梨缺铁性黄化病研究进展

卢明艳闫兴凯王强武春昊胡明玥张茂君

(1.吉林省农业科学院果树研究所/农业部东北地区(吉林)果树科学观测试验站，吉林 公主岭 136100；2.延边大学农学院，吉林 延吉 133000)

果树以及林业的许多树木在生长发育过程中，遭受有害生物侵染或不良气候、土壤、人为等各种非生物因素胁迫后，导致叶片失绿的症状称为黄化病。果树黄化是生理性黄化，是由于生长在石灰性土壤上引起的缺素症造成的。果树对缺铁非常敏感，梨树是缺铁敏感果树种类之一，缺铁胁迫时先表现为新梢先端的幼叶失绿，随着胁迫加重，叶肉逐渐失绿变黄，严重时叶脉褪绿，全叶呈黄白色，叶片边缘发生干枯斑块，最后叶片干枯脱落，最终导致树势衰弱、果实品质下降甚至死亡，给种植者造成较大的经济损失。

我国对梨缺铁性黄化病的研究始于20世纪50年代，随着科学技术水平的不断发展，特别是分子生物技术的飞速发展，对梨缺铁性黄化的研究取得了长足的进展。为了了解和掌握国内这一研究领域的最新进展，本文从土壤、叶片、分子等3个方面对梨缺铁性黄化病的研究进行梳理，并在此基础上对梨树黄化病的矫治方法进行总结和未来的研究进行展望。

1 土壤

土壤是植物生长的介质，其营养物质的含量、营养水平和理化性质等对植物的铁吸收、利用产生不同程度的影响。

1.1 土壤pH值

铁在自然界中广泛存在，土壤中含量丰富，一般含量在1%～20%，平均含量为3.2%，但大部分铁是以难溶的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铁很少，尤其在pH值较高的石灰性土壤和滨海盐土上，由于铁易与OH-形成Fe(OH)3而被固定[2]，从而导致梨缺铁性黄化病的发生。研究表明，在pH较高的碱性土壤上，每增加1个pH单位，土壤溶液中铁的活性就减小1000倍[3]。黎秀丽[4]研究表明，土壤高pH值是库尔勒香梨黄化病产生的因素。余存祖等[5]研究表明，我国北方黄土区有效铁与土壤pH值呈显著负相关，说明高pH值是影响铁吸收利用的关键因子。但仝月澳等[6]对涿鹿果树场黄化与正常梨树土壤的pH值分析表明，二者并没有很大差异，认为高pH值只是失绿的影响因素之一。周厚基等[7]认为，只有在低铁的情况下，高pH值才会明显失绿，如果铁供应充足，即使pH值达到8.3，植株也不失绿或只有轻微失绿。张朝红[8]对酥梨根际土研究也表明，高pH值不是引起失绿黄化的直接原因，可能是通过影响土壤其它元素的改变而引起的。何天明[9]也佐证了这一观点。

1.2 土壤HCO3-

土壤中HCO3-是由CO2溶于水生成的H2CO3水解、CaCO3水解及其它碳酸盐水解产生的，是果树缺铁失绿的主要土壤因子。张福锁[10]、周厚基等[11]认为HCO3-主要影响铁的向上运输，从而降低叶片中铁含量导致失绿现象产生。周厚基认为，土壤中即使有短暂时间的HCO3-浓度过高，也会引起果树的失绿[7]。徐庆岫等[12]研究也发现，石灰性土壤中由植物根系和微生物呼吸作用产生的CO2，使碳酸盐溶解而造成HCO3-聚积,从而导致梨树黄化病的产生。张朝红[8]也发现，高HCO3-含量导致酥梨黄化病加重。

1.3 土壤有机质

土壤有机质是反映土壤肥力的一个综合指标，其含量多少能够调节土壤中腐殖酸和其它有机酸含量和土壤pH值，从而影响铁的溶解性。余存祖[8]发现，土壤有机质与有效铁含量呈显著正相关。周克昌[13]也发现，即使是在石灰性土壤上，增施有机肥可以减缓或抑制黄化病的发生。刘文国等[14]研究也发现，土壤有机质是引起猕猴桃黄化病的主要因素，正常猕猴桃园土壤有机质含量明显高于黄化园。因此，增加土壤中有机质含量，提高土壤肥力是解决黄化失绿的有效途径。

1.4 土壤营养元素

土壤中氮、磷、钾及矿质养分含量大小对铁的吸收利用也会产生影响。氮素是植物生长发育的重要大量元素，其形态不同对梨树缺铁失绿作用不同。一般认为，硝态氮能够释放HCO3-、OH-，增加土壤pH值，常导致梨树缺铁失绿。而铵态氮由于释放H+，降低土壤pH值，而利于铁的吸收利用。何天明[9]对库尔勒香梨失绿研究表明，氮素对香梨的失绿影响不大；而张朝红[8]研究表明，氮随着酥梨黄化程度的加重，根际富集程度表现增大的趋势。土壤中磷是以磷酸盐形式存在，而磷酸根离子易与树体内的铁结合形成难溶性化合物，抑制了铁在树体内的运输，从而影响铁元素参与正常的生理代谢，造成缺铁失绿症的发生[15]。李立平等调查发现，黄化猕猴桃生长的土壤中有效钾含量高于正常猕猴桃生长的土壤[16]，认为钾可能拮抗猕猴桃对铁的吸收，诱导猕猴桃黄化的产生[14]。土壤中的锰、铜、锌、钙、镁等金属离子，因易与铁离子产生拮抗或促进作用，导致铁含量的异常，从而使树体内各养分间的平衡关系遭到破坏，造成营养失衡而产生失绿黄化。

2 叶片

2.1 叶片结构变化

梨树缺铁黄化在外观上常表现为叶片颜色变黄，严重时变白，甚至焦枯死亡，还导致叶片叶面积和干鲜重增重减少[17]。叶片外部表现是由其内部细胞及组织结构变化控制的。对梨树黄化叶片的解剖结构研究表明，缺铁黄化使叶片厚度、叶肉厚度、栅栏组织厚度显著降低，叶片上下表皮厚度均极显著增加，栅栏组织与海绵组织界限模糊，栅栏组织/海绵组织的比值明显下降；维管束细胞排列凌乱，导管严重变形，口径变小[18]。叶片结构的变化直接影响了叶片叶绿素合成及光合作用，最终导致树势的衰弱和果实品质下降。

2.2 叶片叶绿素及光合特性变化

果树体内90%以上的铁存在于叶绿体中[19]，而叶绿体是制造光合产物的最主要单位，因此，铁元素在果树光化学反应中起着重要作用，缺铁不仅影响叶绿体结构的合成，使叶绿体数量明显减少甚至没有，还会引起叶绿体片层结构解体，甚至整个细胞空泡化[4,20,21]。叶绿体结构的异常导致叶片光合色素含量降低，叶绿素a/b增大，叶绿素/类胡萝卜素减小[22]。而在半根供铁情况下，就能使杜梨叶片保持正常的光合能力，叶绿素含量比缺铁条件下提高了55.5%，有效铁含量提高了98.5%[23]。试验证明，在叶绿素开始降低前其光合速率已明显降低，说明缺铁对叶绿体结构和功能的损伤比叶绿素含量的减少更为严重[24,25]。缺铁还使叶片的类囊体解体，膜的结构和功能被破坏[10,26]，导致植物PSII反应中心受到伤害，从而引起光化学效率降低[27]，造成电子传递结构破坏[28]，致使净光合速率、蒸腾速率等都下降[29,30]。

2.3 矿质元素变化

矿质营养是果树生长发育、果实品质形成的重要基础。由于矿质元素间存在拮抗和促进作用，这些元素的变化使叶片内元素间的平衡关系被破坏，造成营养失衡引起黄化症的产生。卢明艳等[22]研究表明，野生秋子梨叶片黄化失绿可能是树体内营养失衡所致。缺铁胁迫下，各营养物质的表现不同，酥梨叶片随着失绿黄化程度的增加，磷、钾、铜、锌、硼含量增多，活性铁、钙、锰元素减少，氮、镁变化不明显[28]。而钟晨[21]研究表明，铁的缺乏引起磷、钾、镁、硼、铜、锰含量下降。对杜梨幼苗矿质元素研究表明,随着供铁增加，磷、钾、锰、镁含量增加，钙、锌、铜含量下降[29]；而川梨叶内随着供铁浓度的增加，氮、磷、钾、钙、铜、锰含量减少；低铁处理镁、全铁含量低于无铁和正常供铁处理，且无铁处理含量维持最高；锌在低铁处理下含量高于无铁和正常供铁处理，且无铁处理其含量高于正常供铁处理[25]。缺铁胁迫下营养元素含量反而比低铁和正常供铁处理更高的现象，在其它果树上也曾有过报道[31,32]，这可能是因为缺铁使植物光合作用减弱，干物质积累减少，产生浓缩效应[33]，而并非植株真正吸收了更多的营养元素。

3 分子机理研究

在植物必需的多种矿物质元素中，铁是需求量最大的，其在多种生化反应中起重要作用，同时也是许多功能蛋白的重要辅助因子[34]。梨为机理Ⅰ型植物，在感受到缺铁或低铁胁迫时，H+-ATPase活性增加，分泌H+降低介质的pH值，从而增加根际可溶性铁的含量。与此同时，Fe3+还原酶将难溶性Fe3+还原为Fe2+，二价铁转运基因将还原的Fe2+转运到根尖细胞内，再由其它转运蛋白输送到植物体中的其它部位和细胞中去。参与这几个过程的基因有H+-ATPase(HA)基因[35]、Fe3+还原酶基因(FRO)、二价铁转运基因ZIP和NRAMP 2个家族等。

潘海发[36]以不同黄化程度的“砀山酥梨”叶片为模板克隆出具有NRAMP金属转运蛋白家族基因典型特征的PbNramp1和PbNramp3两个转运蛋白基因，对其表达量分析表明，轻度缺铁会提高PbNramp1和PbNramp3的表达量，随着缺铁程度的增加，表达量显著下降。钟晨[37]克隆了“砀山酥梨”铁蛋白PbFer2，与“翠冠梨”叶片的Fer2蛋白和Fer4蛋白具有较高的相似性，表达量分析表明轻度缺铁会提高PbFer2的表达量，随着缺铁程度增加，其表达量也显著下降。苏军[38]等对“砀山酥梨”不同程度缺铁叶片中生长素抑制蛋白ARP基因的表达量分析表明，随着缺铁程度的增加，ARP基因表达量显著升高，同时叶片中内源IAA含量逐渐降低；据此推测，ARP基因可能负反馈调节缺铁黄化叶片中IAA的水平，从而调控叶片的生长发育。金昕等[39]克隆了杜梨二价铁转运蛋白IRT1基因，表达分析表明，PbIRT1基因在叶片和茎中几乎不表达，具有较强的根组织特异性；在根系中表达量随缺铁胁迫加剧呈逐渐上调趋势，恢复供铁又抑制其表达。因此表明，PbIRT1基因的表达受到缺铁胁迫的诱导，参与了根系对二价铁的吸收和转运过程[29]。郭献平等[40]研究也表明，缺铁胁迫可诱导杜梨根系铁吸收关键基因三价铁还原酶(PbFRO2)基因和铁转运蛋白(PbIRT1)基因表达量升高，进而促进二价金属离子转运蛋白活性提高。

4 黄化病矫治

为了解决梨黄化病给梨生长发育、果实品质及产业发展带来的影响，从研究黄化病致病机理的同时就开始了矫治方法的研究。通常采用的方法是施用各种铁肥[41]，方式有叶面喷施[42-44]、土壤施用[45,46]及树干注射[47,48]等。近些年，外源激素、纳米氧化铁、菌类等对黄化病的防治也有报道，贾兵、何家轩等[49,50]研究表明，外源激素GA3促进叶片内铁的贮藏、还原与转运相关基因的表达，能够使黄化叶片复绿。王蒙[51]尝试纳米氧化铁对失绿黄化的作用发现，低浓度的纳米氧化铁对于植物的缺铁黄化有一定的矫治作用，而高浓度的纳米氧化铁则会抑制植物的生长。丛枝菌根真菌能促进铁吸收，防治缺铁性黄化病，且具有成本低、操作简单、持效性长特点，但需要针对不同植物筛选出不同的高效功能菌种[52]。这些方式只是对失绿黄化的缓解，并不能从根本上解决黄化问题。因此，高效、经济、安全的梨树黄化病防治措施是亟待解决的问题，而选育耐缺铁型砧木是提高果树耐缺铁的重要途径[53]，能够从根本上解决失绿黄化的问题。目前在对梨砧木的缺铁胁迫反应机理研究基础上，进行了耐缺铁梨砧木的筛选[17,54,56]，认为杜梨是较为理想的耐缺铁砧木。

5 展望

综上所述，梨缺铁性黄化的实质是梨根系对有效铁的吸收、利用效率低所致，所以增加铁的利用效率是提高防治梨缺铁黄化效果的重要途径。李培根等[57]认为，提高铁利用效率的新型肥料在未来具有广阔的发展前景。我国地域广阔，是梨起源中心之一，具有丰富的梨种质资源，利用我国丰富的梨野生资源选育出铁高效利用型砧木才是解决梨对铁吸收利用效率低问题的根本途径。但由于梨野生资源种内变异度较高，不同基因型个体间耐缺铁性表现差异较大，加上地域、气候、环境等因素的干扰，使得优异耐缺铁型梨砧木类型的筛选工作费时耗工。利用组培无性快繁技术进行早期耐盐碱性筛选，结合水培法对铁利用效率进行二次筛选，可加速铁高效型梨砧木的筛选进程。