其中第2個位點(diǎn)能結(jié)合氧分子，且這個過程可逆。Kobayashi等的試驗(yàn)結(jié)果說明，鐵分子和氧分子都是調(diào)節(jié)缺鐵應(yīng)答的信號分子[23]。為了避免自由基毒害，水稻體內(nèi)的鐵大多以螯合或鐵蛋白質(zhì)形式存在。HRZs蛋白質(zhì)的rubredoxin-type fold結(jié)構(gòu)域含有Fe-S簇，煙酰胺（nicotianamine）和麥根酸（deoxymugineic acid）是鐵螯合劑，可影響鐵在水稻體內(nèi)的移動性和可利用性，因而推測Fe-S、煙酰胺、麥根酸是缺鐵信號[23]因子。

缺鐵誘導(dǎo)機(jī)制Ⅰ植物合成乙烯，但不能誘導(dǎo)機(jī)制Ⅱ植物合成乙烯[3]。水稻是混合機(jī)制植物（既可以吸收Fe2+，也可以吸收Fe3+）。缺鐵誘導(dǎo)水稻合成乙烯，乙烯合成的1-氨基環(huán)丙烷1-羧酸（1-Aminocyclopropane-1-Carboxylic，ACC）能夠增加水稻對缺鐵的耐受性;乙烯抑制劑C2+和STS抑制缺鐵應(yīng)答基因的表達(dá)。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，乙烯調(diào)節(jié)OsIRO2的表達(dá)，OsIRO2調(diào)節(jié)OsNAS1/2和OsYSL15的表達(dá)[24]。目前還不清楚缺鐵誘導(dǎo)植物合成乙烯的分子機(jī)制[3]。

[JP3]生長素和一氧化氮能夠正向調(diào)節(jié)缺鐵應(yīng)答反應(yīng)[25]。水稻中的生長素響應(yīng)轉(zhuǎn)錄因子OsARF12（auxin response factor，ARF）突變后，根部構(gòu)型發(fā)生改變，突變體對生長素不敏感，鐵含量低于野生型[26]。細(xì)胞分裂素和茉莉酸負(fù)向調(diào)控水稻缺鐵應(yīng)答[3]。

3鐵在根部的吸收及運(yùn)輸

3.1鐵的吸收機(jī)制——還原機(jī)制

3.1.1Fe3+的還原

機(jī)制Ⅰ植物的三價鐵還原酶FRO（ferric-chelate reductase）存在于根部，負(fù)責(zé)還原根際Fe3+[27]。雖然水稻有2個FRO基因，但在根部檢測不到，只有在葉片能檢測到這2個基因。OsFRO1基因受鋅、錳、銅信號調(diào)節(jié)，OsFRO2基因參與缺鐵應(yīng)答。這些試驗(yàn)結(jié)果說明，OsFROs基因并不參與根際Fe3+的還原過程[8]。因此，有學(xué)者認(rèn)為，水稻缺鐵應(yīng)答不需要還原Fe3+。

3.1.2Fe2+的吸收

機(jī)制Ⅰ植物二價鐵轉(zhuǎn)運(yùn)體（iron-regulated sporter，IRT）負(fù)責(zé)Fe2+由根際到根內(nèi)細(xì)胞的運(yùn)輸。目前水稻中只克隆到2個OsIRT基因，這2個基因都定位在質(zhì)膜上，轉(zhuǎn)運(yùn)鐵、鋅離子。OsIRT1在根表皮、伸長區(qū)外皮層和成熟區(qū)皮層的內(nèi)層、伴胞中表達(dá)[8，28]。組成性Fe、Mn、Cd運(yùn)載體OsNRAMP5可能參與鐵吸收[29-30]。Fe、Cd運(yùn)載體OsNRAMP1參與根到莖部鐵的運(yùn)輸[31]。

3.2鐵的吸收機(jī)制——螯合機(jī)制

3.2.1鐵載體的合成

水稻根系所分泌的麥根酸（mugineic acid，MA）能夠強(qiáng)烈鰲合Fe3+。后來陸續(xù)發(fā)現(xiàn)黑麥、小麥、玉米等的根系分泌物阿凡酸（avenic acid）、啤麥根酸（disticonic acid）等也具有相似功能[32]。這些物質(zhì)在結(jié)構(gòu)功能上與微生物分泌的鐵載體相似，所以將它們統(tǒng)稱為植物鐵載體（PS）。MAs合成途徑見圖3[33]。煙酰胺（nicotianamine，NA）在尼克酞胺氨基轉(zhuǎn)移酶（nicotianamine aminotransferase，NAAT）[34]的催化下，形成一種酮類的中間產(chǎn)物，然后經(jīng)脫氧麥根酸合成酶（2′-deoxymugeneic acid synthase，DMAS）[35]的還原產(chǎn)生 2-脫氧麥根酸。水稻、小麥和玉米只能分泌2-脫氧麥根酸（2′-deoxymugeneic acid，DMA），而大麥能夠分泌多種形式的麥根酸，所以大麥具有更強(qiáng)的缺鐵耐受性[35]。

研究表明，尼克酞胺合成酶（nicotianamine synthase，NAS）[33]、尼克酞胺氨基轉(zhuǎn)移酶、脫氧麥根酸合成酶（2′-deoxymugeneic acid synthase，DMAS）是PS合成的限速酶[25]。目前已經(jīng)克隆到3個NAS基因（OsNAS1-3）[25，33]。在鐵充足條件下，OsNAS1和OsNAS2僅在根中表達(dá)，OsNAS3主要在的葉中表達(dá);但在缺鐵條件下，OsNAS1和OsNAS2在根和葉中都強(qiáng)烈表達(dá)，OsNAS3基因在根中的表達(dá)略微增強(qiáng)，而在葉中的表達(dá)受到抑制[33]。

3.2.2Fe2+-PS螯合物的運(yùn)輸

水稻OsTOM1和大麥HvTOM1負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)運(yùn)鐵載體到根部[36]。PS鰲合溶解的Fe3+形成Fe3+-PS鰲合物[25]。玉米YS（yellow stripe）轉(zhuǎn)運(yùn)體負(fù)責(zé)將Fe3+-PS螯合物運(yùn)輸?shù)礁縖7]。水稻有18個YSL（yellow stripe-like）基因，只有OsYSL15具有運(yùn)輸Fe3+-PS螯合物到根部的功能[25，37]（圖4）。

IDE1、IDE2是首先被克隆的缺鐵感應(yīng)元件[38]。IDE結(jié)合[CM（25]因子IDEF1和IDEF2，在水稻根、葉中組成性表達(dá)[18，39]。

缺鐵應(yīng)答基因OsIRO2是bHLH轉(zhuǎn)錄因子，特異性結(jié)合CACGTGG序列[39-40]。OsIRO2調(diào)節(jié)Fe（Ⅲ）-MA運(yùn)載體和MAs合成途徑相關(guān)基因（OsNAS1、OsNAS2、OsNAAT1、OsDMAS1等）的表達(dá)[18]。OsIRO3負(fù)向調(diào)節(jié)缺鐵應(yīng)答基因[41]。OsbHLH133調(diào)節(jié)根莖之間鐵的分布[3]。

4鐵由根到莖的運(yùn)輸

鐵在水稻體內(nèi)主要通過木質(zhì)部和韌皮部進(jìn)行運(yùn)輸，其中韌皮部的鐵運(yùn)輸?shù)叫氯~中，木質(zhì)部的鐵大多運(yùn)輸?shù)嚼先~中[42]。水稻體內(nèi)大部分鐵以鐵蛋白質(zhì)或螯合物的形式存在[25]。NA、MAs、檸檬酸（citrate）、酚類物質(zhì)（phenolics）是重要的植物螯合劑，其中MAs是禾本科植物特有的螯合劑[25]。

4.1鐵在木質(zhì)部的運(yùn)輸

在木質(zhì)部的長距離運(yùn)輸中，鐵離子主要與檸檬酸螯合[25]。OsFRDL1是一個檸檬酸轉(zhuǎn)運(yùn)子，可以高效運(yùn)輸水稻根系的鐵[43]。OsFRDL1屬于多藥及毒性化合物外排家族的基因。OsFRDL1敲除突變體osfrdl1根部石柱細(xì)胞鐵含量高，但葉片鐵含量很低，導(dǎo)致葉片失綠，osfrdl1木質(zhì)部中檸檬酸和Fe3+濃度遠(yuǎn)低于對照。說明OsFRDL1主要負(fù)責(zé)在木質(zhì)部運(yùn)輸檸檬酸。OsFRDL1主要在長距離運(yùn)輸細(xì)胞中表達(dá)，也在生殖器官中表達(dá)，且不受缺鐵信號調(diào)控[44]。

OsYSL2是Fe（Ⅱ）-NA和Mn（Ⅱ）-NA轉(zhuǎn)運(yùn)體基因，該基因沉默降低了鐵由根向地上部分的轉(zhuǎn)運(yùn)及在結(jié)實(shí)過程中向種子中的轉(zhuǎn)運(yùn)，因而推測該基因可能參與了Fe（Ⅱ）-NA在木質(zhì)部中的長距離運(yùn)輸[45-46]。

原兒茶酸（protocatechuic acid，PCA）、咖啡酸（caffeic acid，CA）等酚類物質(zhì)能夠溶解、鰲合質(zhì)外體沉積的Fe3+，并將其還原成Fe2+[47]。PCA和CA的濃度在水稻OsPEZ1（phenolics efflux zero 1，PEZ1）基因突變體的木質(zhì)部液中顯著降低;爪蟾卵母細(xì)胞中表達(dá)OsPEZ1后能夠轉(zhuǎn)運(yùn)PCA[48]。這些研究結(jié)果說明，OsPEZ1負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)運(yùn)PCA進(jìn)入木質(zhì)部，調(diào)節(jié)質(zhì)外體鐵平衡。OsPEZ1和OsPEZ2（efflux transporters，phenolics efflux zero1和2）也屬于MATE轉(zhuǎn)運(yùn)體家族[10，30，49]。

4.2鐵在韌皮部的運(yùn)輸

水稻韌皮部鐵主要是Fe（Ⅲ）-DMA[50]，F(xiàn)e（Ⅱ）-NA的含量相對較少。OsYSL2是Mn-NA和Fe-NA運(yùn)載體編碼基因[45]，該基因不但參與木質(zhì)部鐵運(yùn)輸，還在韌皮部Fe、Mn運(yùn)輸中發(fā)揮重要功能，說明Fe（Ⅱ）-NA對水稻生長發(fā)育也很重要[45-46]。OsYSL15是根部負(fù)責(zé)吸收Fe（Ⅲ）-DMA的轉(zhuǎn)運(yùn)體基因，但該基因也在維管組織中強(qiáng)烈表達(dá)，說明該基因也參與水稻體內(nèi)鐵運(yùn)輸[37，51]。OsYSL18是Fe（Ⅲ）-DMA的轉(zhuǎn)運(yùn)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(dá)，說明該基因很可能在水稻受精和韌皮部的鐵運(yùn)輸中起作用[52]。OsYSL16編碼產(chǎn)物參與體內(nèi)尤其是生殖器官中Fe（Ⅲ）-DMA的分布及轉(zhuǎn)導(dǎo)，還負(fù)責(zé)運(yùn)輸Cu-NA，調(diào)節(jié)體內(nèi)Cu分布[53]。

5展望

鐵是生物體必需的微量元素，鐵含量不足破壞代謝平衡、危害嚴(yán)重，但鐵含量過高容易引起鐵中毒，所以生物體進(jìn)化出精密的機(jī)制嚴(yán)格調(diào)控體內(nèi)鐵含量。表1對比了各種強(qiáng)化途徑的優(yōu)缺點(diǎn)。生物強(qiáng)化的花費(fèi)主要集中在前期品種選育上，不需要持續(xù)的資金支持，不增加消費(fèi)者的負(fù)擔(dān)[16]。統(tǒng)計(jì)顯示，一個75億的項(xiàng)目一年能為375億人提供鐵生物強(qiáng)化水稻（http：//www.biokemi.org/biozoom/issues/525/articles/2392）。2001年，在亞洲國際發(fā)展銀行和國際食物政策研究所（ADB-IFPRI）的支持下，通過9個月的人群干預(yù)研究發(fā)現(xiàn)，人體內(nèi)鐵的貯存量在富鐵水稻品種IR68144-3B-2-2-3干預(yù)下增加20%[54]。水稻是人類不可或缺的主食，即使稻米的鐵含量只有微量增加，日積月累也會對人體健康起到深遠(yuǎn)的影響[55]。綜上所述，水稻鐵生物強(qiáng)化是世界人口，尤其是貧困人口獲得足夠膳食營養(yǎng)的最經(jīng)濟(jì)、最有效途徑，意義深遠(yuǎn)[4]。

不同水稻品種資源間的鐵含量存在很大的遺傳差異[56-57]，所以科研人員能夠通過育種手段培育富鐵新品種。日本水稻品種GCN4和系026鐵含量比普通水稻鐵含量高出3～6倍[58]。吳敬德等培育的IR41994-SO-2-1-3（S1）、IR68144-213-2-2-3（S5）鐵含量分別為42.86、 36.28 mg/kg，均高于普通品種[59]。李琬等培育的富鐵品系中龍粳201的3年精米平均鐵含量為12.65 mg/kg，是普通品種的3～4倍（未發(fā)表）。

水稻鐵濃度受環(huán)境因素影響大[56，60]，且測定成本高。因此，育種者在常規(guī)育種的基礎(chǔ)上，須要結(jié)合分子標(biāo)記輔助育種技術(shù)、轉(zhuǎn)基因技術(shù)挖掘和創(chuàng)制富鐵新種質(zhì)，且應(yīng)加強(qiáng)提高主栽品種精米鐵含量和培育廣適性富鐵品種。培育富鐵水稻實(shí)際上就是提高水稻對外部環(huán)境中鐵的吸收、運(yùn)輸和積累能力的過程。因此，研究水稻對鐵的吸收、運(yùn)輸、積累機(jī)制及其相關(guān)控制基因，對鐵生物強(qiáng)化育種具有重要意義。

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