機理I植物缺鐵響應機制和信號調控途徑.pdf

1、缺鐵是農業(yè)生產上限制作物生產的主要因素之一。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來增加吸收利用鐵的能力，這些響應包括：誘導高鐵還原酶和鐵轉運體，分泌質子，增加亞根尖根毛發(fā)育和側根發(fā)育以及分泌酚類物質等還原性小分子有機物。然而，后兩種缺鐵響應在改善物鐵營養(yǎng)中的貢獻仍尚未明確。本文首先以紅三葉草(Trifolium pretense L.)為材料，較系統(tǒng)地研究了缺鐵誘導的側根發(fā)育和根系分泌的酚類物質在

2、提高根系鐵吸收，增加土壤中鐵有效性及促進根系質外體鐵再利用中的作用及其機制，以及體內酚類物質對生長素代謝的影響及其與缺鐵響應之間的關系；另一方面，由于人類活動所導致的大氣CO2濃度增加會促進植物的生長，進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的基因沉默技術(VIGS)，初步探討了體內14-3-3蛋白在植物缺鐵響

3、應中的調控作用。主要研究結果分為鐵吸收機制，體內鐵再利用機制，環(huán)境因素的影響及鐵吸收調控機制等這四個方面，概述如下： 1、側根發(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，紅三葉草的側根數量顯著增加，并且側根數量與根系高鐵還原酶活性之間顯著正相關。此外，對Dasgan等(2002，Plant and Soil，241:97-104)報道的結果作相關性分析也發(fā)現，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根數量也呈顯著正相關。進一步分析表明，這4種番茄的側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。這些結果證明了缺鐵誘導的側根數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植物鐵

5、的吸收。本研究中，我們也發(fā)現堿性土壤滅菌后，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。后者現象與根瘤菌結瘤后根系的高鐵還原酶活性顯著增強有關。 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)現根際土壤中酚類物質積累的現象。鑒于酚類物質具有抑菌性，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培養(yǎng)的土壤的微生物群落結構均發(fā)生了明顯的變化，且都表現為分泌高鐵載體(Siderophore)能力強的微生物數量的增加，說明缺鐵誘導的根際微生物群落結構變化很可能是根系分泌的酚類物質引起的。在可培養(yǎng)的微生物中，我們還發(fā)現，與根系分泌的酚類物質共培養(yǎng)后，增加了土壤中產生長素類物質的微生物的比例。水培試驗證明微生物分泌的生長素類物質能有效地增

7、強紅三葉草根系還原鐵的能力。結合我們以往的研究，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：缺鐵誘導根系分泌的酚類物質首先改變了根際微生物群落結構，提高了根際土壤中能分泌高鐵載體和生長素類物質的微生物的比例，新的微生物群落又通過增強高鐵載體和生長素類物質的分泌促進植物的鐵吸收。 2、酚類根系分泌物在紅三葉草根系質外體鐵再利用上的作用(鐵再利用機制) 缺鐵根系細胞向根際分泌酚類物質時，須

8、先經過根系的質外體空間。在溶液培養(yǎng)試驗中我們發(fā)現，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重，且后期沒有恢復跡象，這一現象暗示了缺鐵誘導分泌的酚類物質可能與植物體內的鐵再利用有關。進一步分析表明，酚類物質去除后，幾乎完全抑制了缺鐵根系的質外體鐵隨缺鐵培養(yǎng)時間延長而下降趨勢，與之相對應的是，酚類物質去除后，地上部的鐵含量明顯下降，而根系鐵含量卻顯著提高，表明酚類物質去除后可能減少了根系中的質外體鐵向地上部轉運

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子分泌，說明這種質外體鐵再利用過程并不是由質子分泌和高鐵還原酶介導的。根系分泌的酚類物質對根系細胞壁中的鐵的解吸動力學試驗表明，酚類根系分泌物確能有效釋放固定于細胞壁上的鐵。上述結果充分證明了缺鐵誘導的根系酚類分泌物直接介導了根系質外體鐵的再利用，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個基因的表達也顯著增強。通過比較，我們還發(fā)現高CO2濃度處理顯著增加了番茄的根冠比。因此，我們認為，缺鐵響應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控作用(鐵吸收調控機制) 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的根系高鐵還原酶活性，質子分泌和亞根尖根毛發(fā)育等缺鐵響應，但并不影響缺鐵誘導的根系酚類物質的積累和分泌，表明IAA沒有參與后兩種缺鐵響應的調控，但參與了前幾種缺鐵響應的調控過程。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，表明缺鐵導致IAA氧化酶活性下降很有可能是酚

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