水稻鐵元素的研究進展

水稻鐵元素的研究進展

程金平,劉曉剛,于學然,薛欣月,馬嘉欣,羅成科,田 蕾,楊淑琴,馬天利,李培富

(寧夏大學 農學院 / 寧夏優勢特色作物現代分子育種重點實驗室,寧夏 銀川 750021)

摘要: 鐵元素是生命體生長發育過程中必不可少的微量元素,水稻所需的鐵主要從土壤中攝取,并 在水稻株高、千粒質量和品質等多個方面發揮重要作用。 從我國土壤中鐵含量、水稻鐵含量遺傳差 異、水稻鐵含量與農藝性狀的相關性、水稻鐵含量相關 QTL( Quantitative trait locus) 及基因和水稻 鐵元素吸收、轉運機制等方面進行了綜述,為富鐵水稻育種提供理論依據。

關鍵詞: 水稻; 鐵元素; 農藝性狀; 遺傳; 生物強化

中圖分類號: S511 文獻標志碼: A 文章編號: 1004-3268(2021)06-0001-08

Research Progress on Iron Element in Rice

CHENG Jinping,LIU Xiaogang,YU Xueran,XUE Xinyue,MA Jiaxin,LUO Chengke,

TIAN Lei,YANG Shuqin,MA Tianli,LI Peifu

(College of Agriculture,Ningxia University / Ningxia Key Laboratory of Modern Molecular Breeding of Dominant Characteristic Crops,Yinchuan 750021,China)

Abstract: Iron is an essential trace element in the growth and development of organisms. The iron required for rice is mainly absorbed from soil, and plays important roles in rice height, thousand-grain weight,quality and so on. The content of iron in soil in China,genetic difference of iron content in rice, correlation between iron content in rice and agronomic traits of rice,quantitative trait locus( QTL) and genes related with iron content in rice,absorption and transportation mechanism of iron element in rice were reviewed,providing a theoretical basis for iron-rich rice breeding.

Key words: Rice; Iron; Agronomic trait; Inheritance; Bioaugmentation 鐵是人體中血紅蛋白和輔酶 B 等多種酶的催 化劑, 也 是 生 物 體 能 量 代 謝、 生 長 發 育 的 必 需 元 素[ 1] 。

鐵在人體中有 2 種存在形式,其中 65%的鐵 以血紅蛋白的形式存在于紅細胞中,10% 的鐵以肌 紅蛋白和酶的形式存在于肌肉中,其余的鐵存在于 肝、脾等組織器官中[ 2] 。 貧血、呼吸急促、心跳加速 以及嗜睡等癥狀主要是由于無法供給細胞足夠的氧 氣,導致細胞內血紅蛋白含鐵量降低而引起的[ 3] 。 世界衛生組織( WHO) 研究微量元素對人體健康的 影響,發現人類缺鐵癥狀加重,尤其是孕婦和兒童約 占缺鐵總人數的 50% [ 4] 。

水稻(Oryza sativa L. ) 是我國三大糧食作物之 一[ 5] 。 但是水稻中的微量元素相對缺乏,容易使人 體患微量元素缺乏癥。 因此,水稻的營養品質對人 體健康至關重要。 雖然人們可以通過各種強化鐵食 物和藥劑來緩解鐵素缺乏癥,但是在貧困地區依然 面臨成本高的問題。 因此,有學者認為,改善人們膳 食結構是最經濟的一種補鐵方式[ 6-8] 。 深入開展富 鐵水稻品種選育工作,提高稻米中的鐵含量,對于人 們日常鐵補充及緩解鐵缺乏癥具有重要作用。 自從 1992 年開始檢測土壤對禾谷類作物鐵含量的影響 以來[ 9] ,以水稻為主的禾谷類作物籽粒鐵含量成了 國內外專家學者的研究熱點,并在富鐵種質的篩選 及生物有效性方面取得了突破性的進展。 從我國土 壤中鐵含量、水稻鐵含量遺傳差異、水稻鐵含量與水 稻 農 藝 性 狀 的 相 關 性、 水 稻 鐵 含 量 相 關 QTL  (Quantitative trait locus)及基因和水稻鐵元素吸收、 轉運機制等方面進行了綜述,為富鐵水稻育種提供 理論依據。

1 土壤中鐵的含量

地殼中的鐵含量大約為 5%,在巖石圈其含量 居第四位。 鐵元素主要以亞鐵離子( Fe 2+ )的形態被 植物吸收利用。 2004 年孟凡花等[ 9] 研究發現,土壤 中鐵含量為 10 ~ 200 g / kg,平均為 32 g / kg,而鐵在 植物體內的含量甚少,只有 50 mg / kg,原因主要是 鐵在土壤中以化合物的形式存在,如氫氧化物、氧化 物和磷酸鹽。 2012 年 SPEROTTO 等[ 10] 發現,土壤 有效鐵含量低是由于鐵吸附在土壤顆粒上轉化為不 溶性 顆 粒 以 及 過 度 使 用 肥 料 造 成 的。 2019 年, ZHANG 等[ 11] 研究表明,植物對鐵的吸收效率主要 取決于土壤 pH 值的高低,高 pH 值誘導的根表面鐵 斑的沉積抑制了水稻對鐵的跨膜吸收,致使土壤中 的鐵遠不能滿足水稻生長發育需求。 為提高土壤中 有效鐵含量,建議進行鐵肥的使用和含鐵改良劑的 使用,其中含鐵改良劑是目前使用最多的一種土壤 改良劑,它主要通過吸附土壤重金屬、向根際釋放氧 氣、將運輸到根系的 Fe 2+ 氧化為 Fe 3+ 形成鐵氧化物 或 者 氫 氧 化 物 沉 淀 的 作 用 來 增 加 土 壤 有 效 鐵 含量[ 12-13] 。

2 水稻鐵含量遺傳差異

2. 1 水稻籽粒不同部位鐵含量的遺傳差異

水稻 籽 粒 不 同 部 位 鐵 含 量 差 異 明 顯。 劉 杰 等[ 14] 研究表明,水稻籽粒各部位鐵含量由高到低依 次是稻糠、稻 殼、糙 米、精 米。 王 雪 艷 等[ 15] 研 究 發 現,稻糠、稻 殼、糙 米、精 米 鐵 含 量 分 別 為 8. 6% ~ 43. 0%、3. 9% ~ 9. 5%、0. 2% ~ 5. 2%、0. 2% ~ 2. 8%, 由此可知,大米在加工過程中鐵含量明顯下降,損失 的鐵含量占全鐵含量的 60%。 周崇松等[ 16] 研究認 為,鐵含量以穎殼最高,糙米次之,精米最低,穎殼中 鐵含量是精米鐵含量的 7 倍。 趙則勝等[ 17] 發現,上 農香糯精 米 中 鐵 含 量 為 4. 44 mg / kg,顯 著 低 于 糙 米。 如果要補鐵,以糙米加工食品為宜。 因此,在加 工精米的過程中,稻殼的利用價值較高,應該考慮綜 合有效利用。

2. 2 不同地區水稻鐵含量的遺傳差異

水稻的生長發育受土壤母質、氣候因子、田間管 理等因素的影響,不同地區水稻中鐵含量不同。 江 川等[ 18] 分析來源于不同產地的稻米,發現不同產地 稻米中鐵含量存在明顯的地理差異。 王輝[ 19] 分析 外引水稻品種和寧夏回族自治區地方水稻品種,發 現不同產地水稻籽粒鐵含量差異較大,79 份外引水 稻品種籽粒鐵含量為 7. 75 ~ 80. 93 mg / kg,23 份寧 夏回族自治區本地水稻籽粒鐵含量為 9. 75 ~ 48. 44 mg / kg。 LIANG 等[ 20] 測定了 56 份來自國內外的水 稻糙米鐵含量,發現我國和越南水稻品種鐵含量變 幅較大,為 9 ~ 45 mg / kg。 吳敬德等[ 21] 對 8 份從國 際水稻研究所引進的水稻種質進行研究,發現與安 徽省本地品種相比,有 2 個菲律賓水稻品種鐵含量 較高,分別為 42. 86 mg / kg 和 36. 28 mg / kg。 劉憲虎 等[ 22] 對來自北京市、吉林省、云南省和廣西壯族自 治區的 115 份水稻品種的糙米進行鐵含量分析,發 現來自不同地區的水稻品種糙米鐵含量差異較大。 因此,研究水稻品種與環境之間的關系是提高水稻 品質的有效途徑。

2. 3 不同基因型水稻品種鐵含量的遺傳差異

水稻籽粒中鐵含量受品種、氣候因素和人工選 擇等條件的影響,不同基因型水稻品種鐵含量差異 較大。 文建成等[ 23] 對來自韓國的 91 份雜草稻和來 自云南農業大學稻作研究所的 195 份粳稻進行鐵含 量分析,發現雜草稻和粳稻部分基因型中鐵含量是 云南省推廣品種的 2 倍,并且雜草稻的鐵含量顯著 高于粳稻。 邵源梅等[ 24] 研究發現,不同水稻品種糙 米鐵含量差異明顯,糯稻對鐵的吸收和積累能力高 于非糯米稻和軟米稻,三者鐵含量分別是 8. 92 mg / kg、 7. 01 mg / kg 和 6. 67 mg / kg。 郭詠梅等[ 25] 對 162 份 不同類型水稻種質進行鐵含量測定,發現 162 份水 稻種質鐵含量差異明顯。

3 水稻鐵含量與水稻農藝性狀及其他 礦質元素的相關性

3. 1 水稻籽粒中鐵含量與粒形、株高和千粒質量的 相關性 籽粒中鐵含量與粒形、株高和千粒質量有一定 的相關性。

ZHANG 等[ 26] 用禾本科種子數量性狀遺 傳模型研究發現,粒形與鐵含量存在較明顯的相關 性,其中,粒長對鐵含量有極顯著的直接加性效應。 曾亞文等[ 27] 研究發現,云南省水稻種質資源鐵含量 與粒厚呈顯著負相關。 陳秀晨等[ 28] 用秈型兩系不 育系綠 102S、KD36S、7HS012 和 7HS013 為母本、秈 型水稻綠旱 1 號為父本雜交所得的后代為材料,研 究鐵含量與其他農藝性狀的相關性,發現鐵含量與 株高和結實率均呈負相關,且與結實率的相關性達 到顯著水平,但是與其他性狀為正相關,其中與千粒 質量的相關性達到顯著水平。

 3. 2 水稻籽粒中鐵含量與其他礦質元素含量的相 關性

礦質元素含量是衡量水稻品種優劣的要素之 一,有關學者已經證實鐵含量與其他元素含量有一 定的相關性。 HUANG 等[ 29] 研究發現,糙米中鐵含 量與 鋅 含 量 存 在 顯 著 的 正 相 關 關 系。 GARCIA 等[ 30] 采用電感耦合離子體質譜法( ICAP)測定了 85 個雜交秈稻品系中鐵、鋅、錳、銅、鈣等元素的含量, 發現鐵含量與鋅、錳、鈣含量呈顯著正相關關系。 楊 志偉等[ 31] 選用 155 份粳稻種質資源進行檢測,發現 籽粒鋅含量與鐵含量呈極顯著正相關。

3. 3 水稻籽粒中鐵含量與其他性狀的相關性

水稻籽粒鐵含量與稻米顏色、水稻品種等存在 一定的聯系。 KOH 等[ 32] 研究結果表明,黑米色素 沉積 性 狀 隨 著 水 稻 中 鐵 含 量 增 加 而 增 加。 呂 文 英[ 33] 研究發現,水稻籽粒中鐵含量與粒色有一定的 相關性,黑米鐵含量最高,紅米次之。 肖國櫻等[ 34] 研究指出,水稻的抗倒伏性與水稻鐵含量呈正相關。 GREGORIO 等[ 35] 研究發現,水稻香味與鐵含量有一 定的相關性。 而 YANG 等[ 36] 研究發現,精米中鐵含 量與食味值無顯著相關性。

4 水稻鐵含量相關 QTL 及基因

自 1994 年起,國際水稻研究所開始富鐵水稻的 培育研究并且取得了突破性進展,主要育種方法包 括雜交育種、基因工程育種和分子標記育種[ 37] 。 隨 著科學技術的發展,研究人員已經從分子遺傳學方 面研究了水稻富鐵機制,并通過分子育種手段選育 出了富鐵水稻材料。

4. 1 水稻鐵含量相關 QTL

控制水稻鐵含量的 QTL 分 布 在 12 條 染 色 體 上,見表 1。 鐘林[ 38] 利用香稻保持系川香 29B 與美 國光身稻品種 Lemont 構建的重組自交系( 184 個家 系)為材料,在第 7 染色體上檢測出 1 個控制鐵含量 的 QTL,LOD 值為 3. 56,貢獻率為 8. 75%。 王輝[ 19] 以京香 1 號 / 寧農黑粳雜交 F2 群體 172 個株系為試 驗材料,利用 130 個 SSR 標記繪制覆蓋水稻基因組 3 183 cM、標記間平均距離為 24. 48 cM 的遺傳連鎖 圖譜,檢測出 3 個控制鐵含量的 QTL,位于第 4 染色 體上,聯合貢獻率為 35%。 SHILPI 等[ 39] 使用 RP - Bio226 / Sampada 回 交 的 BC2F5 群 體 及 108 個 SSR 標記繪制出覆蓋水稻基因組 2 317. 5 cM、標記間平 均距離為 21. 5 cM 的遺傳連鎖圖譜,發現控制鐵含 量的 QTL 位于第 1 染色體上,LOD 值為 10. 0,貢獻 率為 17. 1%。 GARETH 等[ 40] 使用 Bala / Azucena 雜 交的重組自交系群體,利用 164 個 SSR 標記構建了 一個覆蓋水稻 12 條染色體 1 833 cM 的遺傳連鎖圖 譜,對田間生長的水稻群體葉片和籽粒進行礦質元 素含量分析,發現了控制鐵、鋅等 17 個礦質元素的 QTL,其中 在 葉 片 中 檢 測 到 1 個 與 鐵 含 量 相 關 的 QTL, 位 于 第 6 染 色 體 上, 貢 獻 率 為 12. 4%。 ANURADHA 等[ 41] 以 Madhukar / Swarna 衍生的重組 自交系群體對控制水稻鐵含量的 QTL 進行檢測,發 現 1 個控制鐵含量的 QTL,位于第 12 染色體上,貢 獻率為 71%,LOD 值為 33. 8。 崔文剛[ 42] 以香黑糯 195 / 中花紫香糯雜交 F2 群體 188 個單株研究控制 水稻籽粒鐵含量的 QTL,發現控制水稻籽粒鐵含量 的 QTL 位于第 1 和第 2 染色體上,貢獻率在 4. 41% ~ 17. 63%。 孫明茂[ 43] 以龍錦 1 號 / 香軟米 1578 雜交 后代 196 個株系為材料進行研究,發現控制水稻籽 粒鐵含量的 QTL 位于第 2、4、5、6、8、9、11 染色體 上,貢獻率在 3. 57% ~ 5. 75%。 黃瑩瑩等[ 44] 以紅香 1 號 / 松 98-131 的 F2:3 家系 140 個株系為材料進行 研究,發現 2 個控制水稻籽粒鐵含量的 QTL,分別位 于第 3、7 染色體上,貢獻率分別為 13. 73%、8. 84%。 LU 等[ 45] 以 Zhengshan 97 / Minghui 63 雜交后代為研 究對象,發現控制水稻籽粒鐵含量的 QTL 位于第 10 染色 體 上, 貢 獻 率 為 8. 56%。 SWAMY 等[ 46] 以 IRGC81832 / IRGC81848 雜交 產 生 的 后 代 群 體 為 研 究材料,定位到 1 個控制水稻籽粒鐵含量的 QTL,位 于第 12 染 色 體 RM19—RM247 標 記 間, 貢 獻 率 為 5%。

4. 2 水稻鐵含量相關基因

從 1992 年開始研究鐵元素以來[ 9] ,已經發現了 很多水稻鐵含量相關基因,且大部分主要集中在根、 莖、胚乳和葉中[ 41] 。 DATFA 等[ 47] 將鐵蛋白基因轉 入水稻胚乳中,獲得鐵蛋白基因穩定高效表達的水 稻材料。 VASCONCELS 等[ 48] 將胚乳鐵蛋白特異性 啟動子基因導入粳稻中,發現轉基因水稻精米中鐵 含量是非轉基因水稻精米的 3 倍,達到 71. 0 mg / kg。 YAN 等[ 49] 發 現 一 個 可 增 加 根 中 鐵 含 量 的 基 因 OsARF12( Auxin response factor 12) ,敲除 OSARF12 基因水稻根中線粒體鐵調控基因 OsMIR(Mitochondrial iron-regulated) 、鐵 調 控 的 轉 運 蛋 白 1 基 因 OsIRT1 ( Iron-regulated transporter 1 ) 和 胚 后 短 根 1 基 因 OsSPR1( Short postembryonic root 1) 表達量降低,最 終導 致 水 稻 根 中 鐵 含 量 降 低。 SAIVISHNUPRIY 等[ 50] 鑒定出 1 個位于水稻第 7 染色體上的特異性 金屬基因 OsHMA7( Heavy metal ATPase 7) ,它被預 測編碼一個包含 163 個氨基酸的小型重金屬轉運蛋 白,在 OsHMA7 表達下調的情況下水稻籽粒鐵含量 降低。 另外,水稻 IRT1 和 IRT2 基因在根和莖中表 達,主要負責鐵的轉運[ 51] 。 因此,挖掘控制水稻鐵 含量相關基因具有十分重要的現實意義。

5 水稻鐵元素吸收、轉運機制

水稻鐵元素的吸收、轉運一直是國內外學者研 究的熱點。 目前,已經成功克隆水稻鐵元素吸收、轉 運相關基因。 ROMHELD 等[ 52] 于 1986 年首先提出 水稻主要依靠螯合機制吸收鐵元素,螯合機制的作 用原理 是 在 水 稻 根 系 分 泌 麥 根 類 植 物 高 鐵 載 體 (MAs) 。 MAs 是水稻根系分泌的一類次生代謝產 物, 包 括 麥 根 酸 ( MA ) 、 2′ - 脫 氧 麥 根 酸 ( 2′- deoxymugineic acid, DMA ) 、 3 - 羥 基 麥 根 酸 ( 3- epihydroxymugineic acid, epiHMA) 等多種 成 分[ 53] 。 MAs 依 靠 輸 出 轉 運 蛋 白 OsTOM1 ( Transporter of mugineic acid family phytosiderophores 1 ) [ 54] 和 OsTOM2 ( Ttransporter of mugineic acid family phytosiderophores 2) [ 55] 運 輸 到 細 胞 外 螯 合 游 離 的 Fe 3+ 。 現在已經初步闡明了水稻 MAs 的合成途徑, 起始產物 L-甲硫氨酸( L-Methionine, L-Met)首先在 S- 腺 苷 基 甲 硫 氨 酸 合 成 酶 ( S-adenosylmethionine synthase,SAMS ) 催 化 下 形 成 S - 腺 苷 基 甲 硫 氨 酸 ( Sadenosyl-Met, SAM ) [ 56] , 隨 后 在 煙 酰 胺 合 成 酶 (Nicotianamine synthase, NAS) 的作用下將 SAM 三 聚化成 NA(Nicotianamine) [ 57] ,NA 在煙酰胺氨基轉 移酶( Nicotianamine aminotransferase,NAAT) 催化下 生 成 3 - 酮 基, 隨 后 由 脫 氧 麥 根 酸 合 成 酶 (Deoxymugineic acid synthase, DMAS ) 催 化 生 成 DMA。 DMA 是第一個合成的 MAs,其在催化羥化雙 加 氧 酶 IDS2、 IDS3 [ 58-61] 的 作 用 下 生 成 其 他 形 式 的 MAs。 水稻體內的鐵主要以螯合物和鐵蛋白的形式存 在,通過木質部和韌皮部運輸到水稻不同部位,木質 部將鐵運輸到老葉,韌皮部將鐵運輸到幼葉。 在木 質部運輸鐵過程中,鐵與檸檬酸螯合形成螯合物。 水稻根中的鐵主要依靠 OsFRDL1 ( Ferric reductase defective like 1) 來運輸,它屬于多藥及毒性化合物外排家族,是檸檬酸的轉運子, OsFRDL1 基因敲除 突變體 osfrdl1 葉片失綠,最終死亡,但根部鐵含量 上升[ 62] 。 水稻體內還存在能分解、螯合 Fe 3+ ,并且 將其還原為 Fe 2+的物質,如原兒茶酸( PCA) 和咖啡 酸(CA) 等[ 63] 。 OsPEZ1 ( Phenolics efflux zero 1) 基 因突變體木質部溶液中 PCA 和 CA 濃度降低,該基 因主要作用是轉運 PCA 進入到木質部,使體內鐵含 量增加[ 64] 。 水稻根部負責鐵元素吸收的代表基因 是 OsYSL15(Yellow stripe-like 15) ,但是 OsYSL15 基 因也在維管束組織中存在,說明該基因在韌皮部運 輸鐵的過程中發揮重要作用[ 65] 。

6 展望

鐵對人體健康非常重要,水稻是重要的糧食作 物,因此,水稻富鐵研究關系人類健康。 目前,我國 對水稻各部位鐵含量研究較清楚,但是對鐵在水稻 產量形成、改善品質和抗逆性等方面的作用研究較 少,今后研究可以從以下幾個方面入手:基于水稻各 生育時期干物質積累,探討鐵在水稻生長發育階段 發揮的作用;研究鐵元素與其他礦質元素的互作效 應;對鐵在水稻抗性方面的作用進行研究、探討。 在水稻鐵元素的遺傳學研究上,前人的研究使 人們有了深刻的認識,但是為了進一步了解水稻體 內的鐵含量相關主效基因,有必要挖掘更多尚未發 現的 QTL。 由于 QTL 的主效應和上位效應對數量 性狀的遺傳具有重要作用,且 QTL 簇內不同 QTL 對同一性狀和相關性狀的遺傳效應和作用方式都可 能存在差異,研究不同 QTL 在水稻鐵含量遺傳控制 上的互作關系和綜合效應具有重要的遺傳學和育種 學意義。 在現有的雜交育種和基因工程育種的基礎 上,加強對控制鐵含量的 QTL 進行全基因組關聯分 析(GWAS) ,在控制鐵含量的 QTL 初步定位的基礎 上,對效應較大、貢獻率較高的 QTL 進行精細定位, 尋找與鐵含量相關的候選基因,并進行克隆及功能 分析,為水稻富鐵品種的分子標記輔助選擇育種奠 定基礎。