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植物学通报Chinese Bulletin of Botany 2007, 24 (6): 779788, .综述. 植物铁吸收、转运和调控的分子机制研究进展 吴慧兰, 王宁, 凌宏清* 中国科学院遗传与发育生物学研究所, 植物细胞与染色体工程国家重点实验室, 北京 100 10 1 摘要 铁是植物正常生命活动所必需的微量矿质元素, 铁离子的吸收、转运和利用是一个复杂的过程, 很多基因参与了这一 过程。本文对近10年来发现和分离的参与植物铁吸收、转运及调控的基因研究进展进行了综述。根据最近的研究结果, 提出 了植物控制铁吸收的分子调控模式(机理I) 。 关键词 铁, 矿质营养元素, 铁吸收的分子调控模式, 植物营养, 吸收与转运 吴慧兰, 王宁, 凌宏清 (2007) . 植物铁吸收、转运和调控的分子机制研究进展. 植物学通报 24 , 779 788 . 铁离子由于具有活跃的价态变化, 即三价与二价的 及身体健康(Yuan et al., 1995) 。 互变, 因此是细胞内氧化还原反应所必需的组分。铁在 植物在漫长的进化过程中, 由于生长环境的差异, 形 细胞呼吸、光合作用和金属蛋白的催化反应过程中发 成了不同的铁高效吸收机制, 以保证从土壤中获取充足 挥重要作用, 是重要的电子传递体, 因此铁元素在原核和 的铁营养, 维持植株的生长发育, 乃至整个物种的生存。 真核生物的生命活动中具有不可替代的功能。而另一 在土壤中, 尤其是碱性土壤中铁主要以不溶的Fe3+形式 方面由于Fe3+/ Fe2+ 的高氧化还原势, 细胞内游离态的铁 存在, 因此根据铁吸收形式的不同, 植物被划分为机理I 容易发生Fenton化学反应, 激活还原态的氧, 产生有害 (strategy I)和机理II(strategy II)植物(Römheld and 的超氧化合物, 对细胞造成伤害(Briat and Lebrum , Marschner, 1986) 。双子叶植物和非禾本科单子叶植 1999) 。因此, 所有生物都必须通过一套严密的调控机 物采用机理I(strategy I)的高效活化和吸收机制从土壤中 + 制来保持铁供给和需求的动态平衡。 获取铁。该机理主要由3个部分组成: (1)H -AT Pase泵 铁在地壳中的含量丰富, 但地球上许多生物的生存 系统, 分泌H+ 降低土壤pH 值, 增加根际土壤颗粒中铁 却受缺铁的限制。这是因为铁多以Fe3+ 的形式存在, 而 的可溶性; (2)Fe3+还原系统, 包括将Fe3+还原成Fe2+ 的 这种形态的铁在中性和碱性土壤中的溶解度极低, 从而 还原酶和与之耦联的NA DPH脱氢酶; (3)Fe2+ 的转运系 限制了土壤中铁的有效性。缺铁会导致叶绿素合成减 统, 包括一系列的铁转运蛋白, 将还原的亚铁离子转运到 少, 光合速率降低, 严重缺铁时叶绿素合成停止, 新叶变 细胞内, 再由其它转运蛋白输送到各个细胞器和器官中 黄, 生物量大幅度下降。植物缺铁不仅影响植物的生长 供利用。而禾本科植物, 则采用另一种铁的吸收机制 发育, 造成巨大的经济损失, 而且也影响动物和人类对铁 — — 机理II(strategy II) 。机理II 植物在受低铁胁迫时, 的获取, 从而导致许多缺铁性疾病的发生。人类铁营养 体内合成大量的植物铁载体(phytosiderophores, PS), 的缺乏已经成为当今世界最为严重的营养缺素症之一。 并分泌到根际土壤中, 与土壤中的Fe3+ 直接结合, 以螯 当人体由于某种原因不能摄入足量的铁营养时, 就会引 合物的形式转运至细胞内, 再释放出Fe3+ , 供代谢利用 起如W ilson、Pakinson、Menken 及贫血病(anemia) (Roberts et al., 2004) 。最近的研究表明, 在禾本科植