梨缺鐵性黃化病研究進(jìn)展

盧明艷閆興凱王強(qiáng)武春昊胡明玥張茂君

(1.吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院果樹研究所/農(nóng)業(yè)部東北地區(qū)(吉林)果樹科學(xué)觀測(cè)試驗(yàn)站，吉林 公主嶺 136100；2.延邊大學(xué)農(nóng)學(xué)院，吉林 延吉 133000)

果樹以及林業(yè)的許多樹木在生長(zhǎng)發(fā)育過程中，遭受有害生物侵染或不良?xì)夂颉⑼寥?、人為等各種非生物因素脅迫后，導(dǎo)致葉片失綠的癥狀稱為黃化病。果樹黃化是生理性黃化，是由于生長(zhǎng)在石灰性土壤上引起的缺素癥造成的。果樹對(duì)缺鐵非常敏感，梨樹是缺鐵敏感果樹種類之一，缺鐵脅迫時(shí)先表現(xiàn)為新梢先端的幼葉失綠，隨著脅迫加重，葉肉逐漸失綠變黃，嚴(yán)重時(shí)葉脈褪綠，全葉呈黃白色，葉片邊緣發(fā)生干枯斑塊，最后葉片干枯脫落，最終導(dǎo)致樹勢(shì)衰弱、果實(shí)品質(zhì)下降甚至死亡，給種植者造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。

我國(guó)對(duì)梨缺鐵性黃化病的研究始于20世紀(jì)50年代，隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷發(fā)展，特別是分子生物技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)梨缺鐵性黃化的研究取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展。為了了解和掌握國(guó)內(nèi)這一研究領(lǐng)域的最新進(jìn)展，本文從土壤、葉片、分子等3個(gè)方面對(duì)梨缺鐵性黃化病的研究進(jìn)行梳理，并在此基礎(chǔ)上對(duì)梨樹黃化病的矯治方法進(jìn)行總結(jié)和未來的研究進(jìn)行展望。

1 土壤

土壤是植物生長(zhǎng)的介質(zhì)，其營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的含量、營(yíng)養(yǎng)水平和理化性質(zhì)等對(duì)植物的鐵吸收、利用產(chǎn)生不同程度的影響。

1.1 土壤pH值

鐵在自然界中廣泛存在，土壤中含量豐富，一般含量在1%～20%，平均含量為3.2%，但大部分鐵是以難溶的Fe3+(Fe3O4、Fe2O3、Fe2S3)形式存在，而植物主要吸收利用的是Fe2+[1]，所以土壤中植物可吸收利用的鐵很少，尤其在pH值較高的石灰性土壤和濱海鹽土上，由于鐵易與OH-形成Fe(OH)3而被固定[2]，從而導(dǎo)致梨缺鐵性黃化病的發(fā)生。研究表明，在pH較高的堿性土壤上，每增加1個(gè)pH單位，土壤溶液中鐵的活性就減小1000倍[3]。黎秀麗[4]研究表明，土壤高pH值是庫(kù)爾勒香梨黃化病產(chǎn)生的因素。余存祖等[5]研究表明，我國(guó)北方黃土區(qū)有效鐵與土壤pH值呈顯著負(fù)相關(guān)，說明高pH值是影響鐵吸收利用的關(guān)鍵因子。但仝月澳等[6]對(duì)涿鹿果樹場(chǎng)黃化與正常梨樹土壤的pH值分析表明，二者并沒有很大差異，認(rèn)為高pH值只是失綠的影響因素之一。周厚基等[7]認(rèn)為，只有在低鐵的情況下，高pH值才會(huì)明顯失綠，如果鐵供應(yīng)充足，即使pH值達(dá)到8.3，植株也不失綠或只有輕微失綠。張朝紅[8]對(duì)酥梨根際土研究也表明，高pH值不是引起失綠黃化的直接原因，可能是通過影響土壤其它元素的改變而引起的。何天明[9]也佐證了這一觀點(diǎn)。

1.2 土壤HCO3-

土壤中HCO3-是由CO2溶于水生成的H2CO3水解、CaCO3水解及其它碳酸鹽水解產(chǎn)生的，是果樹缺鐵失綠的主要土壤因子。張福鎖[10]、周厚基等[11]認(rèn)為HCO3-主要影響鐵的向上運(yùn)輸，從而降低葉片中鐵含量導(dǎo)致失綠現(xiàn)象產(chǎn)生。周厚基認(rèn)為，土壤中即使有短暫時(shí)間的HCO3-濃度過高，也會(huì)引起果樹的失綠[7]。徐慶岫等[12]研究也發(fā)現(xiàn)，石灰性土壤中由植物根系和微生物呼吸作用產(chǎn)生的CO2，使碳酸鹽溶解而造成HCO3-聚積,從而導(dǎo)致梨樹黃化病的產(chǎn)生。張朝紅[8]也發(fā)現(xiàn)，高HCO3-含量導(dǎo)致酥梨黃化病加重。

1.3 土壤有機(jī)質(zhì)

土壤有機(jī)質(zhì)是反映土壤肥力的一個(gè)綜合指標(biāo)，其含量多少能夠調(diào)節(jié)土壤中腐殖酸和其它有機(jī)酸含量和土壤pH值，從而影響鐵的溶解性。余存祖[8]發(fā)現(xiàn)，土壤有機(jī)質(zhì)與有效鐵含量呈顯著正相關(guān)。周克昌[13]也發(fā)現(xiàn)，即使是在石灰性土壤上，增施有機(jī)肥可以減緩或抑制黃化病的發(fā)生。劉文國(guó)等[14]研究也發(fā)現(xiàn)，土壤有機(jī)質(zhì)是引起獼猴桃黃化病的主要因素，正常獼猴桃園土壤有機(jī)質(zhì)含量明顯高于黃化園。因此，增加土壤中有機(jī)質(zhì)含量，提高土壤肥力是解決黃化失綠的有效途徑。

1.4 土壤營(yíng)養(yǎng)元素

土壤中氮、磷、鉀及礦質(zhì)養(yǎng)分含量大小對(duì)鐵的吸收利用也會(huì)產(chǎn)生影響。氮素是植物生長(zhǎng)發(fā)育的重要大量元素，其形態(tài)不同對(duì)梨樹缺鐵失綠作用不同。一般認(rèn)為，硝態(tài)氮能夠釋放HCO3-、OH-，增加土壤pH值，常導(dǎo)致梨樹缺鐵失綠。而銨態(tài)氮由于釋放H+，降低土壤pH值，而利于鐵的吸收利用。何天明[9]對(duì)庫(kù)爾勒香梨失綠研究表明，氮素對(duì)香梨的失綠影響不大；而張朝紅[8]研究表明，氮隨著酥梨黃化程度的加重，根際富集程度表現(xiàn)增大的趨勢(shì)。土壤中磷是以磷酸鹽形式存在，而磷酸根離子易與樹體內(nèi)的鐵結(jié)合形成難溶性化合物，抑制了鐵在樹體內(nèi)的運(yùn)輸，從而影響鐵元素參與正常的生理代謝，造成缺鐵失綠癥的發(fā)生[15]。李立平等調(diào)查發(fā)現(xiàn)，黃化獼猴桃生長(zhǎng)的土壤中有效鉀含量高于正常獼猴桃生長(zhǎng)的土壤[16]，認(rèn)為鉀可能拮抗獼猴桃對(duì)鐵的吸收，誘導(dǎo)獼猴桃黃化的產(chǎn)生[14]。土壤中的錳、銅、鋅、鈣、鎂等金屬離子，因易與鐵離子產(chǎn)生拮抗或促進(jìn)作用，導(dǎo)致鐵含量的異常，從而使樹體內(nèi)各養(yǎng)分間的平衡關(guān)系遭到破壞，造成營(yíng)養(yǎng)失衡而產(chǎn)生失綠黃化。

2 葉片

2.1 葉片結(jié)構(gòu)變化

梨樹缺鐵黃化在外觀上常表現(xiàn)為葉片顏色變黃，嚴(yán)重時(shí)變白，甚至焦枯死亡，還導(dǎo)致葉片葉面積和干鮮重增重減少[17]。葉片外部表現(xiàn)是由其內(nèi)部細(xì)胞及組織結(jié)構(gòu)變化控制的。對(duì)梨樹黃化葉片的解剖結(jié)構(gòu)研究表明，缺鐵黃化使葉片厚度、葉肉厚度、柵欄組織厚度顯著降低，葉片上下表皮厚度均極顯著增加，柵欄組織與海綿組織界限模糊，柵欄組織/海綿組織的比值明顯下降；維管束細(xì)胞排列凌亂，導(dǎo)管嚴(yán)重變形，口徑變小[18]。葉片結(jié)構(gòu)的變化直接影響了葉片葉綠素合成及光合作用，最終導(dǎo)致樹勢(shì)的衰弱和果實(shí)品質(zhì)下降。

2.2 葉片葉綠素及光合特性變化

果樹體內(nèi)90%以上的鐵存在于葉綠體中[19]，而葉綠體是制造光合產(chǎn)物的最主要單位，因此，鐵元素在果樹光化學(xué)反應(yīng)中起著重要作用，缺鐵不僅影響葉綠體結(jié)構(gòu)的合成，使葉綠體數(shù)量明顯減少甚至沒有，還會(huì)引起葉綠體片層結(jié)構(gòu)解體，甚至整個(gè)細(xì)胞空泡化[4,20,21]。葉綠體結(jié)構(gòu)的異常導(dǎo)致葉片光合色素含量降低，葉綠素a/b增大，葉綠素/類胡蘿卜素減小[22]。而在半根供鐵情況下，就能使杜梨葉片保持正常的光合能力，葉綠素含量比缺鐵條件下提高了55.5%，有效鐵含量提高了98.5%[23]。試驗(yàn)證明，在葉綠素開始降低前其光合速率已明顯降低，說明缺鐵對(duì)葉綠體結(jié)構(gòu)和功能的損傷比葉綠素含量的減少更為嚴(yán)重[24,25]。缺鐵還使葉片的類囊體解體，膜的結(jié)構(gòu)和功能被破壞[10,26]，導(dǎo)致植物PSII反應(yīng)中心受到傷害，從而引起光化學(xué)效率降低[27]，造成電子傳遞結(jié)構(gòu)破壞[28]，致使凈光合速率、蒸騰速率等都下降[29,30]。

2.3 礦質(zhì)元素變化

礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)是果樹生長(zhǎng)發(fā)育、果實(shí)品質(zhì)形成的重要基礎(chǔ)。由于礦質(zhì)元素間存在拮抗和促進(jìn)作用，這些元素的變化使葉片內(nèi)元素間的平衡關(guān)系被破壞，造成營(yíng)養(yǎng)失衡引起黃化癥的產(chǎn)生。盧明艷等[22]研究表明，野生秋子梨葉片黃化失綠可能是樹體內(nèi)營(yíng)養(yǎng)失衡所致。缺鐵脅迫下，各營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的表現(xiàn)不同，酥梨葉片隨著失綠黃化程度的增加，磷、鉀、銅、鋅、硼含量增多，活性鐵、鈣、錳元素減少，氮、鎂變化不明顯[28]。而鐘晨[21]研究表明，鐵的缺乏引起磷、鉀、鎂、硼、銅、錳含量下降。對(duì)杜梨幼苗礦質(zhì)元素研究表明,隨著供鐵增加，磷、鉀、錳、鎂含量增加，鈣、鋅、銅含量下降[29]；而川梨葉內(nèi)隨著供鐵濃度的增加，氮、磷、鉀、鈣、銅、錳含量減少；低鐵處理鎂、全鐵含量低于無鐵和正常供鐵處理，且無鐵處理含量維持最高；鋅在低鐵處理下含量高于無鐵和正常供鐵處理，且無鐵處理其含量高于正常供鐵處理[25]。缺鐵脅迫下營(yíng)養(yǎng)元素含量反而比低鐵和正常供鐵處理更高的現(xiàn)象，在其它果樹上也曾有過報(bào)道[31,32]，這可能是因?yàn)槿辫F使植物光合作用減弱，干物質(zhì)積累減少，產(chǎn)生濃縮效應(yīng)[33]，而并非植株真正吸收了更多的營(yíng)養(yǎng)元素。

3 分子機(jī)理研究

在植物必需的多種礦物質(zhì)元素中，鐵是需求量最大的，其在多種生化反應(yīng)中起重要作用，同時(shí)也是許多功能蛋白的重要輔助因子[34]。梨為機(jī)理Ⅰ型植物，在感受到缺鐵或低鐵脅迫時(shí)，H+-ATPase活性增加，分泌H+降低介質(zhì)的pH值，從而增加根際可溶性鐵的含量。與此同時(shí)，F(xiàn)e3+還原酶將難溶性Fe3+還原為Fe2+，二價(jià)鐵轉(zhuǎn)運(yùn)基因?qū)⑦€原的Fe2+轉(zhuǎn)運(yùn)到根尖細(xì)胞內(nèi)，再由其它轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白輸送到植物體中的其它部位和細(xì)胞中去。參與這幾個(gè)過程的基因有H+-ATPase(HA)基因[35]、Fe3+還原酶基因(FRO)、二價(jià)鐵轉(zhuǎn)運(yùn)基因ZIP和NRAMP 2個(gè)家族等。

潘海發(fā)[36]以不同黃化程度的“碭山酥梨”葉片為模板克隆出具有NRAMP金屬轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族基因典型特征的PbNramp1和PbNramp3兩個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因，對(duì)其表達(dá)量分析表明，輕度缺鐵會(huì)提高PbNramp1和PbNramp3的表達(dá)量，隨著缺鐵程度的增加，表達(dá)量顯著下降。鐘晨[37]克隆了“碭山酥梨”鐵蛋白PbFer2，與“翠冠梨”葉片的Fer2蛋白和Fer4蛋白具有較高的相似性，表達(dá)量分析表明輕度缺鐵會(huì)提高PbFer2的表達(dá)量，隨著缺鐵程度增加，其表達(dá)量也顯著下降。蘇軍[38]等對(duì)“碭山酥梨”不同程度缺鐵葉片中生長(zhǎng)素抑制蛋白ARP基因的表達(dá)量分析表明，隨著缺鐵程度的增加，ARP基因表達(dá)量顯著升高，同時(shí)葉片中內(nèi)源IAA含量逐漸降低；據(jù)此推測(cè)，ARP基因可能負(fù)反饋調(diào)節(jié)缺鐵黃化葉片中IAA的水平，從而調(diào)控葉片的生長(zhǎng)發(fā)育。金昕等[39]克隆了杜梨二價(jià)鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白IRT1基因，表達(dá)分析表明，PbIRT1基因在葉片和莖中幾乎不表達(dá)，具有較強(qiáng)的根組織特異性；在根系中表達(dá)量隨缺鐵脅迫加劇呈逐漸上調(diào)趨勢(shì)，恢復(fù)供鐵又抑制其表達(dá)。因此表明，PbIRT1基因的表達(dá)受到缺鐵脅迫的誘導(dǎo)，參與了根系對(duì)二價(jià)鐵的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)過程[29]。郭獻(xiàn)平等[40]研究也表明，缺鐵脅迫可誘導(dǎo)杜梨根系鐵吸收關(guān)鍵基因三價(jià)鐵還原酶(PbFRO2)基因和鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(PbIRT1)基因表達(dá)量升高，進(jìn)而促進(jìn)二價(jià)金屬離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白活性提高。

4 黃化病矯治

為了解決梨黃化病給梨生長(zhǎng)發(fā)育、果實(shí)品質(zhì)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來的影響，從研究黃化病致病機(jī)理的同時(shí)就開始了矯治方法的研究。通常采用的方法是施用各種鐵肥[41]，方式有葉面噴施[42-44]、土壤施用[45,46]及樹干注射[47,48]等。近些年，外源激素、納米氧化鐵、菌類等對(duì)黃化病的防治也有報(bào)道，賈兵、何家軒等[49,50]研究表明，外源激素GA3促進(jìn)葉片內(nèi)鐵的貯藏、還原與轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)基因的表達(dá)，能夠使黃化葉片復(fù)綠。王蒙[51]嘗試納米氧化鐵對(duì)失綠黃化的作用發(fā)現(xiàn)，低濃度的納米氧化鐵對(duì)于植物的缺鐵黃化有一定的矯治作用，而高濃度的納米氧化鐵則會(huì)抑制植物的生長(zhǎng)。叢枝菌根真菌能促進(jìn)鐵吸收，防治缺鐵性黃化病，且具有成本低、操作簡(jiǎn)單、持效性長(zhǎng)特點(diǎn)，但需要針對(duì)不同植物篩選出不同的高效功能菌種[52]。這些方式只是對(duì)失綠黃化的緩解，并不能從根本上解決黃化問題。因此，高效、經(jīng)濟(jì)、安全的梨樹黃化病防治措施是亟待解決的問題，而選育耐缺鐵型砧木是提高果樹耐缺鐵的重要途徑[53]，能夠從根本上解決失綠黃化的問題。目前在對(duì)梨砧木的缺鐵脅迫反應(yīng)機(jī)理研究基礎(chǔ)上，進(jìn)行了耐缺鐵梨砧木的篩選[17,54,56]，認(rèn)為杜梨是較為理想的耐缺鐵砧木。

5 展望

綜上所述，梨缺鐵性黃化的實(shí)質(zhì)是梨根系對(duì)有效鐵的吸收、利用效率低所致，所以增加鐵的利用效率是提高防治梨缺鐵黃化效果的重要途徑。李培根等[57]認(rèn)為，提高鐵利用效率的新型肥料在未來具有廣闊的發(fā)展前景。我國(guó)地域廣闊，是梨起源中心之一，具有豐富的梨種質(zhì)資源，利用我國(guó)豐富的梨野生資源選育出鐵高效利用型砧木才是解決梨對(duì)鐵吸收利用效率低問題的根本途徑。但由于梨野生資源種內(nèi)變異度較高，不同基因型個(gè)體間耐缺鐵性表現(xiàn)差異較大，加上地域、氣候、環(huán)境等因素的干擾，使得優(yōu)異耐缺鐵型梨砧木類型的篩選工作費(fèi)時(shí)耗工。利用組培無性快繁技術(shù)進(jìn)行早期耐鹽堿性篩選，結(jié)合水培法對(duì)鐵利用效率進(jìn)行二次篩選，可加速鐵高效型梨砧木的篩選進(jìn)程。