植物铁营养的分子生物学机制研究进展.docx

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1、高等植物植物铁营养的分子生物学机制研究进展王晓锋（西南大学资源环境学院 微生物专业 重庆 400715）摘要：铁是地壳中含量最丰富的四大元素之一，但由于其在土壤中主要以不溶性氧化铁和氢氧化铁的形式存在，很难被植物吸收，植物必须通过一定的生理生化机制来溶解铁，使之形成可供吸收的可溶性化合物，加以吸收，随后通过食物链提供个人类和其他动物机体。植物吸收铁机制主要有机制I、机制，以及最新提出的机制吞噬系统，本文综述了与植物吸收铁元素相关的机制的研究进展以及植物在缺铁胁迫下的生理生化模式研究，同时，对植物缺铁中的信号物质的探索和研究进行了总结回顾，对植物铁素营养研究的前景作了展望，并结合相关专业提出了新

2、的想法，为之后的研究打好坚实基础。关键词：植物；铁营养；机制；胁迫；基因 Research Advances in Molecular Mechanism of Iron Nutrition of PlantsWang Xiaofeng（College of Resource & Environment, Southwest University. Chongqing 400715）Abstract：Iron is the most abundant crustal element of the four, but mainly in the soil of its insoluble iro

3、n oxide and iron oxide in the form of hydrogen is difficult to be absorbed by plants, plants must be some physiological and biochemical mechanisms to dissolve the iron, so that the formation of soluble compounds available for absorption, to be absorbed, and then through the food chain to provide per

4、sonal body type and other animals. Mechanism of plants to absorb iron a mechanism I, mechanism , and the latest proposed mechanism - phagocytic system, this paper, and plant uptake mechanism of iron-related developments and plants in the iron deficiency stress of the physiological and biochemical mo

5、del, while of iron in plant material exploration and research signals a summary review of Iron Nutrition on the study of plant prospects are described, combined with related new ideas put forward for laying a solid foundation for later study.Keyword：plant; iron nutrition; mechanism; gene; stress0 前言

6、铁是人们最早发现的微量元素， 发现至今已有两千多年的历史。铁在地球上现存的原核生物和真核生物的生命活动中具有不可替代的功能。植物的铁素营养早在1843年就有人发现并作了相关研究。Gris发现生长在石灰性土壤上的葡萄叶片失绿症与缺铁有关。之后经过Sachs和Molisch研究，认为铁元素在植物正常生长发育中有重要作用，但是需求量很小，并随后将其确定为植物生长的必需微量元素，这也是最早发现的植物必需营养元素。相对于植物氮、磷、钾、钙、镁、硫等元素吸收量而言，植物对铁的吸收比较小，大约为10-910-4mol/L ，正常叶片的铁含量只有50100g/g。作为植物必需的微量元素之一，植物一旦缺铁，后果

7、严重。一般轻度缺铁会影响植物叶绿素的合成，导致叶片失绿，光合速率降低；而严重缺铁时，叶绿素合成可能完全停止，新叶变黄，生物量大幅度下降。植物缺铁不仅影响植物的生长发育，造成巨大的经济损失，而且也能够通过食物链而影响动物和人类对铁的吸收，从而导致贫血病的发生1。植物缺铁症是一个严重的世界性的植物营养失调问题。在许多国家的干旱、半干旱地区的石灰性土壤上广泛存在着植物缺铁问题，在盐碱土上植物也往往发生缺铁现象。据统计，全世界约有40%的土壤缺铁。北美大陆、地中海沿岸、前苏联南部、南美的部分地区都严重缺铁。而我国出现植物缺铁的区域也比较多，尤其是在四川盆地，北至内蒙古高原， 东至淮北平原， 西到黄土高

8、原及甘肃、青海、新疆，都有植物缺铁现象的发生。引起植物缺铁有三方面的原因：首先是土壤中有效性的铁元素的含量低，导致植物缺铁；其次，环境条件限制，尤其是目前土壤污染严重，导致铁元素的吸收受阻；最后，最重要的原因是植物本身对铁素的吸收的能力不同。然而，在我国土壤缺铁虽然只在一定的土类和地区存在， 但由于总面积较大， 而且人们试图通过使用一些含铁素的肥料来解决该问题的过程中，遇到了土壤条件的加大限制，所以植物铁营养失调成为全世界普遍关注的问题，尤其是对植物铁素营养的机制的研究成为本世纪初的一个热点问题，并且目前也已经发现了植物吸收铁的机制I、机制II，并且提出了最新的机制III吞噬系统，而且在了解了

9、这些机制的基本过程之后，科研人员开始深入到分子水平去研究，并取得了较多的成果。下面我们就铁在植物体内的生理作用、植物吸收铁的相关机制以及植物铁素缺乏胁迫下适应机制，尤其是这些机制的分子学上水平上的研究进展展开综述，并对未来的研究热点问题进行展望。1 铁素在植物体内的生理作用最重要的两种含铁蛋白是血红素蛋白和铁硫蛋白，其中以血红素铁叶琳复合体为辅基的血红素蛋白细胞色素是叶绿体和线粒体内氧化还原系统的组成成分，其它类型的血红素蛋白过氧化氢酶、过氧化物酶、豆血红素蛋白等在植物许多重要的代谢中参与氧化还原反应。铁硫蛋白在许多代谢中作为电子传递体参与反应。Terry等报道叶片中60的铁被固定在叶绿体的类

10、囊体膜上，20在叶绿体基质中贮存其余的20则在叶绿体外。当植物受到缺铁胁迫时，叶绿体基质中的铁大部分被再利用，类囊体 膜上的铁和叶绿体外的结构铁分别损失5I和62，叶片中全铁含量的9以铁血红素形式存在，19则以非铁血素蛋白形式存在，主要包括铁氧还蛋白、类囊体组分、顺乌头酸酶、亚硝酸还原酶、亚硫酸还原酶等。其余多以铁蛋白形式存在，铁蛋白含量约占叶片全铁含量的631。总之，铁在植物光合作用、呼吸作用、氮代谢等许多方面起重要作用，对植物生长、发育、产量、品质等方面有重要影响。1.1 光合作用过程和叶绿素的合成受到铁元素的影响对于大多数绿色植物，叶片中的铁定位于叶绿体中，如菠菜中就有75的铁集中在叶绿

11、体中。许多学者认为铁对叶绿体发育的影响很大，缺铁后，叶绿体超微结构异常，蛋白质含量少，叶绿体甚至解体或液泡化，许多双子叶植物(尤其是果树)缺铁时常常出现新叶黄化现象，这主要是缺铁使叶绿素合成受阻所致。由于叶绿体结构的形成是叶绿素合成的先决条件，所以铁的供应水平和绿色植物叶片叶绿素含量之间常有良好的正相关。铁虽不是叶绿素的组分，但合成叶绿素确实需要有铁的存在。铁元素对于绿色植物的叶绿素合成至关重要， 同时其还影响光合过程作用。SDiller等的研究表明：缺铁不仅影响叶绿素的合成，还会影响叶绿体膜、叶绿素蛋白复合体、反应中心以及与之相联系的电子载体等捕光器的合成，间接影响光合作用2。还有研究发现，

12、在缺铁的菠菜叶细胞中叶绿体数量和叶绿素含量都显著下降，严重缺铁时，叶绿体变小，甚至解体或液泡化，这也许是叶绿素合成时需铁的最主要原因。缺铁时，叶绿体超微结构发生明显的变化，主要表现在：叶绿体类囊体数减少，基粒片层和淀粉粒的数量降低3、叶绿体的面积减少等。铁还参与光合磷酸化作用，直接参与CO，的还原过 程，且铁还影响光合作用中的其它氧化还原系统，以影响到整个光合作用过程。此外，铁还影响植物叶片的蒸腾作用和 气孔的开闭4-5，从而影响到植物的光合作用。铁元素主要就从以上几个方面影响光合作用的整个过程，从而影响植物的生物量的变化。1.2 植物体内氧化还原反应和电子传递受铁元素的影响在影响绿色植物的光

13、合作用之外，铁素营养也参与植物体内的氧化还原反应和电子传递，其实质是三价的铁离子和二价亚铁离子之间的化合价变化和电子得失，从而保证正常生理活动的进行。这在植物体内生物化学代谢中是经常发生的。同时，研究表明，铁本身的氧化还原性很低，但是其能够与某些有机物结合，形成铁红素或者进一步形成铁血红素蛋白，此时其氧化还原能力就极大的提高，进而构成了植物体内重要的电子传递者和催化剂。一旦缺铁，缺少了这些催化剂的作用，植物体内一系列氧化还原作用减弱，电子不能正常传递，呼吸作用受阻，ATP合成减少，植物生长发育及产量受到明显的影响。此外，缺铁还能影响氮素代谢、有机酸代谢、碳水化合物代谢及原生质形状等许多生理过程

14、6。除此之外，铁与蛋白质合成有关，在各种蛋白质中以叶绿素蛋白受铁供应的影响最为显著，其总蛋白和膜蛋白的含量在铁供应不足时都显著下降，铁还与蛋白质移动性有关的膜的排列和流动性有联系。铁对呼吸、光合和氮代谢等方面的氧化还原过程都起着重要的作用。以上就是铁素在植物体内的一些生理作用，除此之外，有研究这称，缺铁对果树叶肉细胞、栅栏细胞及主脉内薄壁细胞的形状和结构都会造成严重影响，破坏其中的叶绿体等细胞器及膜的结构和功能，进而干扰果树一系列生理作用的正常进行。例外，缺铁还能够影响植物的呼吸作用的效率，例如，缺铁果树的叶片的总呼吸强度低于正常叶片，但刚失绿植株根系的呼吸强度却高于正常根的1倍以上；无论失绿

15、树的叶或者根，都以细胞色素控制的呼吸强度高，而抗氰呼吸所占比例低7。总之，铁是光合作用和固氮作用中一系列酶促反应重要的辅助因子1 ，在植物体内有不可替代的作用(见图1)。同时对蛋白质的合成以及相关功能催化剂的合成有着很关键的作用，如图，所以研究植物对铁的吸收机制对于我们改良植物营养有重要意义。图1 铁在植物体内的生理作用2 植物吸收铁营养的分子生物学基础很早之前就有研究者推测，高等植物为防止缺铁能够产生了独特的机制将根际中的铁活化并由根吸收，直到1986年，Roubeld 和Marschner经过长期的研究，首次提出高等植物对铁的吸收机制I与机制8，随后人们逐渐认识到植物在长期进化的过程中，确

16、实逐渐形成了不同的适应性机理，来适应缺铁胁迫，从土壤中吸收更多的铁来满足自身生；在之后的进一步认识和探索中，Mori等提出可能还存在着一种吞噬机制机制9。近年来，随着分子生物学技术的发展，对于植物对铁的吸收的关键基因已经比较清楚，并且已成功克隆了许多植物得相关基因，为研究植物在缺铁环境下的吸收机制提供了良好的平台。2.1 植物吸收铁营养的机制 I 这种机制目前在双子叶植物和非禾本科的单子叶植物中发现，其对铁的吸收是一个复杂的协作反馈系统，该类植物必须在Fe3+先还原为Fe2+才能够吸收并利用10。缺铁条件下，含机制 I 的植物的一个显著特征是根系向外分泌H+的能力增加11，出现根际酸化现象，提

17、高了根际土壤中铁的溶解度， 从而增加植物的吸铁量，另外还能使细胞原生质膜外围的pH 值维持在较低的范围内，有利于提高质膜上还原酶的活性，提高了Fe3+的还原效率，从而进一步提高了植物对铁的吸收效率。研究表明，在缺铁胁迫的条件下，存在机制的植物通过激活一种特异的H+-ATPase，这种还原酶催化电子从胞质中还原态的吡啶核苷酸(NADH)跨膜传递给胞外作为电子受体的Fe3+螯合物，这是机制植物吸收铁的一个特异性的前提条件12。并且，人们已经认可，机制I 型植物对铁的吸收通过两步进行:第一步，Fe3+被细胞质膜上Fe3+还原酶还原成能被细胞直接吸收的Fe2+ 的形式；第二步， 根系中Fe3+ 被还原

18、为Fe2+ 后，Fe2+ 通过它的转运蛋白跨越根部的细胞质膜而被转运13。而在此过程中，主要涉及的就是还原酶和转运蛋白，对一些植物，调控这两种蛋白质的基因已经研究了很多。早在1999年，Robinson 等首次从拟南芥中分离到Fe3+鳌合物还原酶的基因fro2 基因14。之后对fro2 基因测序结果显示，fro2基因编码725个氨基酸，它含有一个FAD 结合位点和一个与fre1的NADPH结合位点相邻的保守区域。在fro2 蛋白的N末端区域的6个疏水区域和C末端的2个疏水区域推测可能组成跨膜的螺旋。fro2基因是在缺铁胁迫的拟南芥根部表达，属于一个跨膜转运电子的b2型细胞色素大家族，负责电子有

19、NADPH传递给FAD，最终通过血红素传给质膜外的电子受体。后来，一些研究者通过基因工程手段将fro2基因转入Fe3+螯合物还原酶缺陷突变体frd1中，可检测到转基因植株中低铁诱导的根表Fe3+ 螯合物还原酶活性逐渐恢复。后来研究表明，植物在缺铁胁迫条件下，f ro2 基因表达的强度发生变化，植物不仅仅是通过激活Fe3+螯合物还原酶活性来适应不利条件，同时还促使新的还原酶的重新合成15，以最大限度提高对铁的吸收利用。随后，研究者又分别在豌豆、番茄等作物中获得了相关的基因的cDNA片段，并且完成了测序，对理解植物铁素吸收有极大的推动作用。在植物吸收铁的机制I的第二步骤，起主导的调控作用的是Fe2

20、+转运蛋白。在同步研究中发现，植物吸收铁素的机制I与啤酒酵母 (Saccha romyces cerevisiae) 对Fe2+的吸收机制极为相似16。因此，Eide等利用酵母铁素吸收的高、低亲和系统双突变体fet3 fet4，通过异源功能互补法从拟南芥中克隆了高等植物的第1个Fe2+转运蛋白的基因irt1基因17。该基因具有1348bp，编码一个339个氨基酸组成的膜整合蛋白，具有8个疏水的跨膜区域。序列同源性比较发现，irt1 基因与酵母的fet3、fet4、feoB 基因均无同源性，说明它们可能通过不同的生化机理过程转运铁离子，所以irt1基因属于一全新的基因。并且irt1基因表达得到的

21、蛋白转运载体被确立为植物从土壤中吸铁的过程中最主要的成员。研究者验证性的在剔除了irt1的拟南芥的突变体内检测，发现几乎不能不能获得铁，只有在加入了高浓度的外源铁的条件下，才能检测到少量铁(Vert) 18。随后又发现了另外2个成员irt2、irt3基因。irt1 基因在根部表达且受缺铁胁迫的诱导。结合Fe3 + 螯合物还原酶在缺铁胁迫下活性也增强，分析认为irt1和irt2 基因可能受同一供铁系统的控制，那么这个系统究竟是如何运转的呢，这是一个值得我们进一步探索的问题。之后随着对irt1基因的深入了解发现，其在大多数双子叶植物中作为最重要的Fe+2 转运蛋白基因，调控表达一种广泛的二价金属离

22、子载体，不仅仅对铁的吸收有意义，在Zn、Mn、Co、Cd等植物生长所需要的必需元素代谢中也起重要作用。例如番茄LeIRT1和LeIRT2、豌豆PsR IT1等除可以介导Fe+2外，明显的对Zn、Mn、Co、Cd、Cu 等二价金属离子的吸收起作用，有证据甚至证明LeIRT1、LeIRT2 还可能在Ni离子的转运中起作用。 植物吸收铁的机制中，在满足了以上两种基因调控外，还受到一些铁营养调节因子的影响。例如Ling等(1996)克隆了定位在番茄6号染色体上的FER基因，该基因是首次被鉴定出的铁营养调节因子,参与番茄根中LeFRO1的表达调控,而且它对Le2FRO1的调控要比对LeIRT1 的调控更

23、直接19。另外，拟南芥的FRU ( FER- like regulator of iron uptake)是番茄FER 的同构体，主要在根中受铁缺失的诱导。通过对FRO2与IRT1的必要感应，FRU可以感知拟南芥中铁的流动，在一定程度上对植物吸收铁具有调节控制作用。同时，AtBHLH29在铁供应不足时对植物的生存也是必需的，可以通过影响AtFRO2的表达来调节铁素吸收。随后，2003年Elizabeth P等提出由FIT1可以在mRNA水平上调节拟南芥中FRO2与IRT1的积累，进而影响植物铁素吸收。2.2 植物吸收铁营养的机制 多数禾本科植物对铁的吸收机制与机制有所不同，属于机制型植物。主要

24、利用铁螯合的方式来充足的铁吸收，与适应环境中的缺铁胁迫。在缺铁条件下， 铁高效禾本科植物可以分泌大量的铁载体， 铁载体分泌具有杂种效应20， 其活性不受土壤pH 的影响， 它对土壤中的铁有较强的螯合能力，可以利用难溶性的无机铁化合物。同时在缺铁植物根系细胞原生质膜上存在专一性很强的Fe3+铁载体运载蛋白系统， 铁载体将Fe3+通过运载蛋白系统带入细胞质中，Fe3+在细胞内被还原成Fe2+后，铁载体又可进入根际运载新的Fe3+。如此往复使得禾本科单子叶植物获得所需要的铁21。与植物吸收铁营养的机制相关的基因主要有尼克烟酰胺氨基转移酶基因(Naat)、尼克烟酰胺合成酶基因(Nas) 、烟碱酰胺合成

25、酶基因（Chln）、甲酸脱氢酶基因( Fdh)、腺嘌呤磷酸核糖转移酶基因( Aprt ) 、乙醇脱氢酶基因( Adh ) 、甲酸脱氢酶(Fdh)以及缺铁胁迫特异的克隆Ids1、Ids2和Ids3， 并发现S2腺苷甲硫氨酸合成酶( SAM) 不为缺铁胁迫所诱导22。 Higuchi等人以及Takahashi等人分别利用纯化的NAS蛋白的氨基酸序列和纯化的NAAT蛋白的氨基酸序列合成探针，通过筛选缺铁环境胁迫的大麦根系的cDNA文库，两个科研团队分别得到了7个Nas cDNA和2个Naat cDNA23-24。后来经过进一步筛选到了2个串连排列的基因组DNA序列NaatB和NaatA。随后Taka

26、hashi等又采用农杆菌转化法，将含Naat2A 和Naat2B 基因的大麦基因组片段转入水稻，在转化株的茎和根部，低铁胁迫均能诱导这两个基因的表达，并且与非转化株相比，转化株表现出较高的Naat活性，分泌更多的高铁载体，具有更强的耐低铁胁迫能力。在碱性土壤中，转化株的产量高出非转化株的4.1倍25。Inoue等研究发现当铁营养供应充足时水稻OsNAS1和OsNAS2在根中表达，并且随着PS分泌的增加而遍布到所有根系细胞同时，OsNAS3在叶中表达；与之对应，如果缺铁，GUS分析表明OsNAS1 和OsNAS2在绿色叶片的维管束中表达，这也就反映了OsNAS1，OsNAS2，和OsNAS3参与

27、了细胞中铁素吸收的远距离转运过程，而且，这三种基因的表达受铁素营养供应水平不同程度的调控。与此同时，随着研究水平的提高， Nakanishi等先后从大麦中分离到idsl 、ids2、ids3 共3个与形成铁载体有关的基因，并进行了测序、氨基酸序列及蛋白功能推测的研究，认为ids1 可能对mas合成基因或转运蛋白基因的调控区有调控作用，其中ids2、ids3 具有很高的同源性，可由缺铁诱导表达26。随后，Mori等利用示差杂交法，在缺铁胁迫的大麦根系的cDNA文库也筛选得到Ids17 ( Iron deficiency specific) 7个独立的cDNA。进一步的研究表明，Ids1是一个编码

28、74个氨基酸的植物金属硫蛋白基因，可能参与铁等矿质元素的代谢; Ids2 和Ids3分别编码338个和169个氨基酸的多肽，共享一个2-氧化戊二酸的双加氧酶的功能区域。dis1 是一植物金属硫蛋白基因，可能与矿质元素包括铁的代谢有关。ids2 可能是依赖于22氧化戊二酸的双加氧酶基因，Fe2 + 是其辅因子，这种基因可能在DMA MA epi-HMA 的两个羟基化过程中起作用。ids3 的具体功能仍不很清楚27，也是我们未来研究的一个热点。还有一种人们已经认识比较多的基因Ysl，主要负责Fe3+转运中将Fe 3+-MA转运进胞质，参与禾本科植物Fe3+-PS的吸收以及Fe3+-MAs的转运。C

29、urie等(1994)利用转座子AC随机插入法确定Ys1基因编码一个682 个氨基酸残基的蛋白质，75KD，具有12个TM，并推测Ysl可能是一个定位在膜上的新的寡肽转运蛋白(OPT)家族的亚单位。Marie Le等(2003)的研究表明AtYSL1参与种子中铁和NA的转运，并部分调节种子中铁和NA的水平。Raymond等(2004)分析提出拟南芥YSL2 是铁或铜与NA螯合复合体的转运蛋白。这种基因的表达往往受到环境中铁和铜的浓度的调节，但目前对该基因对植物铁营养的具体的作用还不是很清楚，其内在的机制是将来研究的一个重要问题。在研究大麦根系cDNA 文库的过程中，Itai筛选到了一种腺嘌呤磷

30、酸核糖转移酶基因(aprt)28，该基因能够影响与蛋氨酸循环相关联的MAs合成。之后，Suzuki克隆了两种无氧条件下诱导表达的基因甲酸脱氢酶(Fdh)和乙醇脱氢酶(Adh) 基因29。长时期的缺铁胁迫可能引起血红素、叶绿素和ATP含量的下降，出现“生理缺氧症”，尽管此时根系中可能有大量氧存在，在这种情况下，植物可能通过Fdh 和Adh 等来增加能量的合成。2.3 植物铁吸收可能的机制III吞噬机理近年来研究发现，植物吸收铁的机制I和机制II中的IRT1 /FRO2及高铁载体等转运蛋白家族，不能充分说明植物对铁的吸收。Mori小组在植物中发现Nramp基因、转铁蛋白、血红蛋白的基础上提出植物中

31、可能存在一种全新的铁素吸收机理吞噬机理30。在这个机制中，相关的基因主要就是类转铁蛋白( transferring-like protein)和一种转运二价金属离子相关蛋白的一个新家族Nramp。其中，类转铁蛋白基因由Fisher等(1997)在绿藻中发现的，这也是第一次发现一种除动物界之外的，高盐缺铁诱导蛋白，后来研究进一步表明，能够存在于质膜上的植物类转铁蛋白Ttf-p150，在3.5mal/L NaCl下可提高摄铁效率23倍，并证明它是以吞噬的方式吸收并转运Fe3+ 。人们更关注的是Nramp基因，被人们定义为转运二价金属离子相关蛋白的一个新家族。Nramp 基因家族在进化和同源性上高度

32、保守，已经在多种生物中鉴定了该基因，包括细菌、酵母、昆虫、哺乳动物以及高等植物。哺乳动物的Nramp1是该家族中被鉴定的第一个成员。在小鼠中，这个基因控制了巨噬细胞和单核细胞对无关的抗原性的寄生物在细胞内增殖的限制，被命为天然抵抗力相关的巨噬细胞蛋白Nramp31。之后在水稻和南芥中分别发现了EST，它们的翻译产物与哺乳动物Nramp几个不连续区域有惊人的同源性，并推测Nramp基因在植物中的存在。后来经验证，在水稻中鉴定了三个基因OsNramp1、OsNramp2和OsNramp3 的片段以后，又在拟南芥中鉴定了两个基因和Nramps 有一定的相似性，其中AtNramp2 和哺乳动物的Nra

33、mps 有很高的相似性32。另一个基因称作EIN2 ( Erhylene2insensitive2)，它是乙烯信号传导途径中的一个组分，与Nramp 的同源性比较低。最近已经从拟南芥中鉴定了和Nramps 同源的另外三个基因组序列( Acc No. Ac004401、Ab007645、AL035526 )，分别叫做AtNramp1、AtNramp3 、AtNramp433。Belouchi等从拟南芥中鉴定了一个EST (AccNo. 230530) 称为AtNramp5 ，它是一个假定的Nramp基因片段34，该假定的Nramp 片段不同于其它的拟南芥基因，表明在拟南芥中至少存在着6 中Nra

34、mp同源物。 经同源性比较，发现植物的Nramps大至可以分为两组。 OsNramp1、OsNramp3 和AtNramp5具有很高的同源性， 构成了一组。 而这一组成员与OsNramp2、AtNramp1、AtNramp2、AtNramp3、AtNramp4 的同源性却很低，它们构成了另一组。植物Nramp 蛋白含有12 个潜在的跨模域32。预测EIN2 也具有相同的拓扑结构模式，且表现为一个完整的膜蛋白，然而它也有一个长的胞内C2末端尾巴，这是Nramp 蛋白所独有的。真核细胞Nramp家族的一个关键的结构特征是存在于细胞内环上的TM8 到TM9 上高度保守的被称为“共有转运标签”序列基元

35、，它最初被认为与许多细菌中的转运标记相似，但它与动物K+离子通道中高度保守的通透孔更为相似。植物中， AtNramp1 ，2优先在根系表达，而AtNramp 3 ，4 在根系和地上部均能得以表达。OsNramp1主要在根系表达，极少量在地上部表达OsNramp2主要在地上部表达; OsNramp3 在两部分均能表达。 植物的Nramp 基因主要在转录水平和mRNA的稳定性方面受到调控。AtNramp13 、4的mRNA受到铁饥饿的正调控，其中AtNramp3 主要在根系加强表达，而AtNramp4在根系和地上部均能加强表达。与此不同的是AtNramp2主要在供铁充足的根系表达，且被铁饥饿轻微负

36、调控。对这些基因的亚细胞定位仍不清楚，但有研究表明，AtNramp1可能定位于内膜系统35-36。 3 植物在缺铁胁迫条件下的蛋白质系统植物在长期的进化过程中形成了一整套比较完善的基因表达调控体系， 植物体在不同的阶段和不同的环境条件下都会有不同的基因表达， 这就意味着植物体在不同的时间和空间合成特异的蛋白质。通常植物在逆境胁迫条件下， 基因表达发生改变，一些正常基因被关闭， 而一些与适应逆境有关的基因则开始表达， 表现出正常蛋白合成受阻， 诱导合成特异蛋白( 逆境蛋白)37。因此， 近年来有关胁迫条件下植物特异蛋白的研究已成为植物抗性领域的研究热点之一。早期的研究主要集中在植物体内的铁蛋白方

37、面。后来Holden等从番茄中分离得到了Fe3+ 螯合物还原酶蛋白，分子量为35kD38。随着酵母和植物铁吸收功能缺陷突变体的发现，人们采用异源或同源功能互补法，已成功克隆了许多关键性基因。Mori在植物中发现转铁蛋白、血红蛋白，特别是在发现nramp 基因家族在金属离子的转运，尤其是在铁离子的代谢中起着重要的调控作用的基础上，提出植物中可能存在一种全新的铁素吸收机制吞噬机制(En2docytotic mechanism)39。Arulanantham 和Terry通过对甜菜根细胞膜蛋白的电泳发现与缺铁胁迫有关的分子质量为25000和34000u的蛋白带40。而Backhout 等在缺铁胁迫9

38、 d的番茄根系质膜中观察到NADH 铁氰化物还原酶和Fe3+螯合物还原酶的活性均提高2 3倍，并没有新的诱导还原酶的产生41。Brggemann 等 29 的试验也未发现缺铁番茄根系中有新的， 即所谓的可诱导还原酶42。随着电泳技术的推广和应用，蛋白质的提取和鉴定更加有效，也进一步对缺铁胁迫条件下植物特异性蛋白的存在提供了新的证据。如Schmidt和Buckhout用双向电泳法观察到番茄根系在缺铁胁迫8 d后有7条多肽表达发生改变，其中仅有1条多肽是在缺铁胁迫下新合成的， 而其余6 条的合成量仅在缺铁胁迫下增加43。这7 条多肽中有3 条多肽与Herbik等所观察到的3 条多肽( GAPDH、

39、FDH、AP)44的分子质量相一致；Satoshi 等通过对缺铁大麦根系蛋白进行电泳发现了6 条与缺铁相关的蛋白，这些蛋白为:53、52、31、30、26、25 kD ，并证明了53 和52 kD 多肽的功能，而26 和25 kD 多肽只在缺铁时出现45。Arulanantham等46在缺铁胁迫下的甜菜根中发现了与缺铁有关的25 和34 kD 多肽，并推测其中一条为Fe3 + 还原酶，一条为Fe2+ 运输蛋白。综上所述，对于植物在缺铁胁迫的条件下，确实产生了一些特异性的蛋白质，一调节植物对铁的吸收，从而保证正常的生长发育，对环境适应。而且所有这些关于特异蛋白的研究，为进一步研究植物缺铁适应性机

40、制及克隆特异基因进行分子水平上的研究奠定了基础。4 展望近年来，利用分子生物学手段研究植物吸收铁的机制、，并且已经克隆出了这些吸收机制中的大量关键性基因，并且对植物在缺铁条件下对铁营养吸收的关键蛋白质的分子学特征有了深入的认识，在这过程中，FRO2， IRT1和Ys1基因的克隆尤为重要，并且，人们已经试图通过基因工程手段来改造植物对铁的吸收效率，为矫治植物的缺铁失绿，筛选吸收利用铁能力强的基因型植物做好基础准备。为寻找克服植物缺铁失绿症的根本途径，但仍有许多问题尚未得到解决: 如何探讨开发功能性铁营养新物种; 作物铁相关新基因的克隆及功能的鉴定，与缺铁有关的关键基因转录因子基因的筛选和克隆，并

41、研究其基因的启动子区、基因表达的调控机制; 缺铁胁迫下的蛋白质表达模式的作用和性质，缺铁信号分子的确定，转铁蛋白基因作物新品种的开发; 吞噬机制模型的提出，微生物铁载体调控机制的研究仍需直接的实验证据加以证实，最终达到从根本上提高植物的铁营养效率，改善人类铁营养的目的。Reference1 YAMG W E，CHEN W R，Feng YImroving human micronutrient nutrition through biofortification in soilplant system：China as a case。Plant nutrition for food secur

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