中科院植物所张文浩团队发现典型草原植物铁

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第一作者:王宝兰副研究员通讯作者:张文浩研究员发表时间:.3.26

铁是植物生长必需的矿质元素,虽然铁在地壳中总含量很高,但在中性或石灰性土壤中铁以植物难以利用的氧化物形态存在,导致植物常常遭受生理性缺铁的胁迫。

为了应对缺铁,植物已经进化出了能够活化和利用铁的生物学机制。目前,高等植物的铁营养机制分为两大类,即机理I和机理Ⅱ;机理I植物主要是指非禾本科植物的双子叶和非禾本科单子叶植物,其本质是铁还原机制。当机理I的植物生长在缺铁的环境时,其根系分泌质子或其它一些根分泌物(如酚类物质),这些分泌物能溶解和活化将土壤中难溶性的Fe3+,并进一步通过根细胞质膜上的三价铁还原酶(FRO)将Fe3+还原成Fe2+,最终Fe2+通过IRT铁转运蛋白被植物吸收。

机理II植物则通过缺铁诱导其根系合成并分泌麦根酸类铁载体,麦根酸和根际中的Fe3+络合的复合体通过根系质膜上的YS或YSL膜转运蛋白进入根系细胞。植物铁营养的研究主要以一年生的农作物或模式植物为材料,在实验室控制条件下,对铁机理I植物在生理和分子水平响应缺铁的机制做了大量研究,建立并解析了这些植物响应缺铁的信号网络和调控机制。相对于在高水高肥条件下选育的农作物,生长在石灰性土壤的多年生典型草原植物表现出了高效的铁利用能力。然而,与农作物或喜欢酸性土壤的拟南芥等模式植物相比,我们对生长在石灰性土壤的温性草原植物铁活化和利用的机制知之甚少。

中国科学院植物研究所张文浩课题组以我国北方石灰性温性草原的机理I植物为材料,通过野外原位和室内试验相结合的方法,研究了我国温性草原植物对铁活化利用的生物学过程及其调控机制。

研究结果表明,虽然温性草原石灰性土壤的铁有效性很低,但是温性草原双子叶杂类草植物地上部的铁含量却高于生长在肥沃土壤的农作物。通过与典型的依赖FRO途径的植物的比较研究,发现生长在石灰性土壤上的典型草原双子叶植物并不是通过FRO途径获取铁营养;这些多年生草原植物根系能大量分泌还原性物质,并通过这些还原性物质,而不是通过传统的FRO,将Fe3+的还原为Fe2+供植物吸收利用;这一铁还原机制和传统的FRO途径之间存在显著差异:与缺铁诱导的FRO途径相反,足量或过量的铁通过激发根系分泌的还原性物质主导Fe3+还原和利用,并且土壤pH或土壤中碳酸盐的含量在这一途径中发挥着重要调控作用。

此外,与传统依赖FRO途径的植物相比,根系分泌的还原性物质主导的Fe3+的还原过程具有速度快和对低温不敏感的特征。因此,我们推测这一独特的铁活化利用机制在植物适应低温和生理性缺铁等逆境中具有重要的生理生态意义。

近日,该研究结果以“Carbonate-inducedChemicalReductantsAreResponsibleforIronAcquisitioninStrategyIWildherbaceousPlantsNativetoCalcareousGrasslands”为题在PlantCellPhysiology在线发表(


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