大多数植物的含铁量在100~300mgKg(干重)之间,且 …
植物缺铁机理研究浅述
陆海明
植物缺铁是世界农业生产中面临的一个严重而普遍的问题(Korcak,1988)。早在150多年前Gris就已经对缺铁现象有所描述，他发现生长在石灰性土壤中的葡萄叶片出现的失绿症状与缺铁有关。关于铁在植物体内的营养以及缺铁的生理机制一直是植物营养学家关心的问题。本文就缺铁机理的研究作简单的回顾。
一、铁元素的生理功能及其在土壤中的含量
铁是植物所必需的微量营养元素之一，大多数植物的含铁量为100~300mg/Kg（干重），且常随植物种类和植株部位的不同而有差别。铁是叶绿素合成所必需的营养元素；它参与植物细胞内的氧化还原反应和电子传递，铁可以与某些有机物结合形成具有强氧化还原能力的血红蛋白，铁也是铁硫蛋白的重要组成部分；植物细胞的呼吸作用中许多酶如细胞色素氧化酶、过氧化氢酶、过氧化物酶等都含有铁。
尽管在多数土壤中全铁的含量并不低，但可被植物吸收利用的可溶性铁含量却很低。土壤溶液中的铁浓度为10-20-10-6mg/l (Romheld and Marschner,1986)，在石灰性土壤中约为10-10mol/l（O’Conner et al. , 1971），主要以三价铁的氧化物，氢氧化物、碳酸盐的形态存在。铁的溶解度受pH的影响很大，pH每降低一个单位，铁的溶解度约增加1000倍，可溶性铁在pH为 6.5-8.0时达到最低，当pH>7.5时, 铁的溶解度降低到10-20mol/l (Lindsay and Schwab,1982)。Lindsay (1972)从理论上计算后认为,如果靠质流来满足植物对铁的需求,铁的总浓度至少应高达10-6mol/l。然而，要达到这一水平，只有在土壤pH 3时才能实现，而绝大多数土壤的pH值都远高于3。全世界约有25%—30%的土壤存在潜在缺铁的问题(李泽岩，1984)，呈“补丁”状分布于世界各地。进一部研究表明，缺铁土壤大多是干旱、半干旱地区的石灰性土壤（Chen and Barak, 1982）。
二、植物缺铁反应机理及其影响因素
（一）植物缺铁时形态学和生理学变化
植物缺铁时形态变化有：根系生长增加、根尖膨大、增粗、产生大量根毛、表面积扩大(Romheld and Marschner,1981)；根的外表皮细胞和根毛中形成大量转移细胞（Kramer et al.,1980; Landsberg,1982）。生理变化主要有：根向外分泌H+和能力显著增加；酚类等还原物质的分泌量增多(Romheld and Marschner,1981)；有机酸的分泌量也增加(Landsberg,1982）；根系对Fe3+的还原能力增强(Romheld and Marschner,1983)。
（二）植物适应性缺铁反应机制
植物铁能够以Fe2+、Fe3+或铁的螯合物形式被植物根系所吸收，但是Fe2+是植物吸收利
用的主要形式。Fe3+只有在根的表面还原成Fe2+以后才能被吸收(Hofner,1972)。
根据植物对缺铁的反应机制不同，可分为以下两种适应机理：
Strategy I双子叶和非禾本科单子叶植物缺铁时，体内发生如下适应性机制：（1）原生质膜上的H+-ATPase质子泵被激活，H+由膜内泵向膜外，根际pH下降，提高了根际铁的有效性。（2）膜外低pH在原生质膜上诱导产生三价铁离子还原酶，它可将Fe3+还原成Fe2+，并由膜外转运到膜内，NADPH或NADH作为诱导还原酶的电子供体。Zaharieva (1997) 通过比较非禾本科单子叶植物（Strategy I）和禾本科单子叶植物（Strategy II）吸收Fe2+的机理，发现质膜上的Fe2+-转运子（Fe2+-transportor）只有在非禾本科单子叶植物（Strategy I）缺铁时才被诱导，它不同与其它二价阳离子的转运子。在高浓度的Zn2+胁迫下Fe2+-转运子也可以转运Zn2+，但转运效率较低。（3）植物根分泌螯合态化合物（主要是酚类化合物）络合三价铁离子，通过诱导还原酶被转运到膜内，被植物吸收利用。Bienfcint (1985)认为，根细胞质膜上有两种不同的氧化还原系统，即标准系统和可诱导系统（也叫Turbo系统），标准还原系统存在于所有植物细胞中，仅还原铁氧化物，而不与Fe3+-螯合物反应，这一系统的活性强弱与植物铁营养状况无关，诱导系统由缺铁胁迫诱导，其电子受体是Fe3+-螯合物。以上这些缺铁机理是一个整体，相互影响，并严格受基因控制，对于一个给定的物种可能是由一个主基因控制(Marschner,1992)。
Strategy II 禾本科单子叶植物在缺铁条件下，根部大量分泌麦根酸类植物铁载体（phytosiderophore）。它对铁有活化作用，因此禾本科植物很少出现缺铁症状。其作用机理分为四部分：1、铁载体的生物合成；2、铁载体的分泌；3、铁载体对铁的活化；4、植物对铁载体螯合铁的吸收（张福锁,1997）。植物铁载体的分泌并非受缺铁的专一性诱导，缺锌小麦也能分泌同类植物铁载体，但缺铜和缺锰则不能诱导这类铁载体的分泌。植物铁载体不仅能活化介质中的铁，而且能活化铜和锌。用放射性同位素研究的结果表明，植物对铁载体螯合铁的吸收是专一性的，其吸收量可以是其它螯合物的上百倍到上千倍。这一特性并未在其它金属的螯合物上表现出来。植物铁载体分泌及其对铁活化能力的非专一性使这一机理的作用效率明显下降，但植物吸收系统的专一性弥补了这一缺陷。
通过对这些缺铁适应机制的研究，确定控制这些性状的基因，为人们进行这一适应机理的遗传控制基因研究提供动力和目标，进而可以选育植物营养高效利用型的物种。
（三）影响植物吸收利用铁的主要环境因素
1石灰性土壤中HCO3-在石灰性土壤上，最易发生缺铁失绿症状，HCO3-导致植物缺铁失绿机理一直是国内外植物营养学家研究的热点。一些研究者发现缺铁失绿植物根部质外体内可以累积较高浓度的铁离子，黄花叶片中铁离子比正常的叶片要少（Bienfait et al.1985; Longnecker und welch,1990; Mengel and Gewtzen, 1988）。Planke (1991)发现，根中的HCO3-能影响木质部中的pH，进而影响铁在茎杆中的扩散运输。Romheld,D,V（1997）用油菜做水培试验证明，在短期内HCO3-影响铁的吸收是由于它限制了三价铁还原酶的还原能力，木质部
无论在短期还是在长期试验中pH都没有改变。田间试验也显示，缺铁失绿是由于根系吸收以及转运到幼叶的量少。Nikolic, M 和Kastori, R（1997）同样用油菜做水培试验认为，HCO3-导致植物缺铁黄花是由于根中铁的获得受阻，而不是叶中的铁失活。
在石灰性土壤上，CaCO3含量较高，由根呼吸产生的CO2与根际土壤颗粒水溶液中溶解的CaCO3生成HCO3-中和由膜内泵向膜外的H+，导致膜外pH升高，而Fe3+由膜内向膜外运输受膜上的Fe3+还原酶的调节，当pH上升时铁的转运受到限制。HCO3-的浓度也与CO2分压和土壤紧实度有关，当土壤中的CO2分压较高或土壤结构紧实时，植物根呼吸不良，氧气缺乏，CO2分压较高，引起HCO3-浓度增大、pH升高。HCO3-在土壤溶液中有较强的pH缓冲能力，其毒害作用较难逆转。长时间内低温阴雨出现的所谓“坏天气失绿症”即是此原因（Perret and Koblet, 1981）。
从上面的分析可以知道铁离子从土壤介质转运到根内不是限制因子，HCO3-影响铁从根质外体转移到细胞质进而通过长距离运输到叶片中被植物利用，究竟是通过影响质外体的pH值亦或质膜上的Fe3+还原酶，还是兼而有之仍需进一步探讨。
许多研究者同时又发现，在石灰性土壤上，缺铁失绿叶片中铁的含量并不低，甚至比正常的叶片的还高( Mengel, 1995; Iljin, 1943 ) 。Mengel (1984) 发现叶片质外体的pH值与以叶绿体浓度为尺度的缺铁黄花程度之间有明显的负相关性。这可能与叶片内积累较多的HCO3-，影响铁在叶片内的分布有关（Lucena J. J., 2000）。在叶片中质外体pH控制的铁进入细胞质与根中情况类似。植物叶片内的PO43-含量也较高，Mengel（1984）认为这不是导致缺铁的原因而是缺铁的结果。De Kock, etc（1981）和Scholl等（1979）提出不能用植物体内铁的绝对含量表示铁的营养状况，而应以体内的“有效活性铁”作为标准。
HCO3-影响植物对铁的吸收利用可能抑制铁从根部向地上部运输，导致在根中积累；或者影响铁在叶片中的利用导致铁在叶片中累积，而不能被植物所利用。
2 不同形态的氮肥供应植物不同氮素形态的肥料对植物吸收铁有不同的影响。供应NH4+-N时植物吸收的阳离子大于阴离子，体内外的阴阳离子不平衡，为达到体内电荷平衡，根系释放出H+，使植物根际酸化，增加铁的有效性，与此同时质外体空间的pH值也下降，有利于铁由根向上运输。供应NO3--N时，植物吸收的阴离子量大于阳离子的量，植物根系会向外释放HCO3-或OH-，使根际pH升高，与提供NH4+-N过程相反，不利于根对铁的吸收。但是供应NO3--N时植物根际的pH变化幅度不如供应NH4+-N的变幅大，后者pH可以下降2-3.5个单位（张福锁，1997）。
Mengel等（1995）以玉米作为试验材料，用EDTA-Fe为铁源，NO3--N作为唯一的氮源，经过14-21天后，表现典型的缺铁黄花症状，根、茎、叶pH较高。将这些植株转移到以硫酸铵为氮源的营养液中2-3天后，培养液的pH、植物体内pH都下降，植株恢复绿色。用pH3.5的HCl溶液也可以得到同样的结果。H.Kosegarten等（1997）以向日葵为试验材料也得到了相似的结论。据赵秀兰等（1998）用小麦为试验材料结果显示，小麦根、茎的铁浓度也随营
养液中NO3-比例的提高而增加,这可能与供应NO3-使根和茎质外体的pH值升高,导致铁在质外体空间发生沉淀有关。崔骁勇等（2000）用豌豆水培试验也证明氮素形态对豌豆铁营养的影响主要是通过提高根际pH值，抑制根系还原酶活性的作用，从而降低植物对铁的吸收利用能力，即通过影响质外体pH起作用的。
3 微生物J. Masalha等(2000) 用玉米和向日葵在石灰性土壤上做试验，在未灭菌土壤上的植株生长情况比灭菌后土壤上生长的好，并未显示缺铁症状，根内的铁含量较高。灭菌处理后麦根酸类植物铁载体产生被抑制，导致根质外体内铁浓度下降。
4 外源激素Mengel （1988）用玉米作为试验材料有，在缺铁失绿的叶片上施用IAA 或壳梭孢素（fusicoccin）可以使叶片恢复绿色，但并没改变叶片内的pH值。这可能与施用IAA或壳梭孢素（fusicoccin）后刺激质膜上的质子泵活性有关。Maschner (1986)曾指出根中高浓度的HCO3-降低了细胞分裂素向上转移，从而影响蛋白质和叶绿素的合成。
三、铁在体内运输及利用
当Fe2+被根吸收后，在大部分的根细胞中可氧化成Fe3+，并被有机酸（主要是柠檬酸，还有苹果酸等）螯合，通过木质部被运输到地上部。其它高浓度的重金属元素能够把铁从其络合物上取代，影响植物对铁的吸收和运转。植物体内高浓度的PO43-通过与三价铁离子结合沉淀也影响其有效性的发挥（Mathan and Amberger,1997; Scherer,1978）。铁离子在植物体内的移动性较差，缺铁症状通常是从新叶开始，在有可见症状之前，植物体内的代谢已受到影响，只有在叶片尚未发育完全，缺铁胁迫不是太严重时用叶面喷施或土壤施肥的办法来矫正才有效。
传统的观点一直认为铁在韧皮部是不能移动的，但用菜豆为试验材料测得，在韧皮部内铁是以Fe2+与植物内源螯合物--烟草酸（nicotianamine）结合的形式在体内移动的(Schmidke,I. and Stephan,U.1995; Axel.Pich, et al. 2001)，它与植物基因型及其环境条件有关（Mass,et al. 1998; Mengel and Geurtzen, 1986）。
四、研究展望
如何提高植物对铁元素的利用效率，解决植物缺铁黄花问题，一直是这一领域的研究的热点，并已经取得了不少进展，但尚存在一些问题和困难。如缺铁植物中吸收的铁元素究竟是在质外体还是在细胞质中被沉淀，是发生在根中还是在叶片中，目前尚无直接的证据，仅仅是通过pH等间接的手段来证明的；铁在韧皮部的运转以及在植物体内的再利用等方面都需进一步加以研究证实。
近年来随着人们对微量元素的需求的增加，铁在植物体内运输、分配和同化利用，及其与源库的关系，铁在籽粒内的累积生理机制，铁高效利用和富积的基因型的选育正引起国内外植物营养学家和育种学家的广泛兴趣。