高等植物铁元素的吸收、转位和调控

王 哲, 孙亿敬, 李娇爱, 上官燕, 刘祉辛, 孙旭武

(上海师范大学 生命与环境科学学院 植物种质资源开发协同创新中心,上海 200234)

高等植物铁元素的吸收、转位和调控

王 哲, 孙亿敬, 李娇爱, 上官燕, 刘祉辛, 孙旭武*

(上海师范大学 生命与环境科学学院 植物种质资源开发协同创新中心,上海 200234)

铁(Fe)是大多数生物体必需的微量营养元素.虽然铁在许多土壤中是丰富的,但铁在土壤中的可溶性非常低,常常限制植物生长.此外,铁自身存在高度的氧化还原特性,对细胞具有潜在的毒性.因此,细胞内铁的动态平衡需要严格调控.植物细胞中形成了一个复杂的信号网络来调节对铁的摄取、分配、运输及其代谢等过程.非禾本科和禾本科植物物种分别通过基于铁还原和铁螯合的两种不同策略从土壤中获得铁.植物对铁的吸收受到局部和全身信号的调控.系统信号通路似乎整合了激素信号、一氧化氮(NO)信号和植物营养需求等多种因素.综述了两种策略所依赖的分子机制和在铁缺乏条件下负责诱导这些策略的因素.

铁的吸收; 转位转运子; 转录因子; 基因调节

0 引 言

铁是植物细胞中丰度最高的必需微量元素.铁参与许多关键的细胞代谢过程,包括呼吸作用、光合作用、叶绿素生物合成,血红素铁以及铁硫簇的合成.虽然自然界的铁含量丰富,但其可溶性非常低,常限制生物体生长[1],且影响了高达30%的农业生产.此外,铁在生理条件下存在潜在的细胞毒性,过度的铁会导致细胞内超氧化物阴离子(O2-)和羟基自由基(HO-)的产生,进而引发蛋白的氧化失活、膜降解及遗传变异等.因此,植物细胞形成了一个由本地和远程信号组成的信号网络来密切监控铁的吸收、利用和贮存,以确保在吸收足够的铁的同时避免其毒性.大量的研究已经鉴定并解析了一系列参与调节铁的吸收、分配和应用的关键的组分(图1).本文作者将重点介绍专门用于铁吸收、分配和螯合的铁运输途径以及调控其活性的分子机制.

图1 植物铁吸收的关键组分的工作原理示意图

1 植物细胞铁的吸收、分配和运输系统

1.1植物对铁吸收的策略

如前所述,尽管铁在土壤中的含量非常丰富,但铁的溶解性很差[2].为了从土壤中获得足够的铁,禾本科植物和非禾本科植物分别形成了两种不同的铁吸收策略:依赖于Fe3+还原型的策略I以及依赖于Fe3+鳌合型的策略II.

策略I植物将根际的Fe3+通过酸化溶解、还原后通过高亲和铁转运系统吸收进细胞,其根际酸化状态影响对铁的吸收[2-3].策略I植物可以通过根细胞向根际分泌质子和酚醛化合物来帮助增加铁的可溶性或者增加Fe3+被还原的可能性.质膜ATP依赖性质子泵(H+-ATPase)介导根际的酸化过程.拟南芥基因组编码12个H+-ATPases.其中AHA2和AHA7的表达受铁缺乏的诱导.AHA2负责铁缺乏条件下根部根毛区的酸化[4].而AHA7对于铁缺乏条件下根毛的发育形成是必需的.黄瓜中的CsHA1参与调节铁缺乏反应的根际酸化[5].水稻的原茶儿酸输出子PEZ1(phenolics efflux zero1)参与调节酚醛的分泌和铁的可溶性[6].酸化溶解的Fe3+被三价铁鳌合还原酶(ferric-chelate reductase)还原成Fe2+.拟南芥基因组编码8个FRO.拟南芥的AtFRO2受缺铁反应的诱导,其功能缺失突变体对缺铁非常敏感,只有在高浓度的外源铁供应的条件下才能生存[7].AtFRO6蛋白定位于质膜,主要在芽中表达,对于根际铁的还原可能没有贡献[7-8].在番茄、黄瓜和豌豆中也鉴定到了AtFRO基因的同源物[9-11].表明FRO在调节Fe3+还原中的功能是遗传保守的.

一旦被还原,Fe2+将通过高亲和力的铁转运蛋白IRT1吸收进入细胞.通过筛选基于fet3fet4(一种缺乏铁摄取的酵母突变体的拟南芥cDNA文库),鉴定到了IRT1(铁调节转运蛋白1),负责对Fe2+的高亲和力摄取[12].AtIRT1对其他金属(Mn2+,Cd2+和Zn2+)也有吸收性[13].AtIRT1 的mRNA和蛋白的表达仅在缺铁的条件下,在植株的根部可以检测到,其蛋白质定位于质膜.irt1突变体表现出强烈的褪绿表型,植株无法生长至成熟[14].

策略II以螯合为基础吸收土壤中的Fe3+.禾本科植物的根际会分泌出一种属于木瓜酸(MA)家族的可以结合Fe3+的植物铁载体(PS).至今已有9种不同的MA被鉴定到[15-16].MA 是以L-甲硫氨酸为前体通过三个连续的酶促反应合成的,其中在S-腺苷甲硫氨酸(SAM)合成酶(S-adenosyl-L-methionine synthetase)、烟酰胺合酶(nicotianamine synthase,NAS)和烟酰胺氨基转移酶(nicotianamine aminotransferase,NAAT)的作用分别形成SAM、烟碱胺(NA)和脱氧木瓜酸等中间产物[17].在缺铁的条件下,编码这些酶的基因的表达受到诱导,促进铁的吸收[18].细胞内有一个甲硫氨酸循环为后续的MAs的产生提供了甲硫氨酸.在缺铁的条件下,参与甲硫氨酸循环反应的酶的表达受到诱导,其酶的活性也得到了验证.虽然MA的产生是禾本科植物所特有的,但其他植物也能够产生NA,暗示NA对植物中金属的运输和螯合是非常重要的[19].土壤中PS释放的机理尚不清楚.最近的研究表明水稻的TOM1和大麦的HvTOM1参与调节MAs的分泌[20].

PS在根际中释放后,会与Fe3+结合,之后通过转运蛋白进入根细胞.玉米的YS1是鉴定到的第一种Fe(III)-MA转运体.Ys1突变体表现出脉间失绿的铁缺陷症状[21].ZmYS1基因编码一种质膜转运蛋白,其在根部和芽中的表达受铁饥饿的诱导[21].水稻基因组含有18个YS1类似基因(OsYSL)[22].

其中,OsYSL15在铁缺乏的根中皮质和表皮中为高水平表达.OsYSL15蛋白质定位于质膜,其基因沉默植物显示出早期生长停滞,但是可以由铁补充得到恢复[23].在大麦中鉴定到了类似的Fe-PS摄取转运蛋白HvYS1[23].

尽管水稻属于禾本科植物,但研究发现在水稻中,两种机制共存.水稻可以生产FeIII-PS复合物,但也可以通过OsIRT1和OsIRT2转运蛋白吸收亚铁[24].比如水稻NAAT酶功能性丧失突变体,不能使用策略II,但是可以通过添加EDTA-Fe来上调Fe2+吸收系统(OsIRT1,OsIRT2)[25]来弥补,暗示这两种不同的策略对水稻的铁的吸收均发挥了关键的作用.

1.2植物细胞内铁的分隔分布

由于铁潜在的细胞质毒性,铁被吸收进入细胞后,会被迅速且有效地分隔化储存在液泡中[26],或者被快速地转运到叶绿体或者线粒体用于Fe-血红素或Fe-S簇的合成.由此使得细胞质内实际存在的铁维持在相对较低的安全水平.

1.2.1 铁在液泡中的分配和应用

研究发现,类似于酵母,植物液泡是重要的金属储存处[27].拟南芥胚胎的内胚层空泡中含有的铁在种子萌发时得以重新配置和利用,为幼苗的早期生长提供了关键的铁营养[28-29].拟南芥的AtVIT1(Ccc1p酵母铁/锰转运蛋白的同系物)负责铁向液泡的载入.但其表达不受缺铁的影响[29].AtVIT1主要分布于成年植物的芽和根,但对种子的形成也是非常重要的.不同于野生型植物中铁的分布,在vit1突变体中,铁主要集中于子叶下表皮细胞的空泡,而非子叶和胚胎轴上的内皮细胞的空泡中[29].vit1功能缺失突变体在碱性土壤萌发期间显示褪绿色表型,暗示在这些条件下,适当铁的定位分配对于植物发育是必要的[29].

铁载体FPN2转运蛋白(或IREG2)调节表皮和皮质根细胞铁向液泡中的转运.FPN2的表达受缺铁的诱导.fpn2突变体显示延迟或减少的铁缺乏反应,暗示减少铁向液泡的载入会改变植物对缺铁反应的感知[30].

AtNRAMP3和AtNRAMP4介导幼苗萌发期间铁从液泡中回收[28].相比WT而言,在nramp3 nramp4种子中铁的含量没有改变,但由于其铁从液泡的输出受阻,导致nramp3 nramp4幼苗在低铁营养条件下发芽时显示出强烈的褪绿表型[28].这一现象进一步证实,液泡是种子中铁的重要储存部位.在幼苗的微管组织中检测到AtNRAMP3和AtNRAMP4的转录,其转录水平受铁缺乏的调控[28].尽管AtNRAMP3和AtNRAMP4在种子萌发期间扮演了关键的角色,它们在成年植物中对铁的细胞内分布的调节还有待进一步的探究.

1.2.2 铁在叶绿体中的分配和应用

植物叶片90%的铁分布于叶绿体,参与heme的合成和Fe-S簇的组装[31].拟南芥的AtFRO7定位于叶绿体的外被膜,参与调节铁进入叶绿体[8].在缺铁的条件下,fro7突变体无法生存,其光合活性也受到了显著的影响,其叶绿体中铁浓度降低了三分之一.此外,拟南芥的PIC1(叶绿体渗透酶1)也参于调节铁向叶绿体的转运,该蛋白定位于叶绿体的内膜,在酵母fet3 fet4突变体中的表达可以弥补其铁吸收的缺陷[32].PIC1功能缺失突变体表现出严重的黄化和矮化表型,其内在的铁的动态平衡也受到了影响[32],暗示PIC1可能参与调节铁向叶绿体中的转运.

1.2.3 铁在线粒体中的分配和应用

除了叶绿体以外植物的线粒体也是Fe-S簇重要的生物发生地.线粒体内电子传递链上的许多酶利用铁作为辅助因子.当前铁进入线粒体的分子机制尚不清楚.有限的证据表明,AtATM3参与调节线粒体中的铁的动态平衡.ATM是ABC转运蛋白[33].AtATM3的酵母同源物atm1p参于调节线粒体中Fe-S簇的输出[34].AtATM3突变体starik表现出矮秆和褪绿表型.在植物的所有组织中均能检测到AtATM3的表达,表明AtATM3可能参与线粒体Fe-S簇的组成型输出[35].最近的研究鉴定到了线粒体的MIT.mit完全敲除突变体是胚胎致死的,其杂合体或敲低突变体表现出生长缺陷,其线粒体的铁积累减少了[36].MIT是动物Mitoferrin基因的同源基因,Mitoferrin参与调节铁向线粒体的转运,暗示MIT可能参与调节植物线粒体的铁的输入[37].

1.3植物体内铁的运输

铁在植物体的转运经历了多个步骤,包括在根部的径向转运,穿过凯氏带的共质体转运,木质部的装载,转运、卸货,韧皮部的装载、转运和卸货,向着需求位点的共质体的移动,以及从源头或衰老组织中的再转出等.通过生理学和分子生物学的研究,已经鉴定到了一些关键的鳌合子,诸如柠檬酸盐,烟酰胺和MAs[22].柠檬酸盐在铁的鳌合和在木质部中的运输过程中扮演了关键的角色.在木质部汁液中,铁与柠檬酸盐结合[38-39].研究表明,FRD3(铁还原酶缺陷3)蛋白参与柠檬酸盐的转运,负责木质部柠檬酸盐的外排[39].在水稻中鉴定到了一个FRD3的类似基因osFRDL1,特异地在根的中柱鞘细胞中表达,同样编码一个柠檬酸流出子,并参与铁的转运[6,40].然而,不同于frd3,osfrdl1突变体仅影响铁的动态平衡,暗示水稻可能存在其他的鳌合子参与木质部铁的转运[40].另外一个关键的流出子PEZ1的功能突变体的木质部汁液中的原儿茶酸和咖啡酸的水平严重降低了[41].因此认为PEZ1负责木质部这些酚类化合物的装载,并协助胞质铁的再运动.此外木质部铁转运蛋白FPN1(一个哺乳动物IREG1的同系物)也被发现参与铁通过木质部从根到芽的传递.FPN1基因在微管组织中表达,其表达不受铁的调控.FPN1不仅参与铁的运输,而且也参与钴的运输[30].

木质部的铁随后通过位于韧皮部细胞上的流入转运子转运到韧皮部细胞.在所发现的流入转运子中,YSL家族的成员广泛地参与到了铁的转运中.玉米的YS1参与根际Fe(III)-DMA的吸收,其表达在缺铁的条件下在根部和茎部均受诱导.水稻基因组编码18个YSL成员[22].其中OsYSL2负责转运Fe(II)-NA,而非Fe(III)-MAs.转基因研究表明,OsYSL2负责Fe(II)-NA和Mn向库(包括叶片和籽粒)的长距离转运[42].OsYSL15,负责Fe(III)MAs的转运,并参与根部铁的吸收和体内的长距离的转运.OsYSL18特异性在水稻的生殖再生组织中表达,暗示其主要作用于受精和铁在韧皮部的运输[20,24].

拟南芥基因组编码8个AtYSL基因,其中AtYSL1、AtYSL2和AtYSL3的表达受铁的诱导[43].分析YSL单或双突变体的铁含量表明,这些YSL基因参与调节Fe-NA的横向运输[44].ysl1ysl3双突变体表现出典型的缺铁脉间萎黄和育性降低的表型.AtYSL1和AtYSL3对于种子中铁加载以及叶片衰老过程中金属的移动是非常关键的调节因子[44].进一步的证据表明,在韧皮部和发育种子中表达的水稻OsYSL2对于芽中铁运输和种子的铁供应是必需的[42].

此外,研究发现OPT家族(作为YSLs)成员AtopT3也可能参与调节铁的运输[45].AtOPT3主要在微管组织和种子中表达,其功能缺失导致胚胎致死.在OPT3敲低突变体的根和芽微管组织中发现铁的过度积累,以及组成型上调根的铁缺乏反应,表明错误地感知了铁的状态.opt3敲除突变体也表现出铁在种子中装载的缺陷[45].

2 植物中铁吸收和应用的调节机制

2.1植物体内铁吸收的调节机制

如前所述,铁的吸收和利用必须严格调控,才能确保铁被合理吸收、利用,同时又不产生细胞毒性.尽管禾本科和非禾本科植物在铁的吸收上分别采用了不同的策略,但大量的研究表明对这两种不同的铁吸收策略的调控主要发生在基因表达水平上的转录调控以及在蛋白的功能和稳定性上的转录后调控.

2.1.1 策略I植物中铁摄取组分的表达调控

最早鉴定到关键的调节因子是番茄的Fer基因.该基因编码一个细胞核定位的bHLH家族蛋白的转录因子[46].Fer主要在根部的组织中表达,其表达水平的增加或减少跟细胞内铁水平的匮乏和过量成正相关[46].Fer负责调节铁的吸收和向中心柱的转移.番茄的fer突变体无法感知铁的状态,即便是高浓度的铁处理也无法抑制铁的缺乏反应,比如铁鳌合还原酶的活性和LeIRT1转录的增加,根际的酸化及其根毛的增加等[47].

得益于番茄Fer的鉴定,拟南芥的FER的同源蛋白FIT1得到了鉴定和分析.FIT1编码bHLH29,其表达受缺铁的诱导而上调[48-50].FIT1在根的表皮和皮质细胞层中表达,其自身具有转录激活活性,暗示在缺铁的条件下,FIT1的功能激活可以进一步扩大缺铁反应[48-49].Fit1突变体也表现出强烈的缺铁症状,只有在补充铁肥的条件下,植株才能正常的生长[48].基因芯片分析发现,一系列参与调节铁的吸收和转运的基因,诸如AtFRO2、ZIP9、IRT1 和FPN2,AtAHA7的表达直接受FIT1的调节[48].进一步研究发现,单独过表达FIT1不能引起组成型的缺铁反应[49-50],只有当FIT1与bHLH38或bHLH39共同过表达的条件下,才能引起组成型的铁吸收的上调,产生铁含量增加的植株[51].此外,当响应缺铁反应时,多个bHLH基因,包括bHLH38、bHLH39、bHLH100、bHLH101的表达均受到了诱导[52].暗示这些bHLH转录因子可能是以异二聚体的形式调节植物对铁的吸收.

除了FIT1以外,POPEYE(PYE),另一个bHLH转录因子参与调节细胞之间以及细胞内部铁的运转以及根和根毛的发育[53].在缺铁的条件下,pye突变体显示出加剧的萎黄症,并且其根系的发育也发生了改变[53].

除了在转录水平上的调控以外,AtIRT1或AtFRO2的蛋白的积累也受到了严格的调控.虽然异位过表达可以引起AtIRT1或AtFRO2的转录本的高度累积[54-55],但只有在缺铁的条件下才会观察到AtFRO2过表达植物中铁的鳌合还原酶活性的增加[55].对于AtIRT1,也仅在缺铁的条件下才观察到其蛋白水平的增加[54].AtIRT1蛋白上假定的与泛素化结合的两个赖氨酸残基突变后导致了茎中AtIRT1蛋白的稳定积累[56],暗示在铁丰富的条件下,泛素介导的AtIRT1的降解可能在保护植物免受铁过量而引发的细胞内的毒害中发挥了关键的作用.

2.1.2 策略II植物中铁摄取组分的表达调控

通过大量分析缺铁响应基因的启动子,Kobayashi等[57]鉴定到了两种不同的缺铁元件(iron-deficiency elements,IDE):IDE1(ATCAAG-CATGCTTCTTGC)和IDE2(TTGAACGGCAAGTTTCACGCTGTCACT).通过酵母单杂交分析筛选到了水稻的两个转录因子IDEF1和IDEF2,分别特异性的结合IDE1和IDE2.IDEF1和IDEF2分别属于转录因子ABI3 / VP1和NAC家族[58].IDEF1和IDEF2均在水稻的根和芽中表达,但是它们的表达不受植物体内的铁状态的影响[58-59].IDEF1和IDEF2分别调节两个仅有小量重叠的铁缺乏响应基因簇.IDEF1正向调节大多数铁吸收和利用相关的基因的表达.在水稻中过量表达IDEF1促进了靶基因如OsIRT1和OsIRO2的转录,它们分别编码一个铁转运体和一个bHLH转录因子[58].IDEF1过表达植物的铁缺乏耐受性增加了,而IDEF1下调的植物增加了对铁缺乏症的敏感性.

OsIRO2直接或间接调节由铁缺乏诱导的59个基因,包括参与铁获取和利用的许多基因[60].在这些基因的启动子中含有OsIRO2特异结合的DNA基序(ACCACGTGGTTTT)的基因(如OsNAS1、OsFDH和OsAPT1)的表达在OsIRO2沉默的植物中受到了严重的影响,暗示它们可能是OsIRO2的直接靶标.有趣的是,OsIRO2还调节了一组转录因子,包括与IDEF2不同的NAC转录因子[60].这些证据暗示水稻铁缺乏反应的转录调控是由转录因子的复杂级联介导的.OsIRO2的基因沉默导致了植株对铁缺乏的敏感性的增加.然而,OsIRO2的过表达并不能改善植株对铁缺乏的耐受性[60].这些现象暗示,类似于策略I植物中FIT bHLH转录因子,它们需要额外的辅助组分来实现对水稻中铁获取和利用基因的组成型表达.IDEF2可能作为OsIRO2的辅助组分,因为包含OsIRO2的结合元件的许多启动子也包含IDE2[59].

相比之下,在缺铁的条件下,IDEF2可能并不影响目标基因的表达.IDEF2主要调节OsYSL2的表达.特别是在铁缺乏情况下,在IDEF2基因沉默突变体植株中铁烟碱转运蛋白OsYSL2的表达也受到了严重的影响.OsYSL2负责调控植株体内铁的正确分布.因此,在IDEF2水平降低的植株中铁的动态平衡发生了异常[59].

2.2铁在局部与长距离转运的调控

通过拟南芥的分根实验发现在策略I植物中铁的吸收受茎源性系统信号以及局部信号的双重调控[61].同一植株,以AtIRT1和AtFRO2 mRNA的表达为参考,它们的表达水平在位于缺铁培养基中的一半根中的表达受到了抑制,而在位于铁充分的培养基中的一半根中的表达强烈地上调了.此外,AtIRT1蛋白水平和AtIRT2转录水平也表现出了类似的调控模式[61-62].

对于根而言,铁缺乏仅会局部下调根中的基因的表达.而当茎部出现缺铁症状时,即便根部的铁是充足的,也会导致根中铁吸收系统的上调.因此,拟南芥能够评估其自身芽的铁的状态,并感测根的局部的铁的浓度.与AtIRT1和AtFRO2不同,不受FIT1调节的NRAMP3和NRAMP4的表达也不受根的局部信号和茎的系统信号的影响[62],暗示FIT1可能是铁信号传导途径的一个重要的组分.类似地,番茄的Fer在调节植株整体铁信号传导中扮演了关键的角色.

铁在细胞内的分隔化的缺陷会影响植物对铁的缺乏的反应,暗示存在一个胞质铁含量的局部感知.比如NRAMP3介导铁从液泡中的释放[63],IRT2和FPN2分别参与调节囊泡和液泡中的铁的鳌合[30,62].NRAMP3的功能缺失或IRT2的过渡表达会加剧铁的缺乏反应[62-63].相反,NRAMP3的过渡表达或FPN2的功能缺失则减弱了铁的缺乏反应[30,63].这些现象说明,铁的鳌合和移动之间的平衡局部调节了铁的缺乏反应,根细胞可以通过上调铁缺乏反应来响应增加的铁螯合,反之亦然.

这些研究表明,植物通过整合细胞内铁状态和局部铁浓度来适应铁缺乏症,此外,在细胞内铁必须被正确地储存或以适当的形式(鳌合,Fe-S簇)存在,并被感知和检测.然而,当前对于系统信号和局部铁的感知的分子机制还不清楚.

2.3激素信号对铁吸收和应用的调控

如前所述,茎的缺铁反应会引起根部的缺铁反应,但是如何感知茎的缺铁状态、茎的缺铁信号如何向根传递的分子机理还不清楚.大量研究发现,当植物发生缺铁反应时会触发激素,NO和昼夜节律的响应变化,进而调节植物的生长发育模式的改变来适应缺铁的条件.

缺铁对植物的形态学影响较大,尤其是对根系根毛的发育有明显的促进作用.铁缺乏会促进植物体内乙烯的产生[64-65].乙烯对根毛的发育也有明显的调节作用.使用乙烯或乙烯前体 [1-氨基环丙烷-1-羧酸(1-aminocyclopropane-1-carboxilic acid,ACC)]处理会导致幼苗上的根毛密度的增加.而如果抑制乙烯的生产或感知则会引起根毛密度的降低[64].乙烯的产生主要影响铁缺乏条件下根毛的形成,但不影响铁螯合物还原酶的活性[65-66].

对于拟南芥和番茄,在铁缺乏条件下乙烯可以促进IRT1,FRO2和FIT / FER的表达.在铁足够充足的条件下,乙烯并不影响这些基因的表达[66].在黄瓜中,当缺铁时,用乙烯抑制剂处理可以减弱缺铁响应基因CsFRO1和CsIRT1的转录水平,而ACC处理则可以促进CsFRO1和CsIRT1的表达[11],表明乙烯可以作为铁缺陷反应的增强剂.由于乙烯在铁足够的条件下不影响铁获取基因的表达,所以铁可能作为乙烯应答的抑制剂,抵消了乙烯的作用.番茄fer突变体对ACC处理响应迟钝,暗示FIT / FER转录因子调控乙烯的活性.

除了乙烯以外,细胞分裂素(Cytokinins,CK)也参与了对缺铁响应基因表达的调控.CK控制了许多发育和细胞过程,包括发芽、分生组织的维持、根导管系统的特异化、侧根形成的抑制和叶片衰老等[67].CK不仅影响了植物对磷酸盐、氮和硫酸盐等缺乏的信号反应,而且可以通过抑制AtIRT1转录来影响植物的缺铁反应[68].有趣的是,CK对AtIRTI1,AtFRO2和FIT基因表达的抑制不受铁的状态的影响[68].CK对其他缺铁反应的基因NRAMP3和NRAMP4的表达没有抑制作用,表明CK仅特异性的抑制根部铁的吸收系统的组分.除了CK以外,其他减少根生长的处理也会抑制AtIRT1的表达.而这种根生长速度的改变对铁的吸收系统的调节是不依赖于铁的状态的.这些现象表明,CK可以通过负面地调节铁缺乏反应的成分来匹配植物的营养需求.

近年来,NO对植物铁吸收的调节作用的研究受到了越来越多的关注,其作用的分子机理也得到了广泛研究.NO是一种存在于不同氧化还原状态的小型可扩散的信号分子.一氧化氮基(NO·)可以高亲和地结合铁,NO的各种氧化还原状态受控于细胞的pH值和氧化还原电位.对铁缺乏和铁过量的反应都涉及NO信号,但是是否涉及相同的NO种类或相同的生产途径尚不清楚.给缺铁玉米幼苗供应NO供体如硝普钠(sodium nitroprusside,SNP)或S-亚硝基谷胱甘肽(S-nitrosoglutathione,GSNO)可以减轻其褪绿症状[69].相反,在铁足够的植物上应用消除内源NO的NO清除剂会引发铁缺乏症状.尽管NO处理恢复了叶绿素水平和rubisco大亚基及光系统II的D1蛋白的转录水平,但是并不改变植物体内的铁含量[69].因此,NO似乎很可能是通过调节铁从不可接近的池中重新移动,或者通过改善其根到芽的易位而获得更多的可用性.

NO的施用对双子叶植物也很有效.铁缺乏促进番茄根中NO的产生,但不影响茎中NO的产生[70].NO处理可以引发与铁缺乏相关的形态学变化,例如根毛数量的增加.而NO清除剂可阻止铁缺乏响应基因Fer、LeFRO1和LeIRT1的上调,并减少根毛的数量[70].有趣的是,即便是用Cd处理触发产生的NO也可以引起拟南芥中AtIRT1表达的上调[71].因此,这些证据表明NO参与调节在策略I植物中铁缺乏的生理和形态学反应.尽管NO的产生对植物的缺铁反应很重要,但是负责缺铁诱导的植物根表皮内源性NO产生的代谢途径仍不清楚.研究发现在缺铁的条件下,番茄硝酸还原酶突变体中的Fer,LeFRO1和LeIRT1表达水平降低,暗示硝酸还原酶参与铁缺乏时的NO产生[70].

当细胞内的铁浓度过高时也会引起叶绿体中NO的产生.NO的产生会促进AtFer1和AtFer4转录物的积累,使得铁能够以无害形式存储[72].相反,NO清除剂会抑制AtFer1 mRNA的积累.因此,响应过量的铁供应,NO促进AtFER1的转录来预防氧化胁迫.

3 结 论

当前,尽管人们已经了解到了禾本科和非禾本科植物在吸收和转运铁中所采用的策略I和策略II的分子机制,并且刻画了调节铁缺乏症的转录因子,对于激素和NO参与调节的铁的系统性调节信号也有所了解,但是对于这些信号的调节机制还不清楚,对于细胞中铁的感知的本质也缺乏了解.

尽管鉴定到了一系列铁的吸收和转运的分子组分,但对其在不同物种中的保守性和多样性还不甚了解.对于铁的转运、鳌合、在细胞内的分隔和储存、以及释放和再利用的分子机理的理解也有待进一步深入.控制细胞内铁分布的许多转运蛋白已被鉴定,然而关键过程,如质体和线粒体中铁的摄取仍有待充分阐明.控制铁细胞内分布的信号是未知的.发现在不同的细胞室内的铁被感测的分子机制将是非常有趣的.

铁主要是通过根部吸收,经过木质部和韧皮部输送到不同的组织器官.植物体内铁的状态受到局部和全身长距离信号的监控.尽管人们已经了解了策略I和II植物中铁获取的分子机制.对负责铁缺乏症上调的转录因子也有了深入的了解.但是,茎部的铁缺陷信号是如何传递到根部,并激活根中铁的吸收？植物体内对铁的状态的感知的分子机制是什么？许多有关缺铁响应的系统性调控的问题仍有待人们去理解.

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(责任编辑：顾浩然,冯珍珍)

Ironuptake,translocation,andregulationinhigherplants

Wang Zhe, Sun Yijing, Li Jiaoai, Shangguan Yan, Liu Zhixin, Sun Xuwu*

(Development Center of Plant Germplasm Resources,College of Life and Environmental Sciences,Shanghai Normal University,Shanghai 200234,China)

Iron is an essential micronutrient element for most living organisms.However,although iron is abundant in many soils,iron availability is very often limiting for plant growth.In addition,iron is potentially highly toxic to cells.Therefore,iron homeostasis needs to be strictly regulated.Higher plants have developed a complex regulatory network in their cells to control the uptake,translocation,transportation,and metabolism of Fe.Nongraminaceous and graminaceous plant species acquire iron from the soil through two distinct strategies based on iron reduction and iron chelation,respectively.The acquisition of iron by plants is regulated at several levels by local and systemic signals.The systemic signaling pathway appears to integrate multiple inputs from hormonal signals,NO signals,and the plant nutritional demand.This paper reviewed the molecular mechanisms by which these strategies depend and the factors that are responsible for inducing these strategies under iron deficiency.

iron uptake; translocation transporter; transcription factor; gene regulation

Q 945.12

A

1000-5137(2017)05-0729-11

2017-09-29

国家自然科学基金面上项目(31670233);上海植物种质资源工程技术研究中心项目(17DZ2252700)

*

孙旭武(1978-),男,博士,教授,主要从事活性氧信号传导途径的分子机理方面的研究.E-mail:sunxuwussd@sina.com