機理I植物缺鐵響應(yīng)機制和信號調(diào)控途徑.pdf

1、缺鐵是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上限制作物生產(chǎn)的主要因素之一。對屬于雙子葉和非禾本科單子葉的機理I植物而言，缺鐵條件下，根系會作出多種響應(yīng)來增加吸收利用鐵的能力，這些響應(yīng)包括：誘導(dǎo)高鐵還原酶和鐵轉(zhuǎn)運體，分泌質(zhì)子，增加亞根尖根毛發(fā)育和側(cè)根發(fā)育以及分泌酚類物質(zhì)等還原性小分子有機物。然而，后兩種缺鐵響應(yīng)在改善物鐵營養(yǎng)中的貢獻(xiàn)仍尚未明確。本文首先以紅三葉草(Trifolium pretense L.)為材料，較系統(tǒng)地研究了缺鐵誘導(dǎo)的側(cè)根發(fā)育和根系分泌的酚類物質(zhì)在

2、提高根系鐵吸收，增加土壤中鐵有效性及促進(jìn)根系質(zhì)外體鐵再利用中的作用及其機制，以及體內(nèi)酚類物質(zhì)對生長素代謝的影響及其與缺鐵響應(yīng)之間的關(guān)系；另一方面，由于人類活動所導(dǎo)致的大氣CO2濃度增加會促進(jìn)植物的生長，進(jìn)而可能影響植物的鐵營養(yǎng)，本研究以番茄(Solanum lycopersicom cv.)為材料研究了這一環(huán)境因素的變化對植物鐵營養(yǎng)吸收的影響；最后，本研究借助病毒誘導(dǎo)的基因沉默技術(shù)(VIGS)，初步探討了體內(nèi)14-3-3蛋白在植物缺鐵響

3、應(yīng)中的調(diào)控作用。主要研究結(jié)果分為鐵吸收機制，體內(nèi)鐵再利用機制，環(huán)境因素的影響及鐵吸收調(diào)控機制等這四個方面，概述如下： 1、側(cè)根發(fā)育與根際微生物在植物吸收鐵中的作用(鐵吸收機制) 缺鐵條件下，紅三葉草的側(cè)根數(shù)量顯著增加，并且側(cè)根數(shù)量與根系高鐵還原酶活性之間顯著正相關(guān)。此外，對Dasgan等(2002，Plant and Soil，241:97-104)報道的結(jié)果作相關(guān)性分析也發(fā)現(xiàn)，兩種不同基因型番茄line227/1(P1

4、)和Roza( P2)，以及它們的兩個雜交后代(‘P1×P2’和‘P2×P1’)在兩個不同水平(10-6和10-7 M FeEDDHA)的低鐵條件下生長，它們的根系高鐵還原酶活性與側(cè)根數(shù)量也呈顯著正相關(guān)。進(jìn)一步分析表明，這4種番茄的側(cè)根密度大小趨勢又與它們的耐缺鐵失綠能力的強弱相一致。這些結(jié)果證明了缺鐵誘導(dǎo)的側(cè)根數(shù)量增加可以提高根系高鐵還原酶活性，并由此在增強植物耐缺鐵能力上發(fā)揮重要作用。 此外，有研究表明土壤微生物能促進(jìn)植物鐵

5、的吸收。本研究中，我們也發(fā)現(xiàn)堿性土壤滅菌后，紅三葉草的生長和鐵吸收受到了明顯抑制，但葉面噴施Fe-EDTA溶液和土壤接種根瘤菌使紅三葉草的生長和鐵吸收均得到恢復(fù)。后者現(xiàn)象與根瘤菌結(jié)瘤后根系的高鐵還原酶活性顯著增強有關(guān)。 溶液培養(yǎng)條件下，紅三葉草根系在缺鐵條件下會分泌大量酚類化合物，在堿性土壤培養(yǎng)條件下，也發(fā)現(xiàn)根際土壤中酚類物質(zhì)積累的現(xiàn)象。鑒于酚類物質(zhì)具有抑菌性，我們測定了缺鐵土壤培養(yǎng)的紅三葉草根際微生物種群的變化。微生物16s

6、rDNA PCR-DGGE分析和培養(yǎng)試驗表明，缺鐵培養(yǎng)的紅三葉草根際土壤和人為添加根系分泌的酚類物質(zhì)培養(yǎng)的土壤的微生物群落結(jié)構(gòu)均發(fā)生了明顯的變化，且都表現(xiàn)為分泌高鐵載體(Siderophore)能力強的微生物數(shù)量的增加，說明缺鐵誘導(dǎo)的根際微生物群落結(jié)構(gòu)變化很可能是根系分泌的酚類物質(zhì)引起的。在可培養(yǎng)的微生物中，我們還發(fā)現(xiàn)，與根系分泌的酚類物質(zhì)共培養(yǎng)后，增加了土壤中產(chǎn)生長素類物質(zhì)的微生物的比例。水培試驗證明微生物分泌的生長素類物質(zhì)能有效地增

7、強紅三葉草根系還原鐵的能力。結(jié)合我們以往的研究，提出了機理I植物根系分泌物與微生物互作及其對改善植物鐵營養(yǎng)的作用的機理模型，即：缺鐵誘導(dǎo)根系分泌的酚類物質(zhì)首先改變了根際微生物群落結(jié)構(gòu)，提高了根際土壤中能分泌高鐵載體和生長素類物質(zhì)的微生物的比例，新的微生物群落又通過增強高鐵載體和生長素類物質(zhì)的分泌促進(jìn)植物的鐵吸收。 2、酚類根系分泌物在紅三葉草根系質(zhì)外體鐵再利用上的作用(鐵再利用機制) 缺鐵根系細(xì)胞向根際分泌酚類物質(zhì)時，須

8、先經(jīng)過根系的質(zhì)外體空間。在溶液培養(yǎng)試驗中我們發(fā)現(xiàn)，用吸著型樹脂去除培養(yǎng)液中的酚類根系分泌物后，紅三葉革新葉失綠癥狀更為嚴(yán)重，且后期沒有恢復(fù)跡象，這一現(xiàn)象暗示了缺鐵誘導(dǎo)分泌的酚類物質(zhì)可能與植物體內(nèi)的鐵再利用有關(guān)。進(jìn)一步分析表明，酚類物質(zhì)去除后，幾乎完全抑制了缺鐵根系的質(zhì)外體鐵隨缺鐵培養(yǎng)時間延長而下降趨勢，與之相對應(yīng)的是，酚類物質(zhì)去除后，地上部的鐵含量明顯下降，而根系鐵含量卻顯著提高，表明酚類物質(zhì)去除后可能減少了根系中的質(zhì)外體鐵向地上部轉(zhuǎn)運

9、，從而加劇了地上部的缺鐵癥狀。然而，去除酚類分泌物同時也增強了缺鐵植物根系的高鐵還原酶活性和質(zhì)子分泌，說明這種質(zhì)外體鐵再利用過程并不是由質(zhì)子分泌和高鐵還原酶介導(dǎo)的。根系分泌的酚類物質(zhì)對根系細(xì)胞壁中的鐵的解吸動力學(xué)試驗表明，酚類根系分泌物確能有效釋放固定于細(xì)胞壁上的鐵。上述結(jié)果充分證明了缺鐵誘導(dǎo)的根系酚類分泌物直接介導(dǎo)了根系質(zhì)外體鐵的再利用，并在改善植物地上部分鐵營養(yǎng)中起著十分重要的作用。 3、大氣CO2濃度增加對植物鐵營養(yǎng)的影響

10、(環(huán)境因素的影響) 目前，地球大氣中的二氧化碳濃度(CO2)正在逐年增加。水培試驗結(jié)果表明空氣中CO2濃度升高后(800μL L-1).不僅可以顯著增加低鐵(以難溶性氧化鐵鐵礦粉為鐵源)培養(yǎng)的番茄的生物量，而且還可以顯著促進(jìn)鐵吸收，改善植物的鐵營養(yǎng)。此外，盡管高CO2濃度處理改善了植物的鐵營養(yǎng)，但與正常大氣下生長(CO2濃度350μL-1)的植物相比，根系的鐵還原酶活、質(zhì)子分泌量和亞根尖根毛發(fā)育反而更為強烈，并且FER、FRO1

11、和IRT3個基因的表達(dá)也顯著增強。通過比較，我們還發(fā)現(xiàn)高CO2濃度處理顯著增加了番茄的根冠比。因此，我們認(rèn)為，缺鐵響應(yīng)增強和根冠比增加可能是高CO2濃度處理改善植物鐵營養(yǎng)的原因，其中前者可能是主要原因。此外，高CO2濃度處理還明顯增加了根系的NO含量，這可能增強缺鐵響應(yīng)的原因。 4、酚類化合物、生長素和14-3-3蛋白在鐵吸收上的調(diào)控作用(鐵吸收調(diào)控機制) 缺鐵處理顯著增加了紅三葉草根系的IAA含量。生長素極性運輸抑制劑

12、TIBA或NPA處理植物莖部后，顯著抑制了缺鐵誘導(dǎo)的根系高鐵還原酶活性，質(zhì)子分泌和亞根尖根毛發(fā)育等缺鐵響應(yīng)，但并不影響缺鐵誘導(dǎo)的根系酚類物質(zhì)的積累和分泌，表明IAA沒有參與后兩種缺鐵響應(yīng)的調(diào)控，但參與了前幾種缺鐵響應(yīng)的調(diào)控過程。此外，缺鐵處理明顯降低了根系的IAA氧化酶活性。有意思的是，缺鐵根系的酚類物質(zhì)對IAA氧化酶活性具有很強的抑制作用，并且這種抑制作用要顯著強于鐵營養(yǎng)正常根系的酚類物質(zhì)，表明缺鐵導(dǎo)致IAA氧化酶活性下降很有可能是酚

13、類物質(zhì)在缺鐵根系中積累引起的。綜上所述，我們認(rèn)為：缺鐵機理l植物根系通過增加酚類物質(zhì)積累來抑制IAA氧化酶的活性，減少IAA在根系中的降解，提高IAA的含量，進(jìn)而參與調(diào)控植物缺鐵誘導(dǎo)的高鐵還原酶活性、質(zhì)子分泌和根毛發(fā)育。 利用VIGS(病毒誘導(dǎo)的基因沉默)技術(shù)，沉默了TFT714-3-3基因在番茄中的表達(dá)，缺鐵處理后，我們發(fā)現(xiàn)TFT714-3-3基因沉默，明顯抑制了根系FER基因的表達(dá)，同時也抑制了FRO1基因以及IRT基因的表