植物铁素(Fe)营养的生理研究进展

张文静，程建峰，刘 婕，何 萍，王紫璇，张祖健，蒋海燕

（江西农业大学农学院，南昌 330045）

0 引言

自然界中的铁(Fe)元素含量丰富，约占地壳的5.0%，位列氧、硅和铝之后的第四位，因其可溶性和有效性较低而成为生物体生长的限制因子[1]。Fe是植物体内最早发现且含量最高的必需微量元素，一般占植物干重的0.02%，参与许多重要的生理生化途径、生长发育过程和产量品质形成，但植物自身不能产生Fe，只能从其生长环境中吸收[2]。Fe同时也是动物和人体内含量最多的必需微量元素，成人体内约有4～5 g，其中72%以血红蛋白（参与氧的运输和储存）、25%以Fe蛋白（储存在肝、脾和骨髓中）、3%以肌红蛋白（肌肉中的“氧库”）等形式存在[3]。Fe缺乏被认为是全球三大“隐性饥饿”（微量营养元素缺乏）之首，全球约有1/5人患缺Fe性贫血，90%的缺Fe人群生活在经济落后地区及发展中国家[4]。中国是严重的Fe缺乏和缺Fe性贫血国家之一，据中国疾病预防控制中心的第四次《中国居民营养与健康现状调查报告》显示，中国儿童贫血率在25%左右，妇女贫血率在20%左右，孕妇贫血率高达35%，成年男子贫血率则在10%左右[5-6]。植物是人类和动物最根本的食物来源，但因有氧环境中土壤Fe溶解性很低造成能被利用的生物有效Fe较少，导致植物严重缺Fe，造成幼芽和幼叶缺绿发黄甚至白化、生长发育受阻和产量品质下降，尤其是可食部分中的低Fe含量成为人类和动物缺Fe的主要根源（膳食性缺Fe）[7-8]。随着全世界“生物强化(Biofortification)”理论的提出与实践[9-14]，有关“功能作物”、“智能作物”、“营养型农业”和“功能型农业”的研究与日俱增[15-19]。为此，基于经济、社会和生态效益的协调统一，如何通过生物学手段提高植物对Fe的吸收、转运和利用及培育富含生物活性Fe的经济器官来改善人类Fe营养缺乏已成为当今土壤学、植物营养学、植物生理学和食品学等相关研究领域的热点和重点。本研究将就植物体内Fe的形态、含量、分布、功能、吸收与转运方面的研究成果进行归纳和总结，为今后植物体内的Fe素营养研究提供有效参考，为富Fe植物培育及食品开发提供理论基础。

1 土壤中和植物体内Fe的形态及含量

1.1 土壤中Fe的形态及比例

Fe在土壤中广泛存在，温带土壤中Fe含量为1.05%～4.84%，平均为3.80%，是土壤染色剂，和土壤颜色直接相关[20]。土壤中的Fe形态一般有6种，按质量百分比依次为残留态(92.9233%)、铁锰结合态(5.5567%)、有机结合态(1.4370%)、碳酸盐(0.0740%)、交换态（吸附态，0.0037%）和水溶态(0.0016%)[21]。缺Fe土壤本身一般不会缺Fe，而是不良环境使得Fe几乎以较稳定的难溶的Fe3+存在，能被植物所吸收利用的水溶态和交换态较少，导致土壤中Fe有效性差而缺Fe[22]。植物正常生长的土壤Fe浓度为10-9～10-4mol/L，供植物吸收和生长的有效Fe所需pH 5.5～6.5，在通气良好的土壤中，自由态的Fe3+和Fe2+的浓度均小于10-15mol/L，但也比植物生长所需的最适Fe浓度低很多，若没有主动的调节机制获得足量的Fe，那植物将呈现缺Fe症[20]。

土壤中Fe有效性主要受土壤环境中的pH和氧分压控制[23]。Fe有效性与土壤溶液pH呈正相关[24]，在酸性和淹水条件下主要以溶解态Fe2+存在，但长期易过量而产生Fe2+毒害（老叶上有褐色斑点，根部呈灰黑色、易腐烂）；在中性或碱性pH的有氧环境中，Fe以难溶或不溶态存在，当土壤pH＞7.5时，土壤pH每提高1个单位，土壤溶液中有效Fe浓度将降低近1000倍；pH 7～9时，Fe以难溶态存在，石灰性土壤以碳酸铁存在，溶解度小，易缺Fe，即限制石灰性土壤中Fe有效性的关键因素是高pH。目前全球超过40%的耕地土壤存在潜在性缺Fe，由此产生的植物缺Fe已成为继缺氮和缺磷之后世界各地农业生产普遍所面临的一个重要的营养“卡脖子”问题[25]。据估计，在影响植物生理代谢的众多微量元素中，Fe的影响最大[26]。

1.2 植物体内Fe的形态及含量

一般认为，土壤中的Fe2+、Fe3+或螯合铁可以被植物吸收，绝大部分植物主要吸收Fe2+或鳌合铁，禾本科和极少数植物能吸收Fe3+，而进入植物体内的Fe一般以Fe3+形态固定而不易移动[27]。1844年Cris在黄化的葡萄叶片上涂铁盐溶液使其转绿，1860年Sachs和Molisoh确证Fe是植物必需的微量元素，植物体内中Fe含量通常在100～300 mg/kg（干重，下同），＜50 mg/kg属于亏缺，50～250 mg/kg为适宜，＞300 mg/kg则过量，其中有效铁(Fe2+)占总铁的20%以上；但不同植物种类、同一植物不同亚种、同一植株的不同器官和同一器官的不同部位其Fe含量存在显著差异[7,28-33]；需Fe较多的有桃、李和杏等果树及一些林木，吸收较多的有豆科植物、高粱和甜菜等农作物；含量较高的有菠菜、莴苣和绿叶甘蓝等蔬菜作物（≥100 mg/kg，最高可达800mg/kg），而含量较低的有水稻和玉米等(60～180mg/kg)[7]。不同水稻类型间稻米中Fe含量为常规粳稻＞常规籼稻＞杂交籼稻[28-29]。水稻不同器官的Fe含量为根＞叶＞茎＞谷壳＞米粒[30]，玉米中大部分Fe沉积在茎节内而叶片较少[31]。植物体中90%的Fe存在于快速生长叶片的叶绿体中（70%的铁锚定在类囊体膜，20%以铁磷蛋白形式贮存于基质），10%的Fe分布在叶绿体外的细胞质和含有血红素蛋白或铁硫蛋白的其他细胞器；叶绿体中的Fe以贮存性铁蛋白(54%)、各种细胞色素(22%)、铁硫蛋白(15%)和血红素蛋白(9%)4种形式存在[32-33]。植物缺Fe时，叶绿体基质中的大部分Fe将被再利用，类囊体膜和叶绿体外的结构性Fe将损失一半以上[34]。植物体内的Fe蛋白主要在叶片中，有些也存在其他部位（如木质部、韧皮部、果实和种子等，尤其是成熟种子）[35-36]，如大豆种子中淀粉体内的铁蛋白占其总Fe的92%[37]，扁豆中为69%[38]。令人遗憾的是，目前关于植物体内Fe的价态问题还无法定论，不同价态Fe的转变机理仍停留在假说阶段，原因是采用现有普遍方法提取Fe2+时，无法避免将Fe3+还原为Fe2+而被提取，难以准确无误地区分植物体内的Fe2+和Fe3+的内在本质差异；而通过光谱分析发现叶片中大部分Fe以Fe3+存在[39]。

2 植物体内Fe的分布与功能

Fe对细胞质具有潜在毒性，一旦被吸收进植物细胞后，会被快速和高效地运输至合适的细胞器，在那行使功能或形成Fe库贮存起来，使得细胞质内的Fe一般维持在较低的安全水平，如果Fe在细胞质中大量累积就会产生毒害[40]。快速生长叶片的叶绿体是植物细胞中最大的Fe库，因为Fe参与的主要生理过程均在叶绿体中完成[41]。缺Fe下，在水稻T-DNA插入突变体库中筛选到线粒体Fe运输载体，揭示了线粒体是一个需要Fe元素的细胞器[42-43]。有研究还发现，液泡也是贮存Fe和调节细胞内Fe平衡的重要细胞器，主要负责液泡向胞质的Fe运输[44-45]。

植物体内Fe的功能是由其细胞定位和化学特性决定的，主要体现在以下方面：（1）植物体内超过90%的Fe定位于叶肉细胞的叶绿体中（根中主要存在于细胞核），叶绿体形成了植物细胞中最大的Fe库，使得Fe的功能主要依赖叶绿体来体现[32-33]。植物缺Fe时，叶绿体结构发育不完整，长度和厚度下降，片层结构异常和模糊，基粒数目减少，基粒内囊体垛叠片层和淀粉粒数量下降，嗜锇颗粒数目增加，严重缺Fe时叶绿体将变小、甚至解体或液泡化[46-48]。植物体内的Fe含量与叶绿素含量成正相关，Fe虽不是叶绿素的成分，但在叶绿素的卟啉环形成中起作用，催化叶绿素生物合成的有些酶（如顺乌头酸酶和氨基-乙酰丙酮酸合成酶）活性表达需要Fe2+（正铁血红素或氯化血红素的辅基），缺Fe将直接导致植物失绿黄化，光合能力下降，至于Fe是如何参与叶绿素形成还不是很清楚[38,48]；研究还发现，Fe对叶绿体结构的影响比对叶绿素合成的影响更重要，如眼虫藻(Euglena)缺Fe时，在叶绿素分解的同时叶绿体也解体[49]。（2）Fe离子具有活跃的价态变化，Fe2+≒Fe3+间的转换构成了活细胞内最重要的氧化还原系统，如光合和呼吸电子传递链中的细胞色素(Cyt f和Cyt b559、Cyt b563)及光合电子传递链中的Fe-S和Fd等都是含Fe蛋白，参与光合和呼吸的磷酸化及碳素代谢，甚至蒸腾作用和气孔开闭[1,20,27,46,50-51]；Fe2+/Fe3+也是许多与氧化还原相关的酶的辅基（如细胞色素氧化酶、过氧化物酶、过氧化氢酶、超氧化物歧化酶和豆科植物的固氮酶等）[1,20,27,52]。（3）Fe通过核糖核苷酸还原酶参与DNA和部分蛋白质的合成[42]，影响与蛋白质移动性有关的膜的排列和流动性（涉及类脂的变化），也是植物激素（如脱落酸和乙烯等）合成所需酶（脂氧合酶和1-氨基环丙烷酸-1-羧酸氧化酶等）的活性辅助因子[53]。（4）细胞内过量的Fe易发生Fenton化学反应，激活还原氧，产生有害的超氧自由基化合物，将导致细胞完整性丧失并杀死细胞[23,54]。（5）Fe是磷酸蔗糖酶的最好活化剂，缺Fe会影响蔗糖合成和减少还原糖含量；Fe还与苹果酸、柠檬酸及维生素（如VB2）等的合成有关，但在这些过程中的确切功能还有待揭示[55]。

3 植物对Fe的吸收与转运

3.1 植物对Fe的吸收

植物体内存在高亲和转运与低亲和转运两套Fe吸收系统，环境中Fe充足时采用低亲和转运体系统，环境Fe含量低于正常水平时激活高亲和吸收系统[56]。植物为了从生长介质（土壤、惰性底物和营养液等）中吸收足量Fe或适应缺Fe环境，在长期进化中形成了应对少量可溶性Fe环境下的不同高效吸收策略，包括适应性机理（受植物体内铁营养状况调控，包括策略Ⅰ与策略Ⅱ）和非适应性的吞噬机理（不受植物体内Fe含量的影响）[57]。

植物对缺Fe的适应性机理与其植物特性密切相关，双子叶和非禾本科单子叶植物采用策略Ⅰ（以Fe2+吸收为主，如大豆、黄瓜、花生、向日葵等），禾本科植物采用策略Ⅱ（以Fe3+吸收为主，如玉米、高粱和麦类作物等），水稻则可采用策略I和策略II两种方式[58-72]。策略I植物通过诱导侧根形成、扩大根系还原和转运Fe的表面积、增加根系向外分泌H+、提高环境还原能力、活化根际的难溶性Fe、激发根系细胞的Fe吸收系统等协同作用来改善根系对Fe的吸收[56-67]，受高pH和HCO3-的抑制，导致在石灰性土壤中生长的策略I植物易呈现缺Fe失绿黄化，主要过程有：（1）根系质膜上P型H+-ATPase泵系统分泌H+来酸化根际环境和降低pH，增加Fe的可溶性和有效性，且根部有机酸（如丙二酸、苹果酸、反丁烯二酸、咖啡酸、柠檬酸、酒石酸、绿原酸）、酚类物质（如香豆素类）和黄素类等显著增加。（2）通过根部一种特异Fe离子螯合还原酶(ferric-chelate reductase oxidase，FRO)依赖NAD(P)H将环境中难溶解的Fe3+还原成易被吸收利用的Fe2+（这过程为限速步骤）。（3）在许多特异吸收Fe2+的铁转运蛋白(iron regulated transporter，IRT)的作用下，将 Fe2+转运到细胞。策略II植物适应高pH环境，缺Fe时通过一系列的酶促反应诱导合成和分泌大量的高亲和铁的麦根酸(mugineic acid，MA)类（如麦根酸、阿凡酸、啤麦根酸）植物铁载体(MAs)，增加难溶性Fe的溶解、活化和螯合能力，形成稳定的八面体Fe3+与麦根酸类铁载体(phytosiderophore，PS)的螯合物(Fe3+-PS复合体或Fe3+-MAs)，并迁移到根系质膜；同时根系细胞原生质膜上YS1(yellow stripe 1)和 YSL(yellow stripe1-like)等特异的Fe3+-铁载体转运蛋白系统将Fe3+-螯合物转运入细胞质中，Fe3+在细胞内被特定酶还原成Fe2+，Fe2+再依靠相应的转运蛋白跨越根部的细胞质膜而被转运，该过程不受环境pH的影响，在石灰性土壤上生长的策略Ⅱ植物不会表现出明显的缺Fe症[56-66,68-72]。

植物对缺Fe的吸收可能还存在非适应性机理——吞噬机制(docytotic mechanism)。在绿藻中发现一种被高盐缺Fe诱导的定位于质膜上的植物特有的类转铁蛋白Ttf-p150，在3.5 mol/L NaCl下以吞噬方式吸收转运Fe3+，可提高吸铁效率2～3倍[73-74]。越来越多的研究发现植物体内存在全新的高亲和性转铁蛋白(naturalresistanceassociated macrophageproteins，Nramp)和血红蛋白，Nramp能主动吞噬内吞小体释放出的自由Fe2+，将其转运并释放到细胞质中[44,75-78]。因此，Nramp基因家族在Fe代谢中发挥着关键作用，但其在植物体内详细的调控机制还不很清楚。

3.2 植物体内Fe的转运

3.2.1 细胞内运输 在Fe过量或外部缺Fe时，液泡中的Fe将被释放进入细胞质，但目前Fe究竟是以Fe-NA（烟碱酰胺）复合物的形式转移进入液泡还是存在NA特异的转运蛋白将NA转运进入液泡中再形成Fe-NA复合物仍不十分清楚[79]。拟南芥VIT1（液泡铁转运蛋白）为Fe2+转运蛋白，在液泡Fe贮存时起作用[45]。在缺Fe时，拟南芥Nramp基因家族表达的蛋白可能靶向细胞内膜（如细胞囊泡和液泡膜），将Fe活化后再利用进入细胞质，介导Fe运输[44,75-82]。Fe能够在植物细胞质体（尤其是叶绿体）基质中以铁蛋白(ferritin，Fer)形式大量存在，而Fer进入叶绿体的机制还不完全明了，但有研究表明编码铁蛋白的(AtFer1-4)基因[32]、叶绿体三价铁螯合还原酶FRO6和FRO7基因[41,83-84]、ZmFDR3(zea maize Fe-deficiency-related)基因[85]及铁转运蛋白的基因PIC1（叶绿体透性酶）[41]均参与了叶绿体对Fe吸收与转运。在拟南芥线粒体中还找到了FRO3（铁缺乏时被诱导）和FRO8（在衰老叶片中高度表达且不受铁添加的调控）基因[86]。

3.2.2 长距离运输 Fe在植物体内的长距离运输主要通过木质部和韧皮部进行，其中木质部中的Fe大多运输到老叶中，韧皮部中的Fe运输到新叶中。在韧皮部中，Fe充足时的运输极低，Fe缺乏时的运输明显提高；因此，植物通过韧皮部由地上部（尤其是叶片）往根部输出Fe常被作为植物缺Fe的信息反馈，这一信息反应位于根细胞而非地上部[87]。植物吸收的Fe进入植物根部表皮细胞共质体后，首先通过螯合形成复合物，然后铁螯合复合物在细胞间沿扩散梯度径向运输至木质部，推测NA（烟碱酰胺）或脱氧麦根酸(deoxymugineic acid，DMA)是参与此过程的最可能铁载体[69,88]。Fe到达木质部后需先卸载到木质部导管中，然后经木质部进行长距离运输，且普遍认为Fe3+-柠檬酸复合物是Fe在木质部中的主要存在形式，高含量的重碳酸盐和磷酸盐或NO3--N单独存在将抑制Fe运输[58,88-90]。

植物在顶点、种子和根尖等发育器官中的木质部维管束的蒸腾流动效率极低（根压除外），导致Fe从老叶活化被转运至新叶再利用，但需要依赖韧皮部运输[91]。韧皮部分泌物pH＞7，为保持Fe的可溶态，必须结合到螯合蛋白上；研究发现，96个氨基酸组成的铁转运蛋白(Iron Transport Protein,ITP)和NA在韧皮部均能与Fe螯合，但ITP只与特异性Fe3+结合且在韧皮部中运输，NA则与Fe2+、Fe3+均可结合，更可能参与韧皮部中Fe的装卸和Fe2+毒的解除[92-94]。Fe由木质部到韧皮部及韧皮部长距离运输涉及由多个转运蛋白（如黄色条纹样转运蛋白家族，Yellow strip like transporter，YSL）协同调控的Fe2+-NA跨膜运输[95]，如OsYSL2参与木质部和韧皮部中Fe的运输[96]，OsYSL9负责发育种子中Fe从胚乳到胚的运输[97]，OsYSL15负责根部吸收Fe(Ⅲ)-DMA和参与维管组织中Fe的运输[98]，OsYSL16编码产物参与体内尤其是生殖器官中Fe(Ⅲ)-DMA的分布及转导和负责Cu-NA的运输[99]，OsYSL18作为Fe(Ⅲ)-DMA的转运载体基因可能在水稻受精和韧皮部的Fe运输中发挥作用[100]。另外，受缺Fe强烈诱导的AtOPT3(oligo peptide transport 3)是地上部的Fe向韧皮部装载的主要转运蛋白（位于细胞质膜上），但其底物目前仍未达成共识[101-103]。

4 展望

近180年来，人们对植物Fe素营养的生理研究取得了较丰富的成果，为认识植物对Fe的吸收和利用、防治缺Fe失绿黄化症及提高植物可食部分的Fe含量等提供了坚实的理论基础，但仍有一些关键的科学问题亟待深入探究，其中比较迫切的有：

（1）植物体内的Fe代谢与植物种类、品种和环境等密切相关，虽然目前对策略I和策略II已有清晰认识，但不同物种间的Fe代谢途径差异（如不同信号分子和转运体的所属种类、功能特点、协同调控和冗余机制）仍存在不清楚的部分，有必要利用现代先进的实验技术去进一步阐释。

（2）目前人们对植物体内Fe的细胞内和长距离运输的了解还停留在静态和表层，但运输是动态和深层的，如何运用动态示踪技术等去更好地揭示植物体内Fe在地上部的还原、装载和卸载机制及调控应成为今后植物Fe素营养研究的重点。

（3）受Nramp家族基因调控的植物对缺Fe可能存在的“吞噬机制”还未全面明晰，尤其是依赖其转运到各细胞器中的贮存Fe将如何被重新利用，需更多可靠的直接研究来加以证实，将丰富植物体内Fe吸收与转运的理论知识，为培育Fe高效吸收转运的优质功能型植物新品种提供理论基础。

（4）植物缺Fe失绿黄化是全球普遍关注的植物营养失调问题，全球约有40%的土壤缺Fe，尤其是石灰性和碱性土壤。植物体内的Fe素代谢受遗传基因控制，植物在长期的自然进化和人工选择中积累了大量的自然变异，通过生物学手段来提高植物对Fe的吸收、利用和转化具有强大的优势与潜力。因此，通过植物种质资源筛选来抵御缺Fe胁迫和提高体内Fe含量，已成为解决植物缺Fe失绿黄化症的根本途径；或采用生物强化措施来提高植物体内Fe含量及其生物有效性和生产富Fe蛋白植物食品，为改善人类全球三大“隐性饥饿”之一的Fe营养缺乏做出贡献。

（5）无毒的铁蛋白(Fer)是具有生物利用价值的铁源，是21世纪解决全球性缺Fe的新型补Fe功能因子。植物Fer作为一种专门贮存Fe的蛋白质存在于质体中，在种子形成、叶片衰老或环境中Fe过量时积累Fe来防止细胞产生自由基和造成氧化损伤，在种子萌发或质体绿化等中释放Fe来调节植物对Fe的吸收和释放及维持Fe的动态平衡。而目前人们只对极少数铁蛋白（如大豆铁蛋白）的结构和功能有所了解，而绝大部分的Fer仍未知，尤其是质体中Fer的氧化沉淀与还原释放的机制及调控有待于深入研究。

（6）植物体内的Fe是人类获取Fe营养的主要来源，通过开展植物Fe富集基因工程来创造富Fe植物及食品是改善人体Fe营养状况（与Fe缺乏相关的疾病有威尔森氏症、苍白球黑质红核色素变性、帕金森和老年痴呆等）和消除缺Fe性贫血病患的最简便、最直接和最高效的途径，这就要求人们尽快去深度解析植物体内Fe代谢的分子机理（如关键新基因的挖掘、鉴定、筛选、克隆、表达和网络调控）。