全 文 ：植物学通报Chinese Bulletin of Botany 2007, 24 (6): 779-788, www.chinbullbotany.com
收稿日期: 2007-05-29; 接受日期: 2007-09-24
基金项目: 国家自然科学基金(No. 30530460)
* 通讯作者。E-mail: hqling@genetics.ac.cn
.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 100101
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
互变, 因此是细胞内氧化还原反应所必需的组分。铁在
细胞呼吸、光合作用和金属蛋白的催化反应过程中发
挥重要作用, 是重要的电子传递体, 因此铁元素在原核和
真核生物的生命活动中具有不可替代的功能。而另一
方面由于Fe3+/Fe2+的高氧化还原势, 细胞内游离态的铁
容易发生Fenton化学反应, 激活还原态的氧, 产生有害
的超氧化合物, 对细胞造成伤害(Briat and Lebrum,
1999)。因此, 所有生物都必须通过一套严密的调控机
制来保持铁供给和需求的动态平衡。
铁在地壳中的含量丰富, 但地球上许多生物的生存
却受缺铁的限制。这是因为铁多以Fe3+的形式存在, 而
这种形态的铁在中性和碱性土壤中的溶解度极低, 从而
限制了土壤中铁的有效性。缺铁会导致叶绿素合成减
少, 光合速率降低, 严重缺铁时叶绿素合成停止, 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, 而且也影响动物和人类对铁
的获取, 从而导致许多缺铁性疾病的发生。人类铁营养
的缺乏已经成为当今世界最为严重的营养缺素症之一。
当人体由于某种原因不能摄入足量的铁营养时, 就会引
起如Wilson、Pakinson、Menken及贫血病(anemia)
等许多生理功能异常疾病, 危及患者智力和体能的发育
及身体健康(Yuan et al., 1995)。
植物在漫长的进化过程中, 由于生长环境的差异, 形
成了不同的铁高效吸收机制, 以保证从土壤中获取充足
的铁营养, 维持植株的生长发育, 乃至整个物种的生存。
在土壤中, 尤其是碱性土壤中铁主要以不溶的Fe3+形式
存在, 因此根据铁吸收形式的不同, 植物被划分为机理I
(strategy I)和机理 II(strategy II)植物(Römheld and
Marschner, 1986)。双子叶植物和非禾本科单子叶植
物采用机理I(strategy I)的高效活化和吸收机制从土壤中
获取铁。该机理主要由3个部分组成: (1)H+-ATPase泵
系统, 分泌H+降低土壤 pH值, 增加根际土壤颗粒中铁
的可溶性; (2)Fe3+还原系统, 包括将Fe3+还原成Fe2+的
还原酶和与之耦联的NADPH脱氢酶; (3)Fe2+的转运系
统, 包括一系列的铁转运蛋白, 将还原的亚铁离子转运到
细胞内, 再由其它转运蛋白输送到各个细胞器和器官中
供利用。而禾本科植物, 则采用另一种铁的吸收机制
— — 机理 II(strategy II)。机理 II植物在受低铁胁迫时,
体内合成大量的植物铁载体(phytosiderophores, PS),
并分泌到根际土壤中, 与土壤中的Fe3+直接结合, 以螯
合物的形式转运至细胞内, 再释放出Fe3+, 供代谢利用
(Roberts et al., 2004)。最近的研究表明, 在禾本科植
物水稻中, 也存在机理 I的亚铁离子转运系统, 即水稻既
780 植物学通报 24(6) 2007
能够通过分泌PS, 螯合和吸收Fe3+, 也可通过亚铁离子
转运系统直接从土壤中吸收Fe2+(Ishimaru et al., 2006)。
1 机理I和机理II植物中与铁移动相关的
基因
在过去的10多年中, 人们在植物铁元素吸收代谢的分子
机理方面做了大量研究, 取得了重要进展, 分离了很多参
与铁离子吸收的基因(表 1)。
1.1 三价铁还原酶类基因
在缺铁条件下, 植物会诱导三价铁还原酶的表达, 在根表
面将三价铁离子还原成可吸收的二价铁离子, 再通过高
亲和亚铁离子转运蛋白转入根细胞。铁还原酶活性可
通过在溶液或培养基中添加亚铁离子螯合剂 B PD S
(bathophenanthroline disulfonate)或 ferrozine(3-(2-
pyridyl)-5,6-diphenyl-1,2,4-triazine sulphonate)间接地
进行定性和定量分析, 即当铁还原酶将Fe3+还原成Fe2+
时, Fe2+与BPDS或 ferrozine结合, 生成粉红或红色的
化合物, 通过比色分析, 就可得到相应的铁还原酶活性。
利用这种颜色反应, Yi和Guerinot(1996)从模式植物拟
南芥中筛选出了frd1(ferric chelate reductase defective
mutant)三价铁还原酶突变体。利用突变体与同源基因
克隆相结合的方法, 在模式植物拟南芥中首先分离了
表 1 与铁离子吸收和转运相关的基因
Table 1 Genes involved in iron uptake and translocation
基因产物 基因名称 物种 在铁离子吸收中的作用 参考文献
Fe3+还原酶 AtFRO2 拟南芥 将 Fe3+还原成 Fe2+ Robinson et al., 1999
AtFRO3,4,5,6,7,8 拟南芥 将 Fe3+还原成 Fe2+ Wu et al., 2005; Mukherjee et al., 2006
PsFRO1 豌豆 将 Fe3+还原成 Fe2+ Waters et al., 2002
LeFRO1 番茄 将 Fe3+还原成 Fe2+ Li et al., 2004
ZIP转运蛋白 AtIRT1,2 拟南芥 Fe2+转运 Eide et al., 1996
LeIRT1,2 番茄 Fe2+转运 Eckhardt et al., 2001
OsIRT1 水稻 Fe2+转运 Bughio et al., 2002
MxIRT1 苹果 Fe2+转运 Li et al., 2006
PsRIT1 豌豆 Fe2+转运 Cohen and Fox, 1998
NRAMP转运蛋白 AtNRAMP1,3,4 拟南芥 Fe2+转运 Curie et al., 2000; Thomine et al., 2003;
Lanquar et al., 2005
OsNRAMP1,3 水稻 Fe2+转运 Curie et al., 2000
LeNRAMP1,3 番茄 Fe2+转运 Bereczky et al., 2003
YSL转运蛋白 ZmYSL1 玉米 Fe3+-PS转运 Curie et al., 2001
AtYSL1,2,3 拟南芥 Fe3+-PS转运 DiDonato et al., 2004; Le Jean et al., 2005;
Waters et al., 2006
OsYSL2 水稻 Fe3+-PS转运 Koike et al., 2004
其它转运蛋白 AtPIC1 拟南芥 Fe2+转运 Duy et al., 2007
AtVIT1 拟南芥 Fe2+转运 Kim et al., 2006
AtFRD3 拟南芥 柠檬酸转运 Rogers and Guerinot, 2002
尼克酰胺合成酶 LeCHLN 番茄 尼克酰胺的合成 Ling et al.,1999
AtNAS1,2,3,4 拟南芥 尼克酰胺的合成 Pianelli et al., 2005
HvNAS 大麦 尼克酰胺的合成 Higuchi et al., 1999
OsNAS 水稻 尼克酰胺的合成 Higuchi et al., 2001
铁载体合成酶 HvNAATa, b 大麦 尼克酰胺氨基转移酶 Takahashi et al., 2001
HvIDS2,3 大麦 单加双氧酶 Nakanishi et al., 2000
调节蛋白 LeFER 番茄 调控植物的缺铁反应 Ling et al., 2002
FIT(AtbHLH29/ 拟南芥 调控植物的缺铁反应 Colangelo and Guerinot, 2004; Jakoby et al.,
FIT1/FRU) 2004; Yuan et al., 2005; Bauer et al., 2007
TtNAM-B1 小麦 调控植物叶片的衰老 Uauy et al., 2006
和营养向籽粒的转化
781吴慧兰等: 植物铁吸收、转运和调控的分子机制研究进展
AtFRO2(ferric reduction oxidase 2)基因(Robinson et
al., 1999)。AtFRO2编码一个具有8个跨膜结构、FAD
辅因子和血红素结合位点的细胞质膜蛋白, 其在根部受
缺铁诱导表达。最近对其拓扑结构的研究发现 , 其
NADH和FAD作用位点位于胞内, 这与预测结果(位于胞
外)不一致(Schagerlof et al., 2006)。利用基于 PCR-
based的同源基因克隆方法, 从豌豆和番茄中分别克隆
到了AtFRO2的同源基因PsFRO1和LeFRO1 (Waters
et al., 2002; Li et al., 2004)。PsFRO1在豌豆根、
根瘤和叶片中均有表达, LeFRO1在番茄根、叶、子
叶、花以及幼果中表达, 但它们在根部的表达强弱受植
物的铁营养状态调控(Waters et al., 2002; Li et al.,
2004)。AtFRO2基因过量表达的转基因植株具有比野
生型植株更强的耐低铁能力, 而且AtFRO2的表达在转
录和转录后水平上受铁营养调控(Connol ly et al . ,
2003)。除 AtFRO2以外, 在拟南芥基因组中还存在另
外 7个与AtFRO2相似性很高的还原酶基因, 这 8个基
因共同组成了一个铁还原酶基因家族。在酵母细胞中
异源表达拟南芥铁还原酶基因的实验分析表明, 除了
AtFRO1和AtFRO6以外, 其它 6个基因的表达都能够
显著增强转基因酵母细胞的 Fe3+还原酶活性。在拟南
芥的 8个铁还原酶基因中, AtFRO2是参与根部铁吸收
过程中最重要的三价铁还原酶基因, AtFRO2的缺失突
变体frd1-1在低铁胁迫时表现出黄化, 而其它基因的缺
失突变体没有明显的表型(Wu et al., 2005)。拟南芥
的这 8个基因的表达具有明显的组织特异性, AtFRO2
和AtFRO3在根中, AtFRO5和AtFRO6主要在芽和花,
而AtFRO7在叶片的表皮毛和子叶中, AtFRO8在叶脉
中表达(Wu et al., 2005)。而且拟南芥的 AtFRO6基
因表达还受到光和组织的分化程度调控(Feng et al.,
2006)。AtFRO2和AtFRO3这 2个基因可能直接参与
植物根部铁的吸收和代谢, 而 AtFRO5、AtFRO6、
AtFRO7和AtFRO8可能与地上部不同组织的铁营养有
关(Wu et al., 2005)。总之, FRO还原酶家族成员在
植物不同的器官中对于维持铁的稳态起到了广泛的作用
(Wu et al., 2005; Mukherjee et al., 2006)。突变体
frd4在缺铁条件下也不能诱导三价铁还原酶的表达, 通
过图位克隆法分离到了目的基因(cpFtsY)。该基因编
码一个与蛋白信号肽识别和分选相关蛋白, 并定位在叶
绿体中, 可能与叶绿体蛋白的输出和输入有关, 其具体的
功能还在进一步的研究中(Durrett et al., 2006)。
1.2 二价铁离子转运蛋白类基因
1.2.1 ZIP家族
Eide等(1996)通过筛选拟南芥根部cDNA文库, 找到了
可以互补酵母fet3fet4突变体的二价铁转运蛋白AtIRT1
(iron-regulated transporter 1)和AtIRT2。AtIRT1蛋白
具有广谱的底物特异性, 它不仅能转运铁, 而且还能转运
锰、锌以及镉(Korshunova et al., 1999)。AtIRT1不
是酵母和细菌中Fe2+转运蛋白基因的同源基因, 它编码
一个含347个氨基酸残基的多肽, 预测有8个跨膜域, 代
表真核生物中一类新的金属离子转运蛋白。AtIRT1与
酵母的锌转运蛋白ZRT1 (zinc regulated transporter 1)
是同源基因。IRT1在植物、线虫和人类中也都有同源
序列, 被称为 ZIP(ZRT/iRT-related protein)家族。
AtIRT2与AtIRT1有很高的相似性, 它们都在根尖受低
铁诱导表达。拟南芥 irt1突变体不能在土壤中正常生
长, 叶片严重黄化, 在苗期因缺铁致死, 在irt1突变体中
超量表达 AtIRT2, 不能补偿 AtIRT1的缺失功能, 表明
AtIRT1是拟南芥中必需的铁转运蛋白(Vert et al. ,
2002)。鉴于 irt2突变体与对照相比没有明显的缺铁表
型, AtIRT2可能是一个低亲和力铁转运蛋白, 在铁充足
的情况下发挥作用, 或在其它金属离子的吸收中起着比
铁转运更重要的作用。在番茄中也分离到了类似的同
源基因LeIRT1和LeIRT2。LeIRT1的表达受缺铁诱导,
而 LeIRT2低量表达, 其表达强度不受环境中铁浓度的
影响, 但在高pH值的生境中, 表达上调(Eckhardt et al.,
2001; Zhao and Ling, 2007)。在水稻(Bughio et al.,
2002)、豌豆(Cohen et al., 1998)和苹果( Li et al.,
2 0 0 6 )中也分离到 A t I R T 1 的同源基因 O s I R T 1、
PsRIT1和MxIRT1。
1.2.2 NRAMP家族
第 2类金属转运蛋白是 NRAMP(natural resistance-
782 植物学通报 24(6) 2007
associated macrophage protein)。NRAMP基因家族
编码的蛋白广泛参与各种生命活动过程, 从哺乳动物细
胞对细菌感染的易感性、果蝇(Drosophila)的味觉行为
到酵母的锰吸收等。序列比对表明植物中存在两类
NRAMP蛋白(Gunshin et al., 1997; Curie et al.,
2 0 0 0 )。拟南芥中的 A t N R A M P 1、3 和 4 与水稻
OsNRAMP1和OsNRAMP3等代表一类, 这类蛋白的
异源表达可以恢复酵母 fet3fet4突变体的表型。而拟南
芥的AtNRAMP2-5和水稻OsNRAMP2则代表了另一
类NRAMP蛋白(Curie et al., 2000)。在酵母和植物中
表达AtNRAMP1、3和4都表现出金属转运功能(Curie
et al., 2000; Thomine et al., 2000)。AtNRAMP1、
3和4在酵母中的表达都可以恢复缺陷型酵母对锰或铁
的吸收。另外 ,在酵母细胞中表达 A t N R A M P 3 和
AtNRAMP4基因能够提高酵母对镉的敏感性,并导致细
胞内镉的累积。这些结果表明AtNRAMP基因编码具有
多种底物特异性的金属转运蛋白。拟南芥的
A t N R A M P 1 和 2 在根和芽中表达。在根中 ,
AtNRAMP1、3和 4的转录本在铁缺乏时累积。过量
表达AtNRAMP1基因的植株表现出更强的高铁毒害耐
受性, 而过量表达AtNRAMP3基因的植株在镉处理时积
累更多的铁。另外, AtNRAMP3缺失突变体表现出对
镉胁迫耐受性的增强。最近的研究发现, AtNRAMP3
和AtNRAMP4蛋白定位在液泡膜上, 介导铁离子从液泡
向胞质中转移, 且nramp3nramp4双突变体在低铁条件
下的种子萌发明显晚于野生型(Thomine et al., 2003;
L a n q u a r e t a l . , 2 0 0 5 )。关于 A t N R A M P 5 和
AtNRAMP6功能的研究目前还没有进展。AtEIN2蛋白
是乙烯信号转导途径中的一个组分, 与NRAMP蛋白在
序列上有一定的相似性, 但是酵母互补实验表明, 该基因
没有转运金属离子的功能(Alonso et al., 1999)。
1.2.3 YSL家族
第 3 类最重要的金属离子转运蛋白家族是 YS 家族。
ZmYS1作为Fe(III)-植物铁载体螯合物转运蛋白, 首先
从玉米基因组中被分离出来, 它是多肽转运蛋白家族的
一个成员(Curie et al., 2001)。其突变体由于不能转运
Fe3+-PS复合物而表现出典型的缺铁症状, 叶脉间失绿,
叶片呈黄色条纹状, 因此该基因被命名为yellow stripe
(YS) (von Wiren et al., 1999)。YS1蛋白能够直接转
运 Fe-PS和Fe-nicotianamine (NA), 当植物受到缺铁
胁迫时, YS1基因表达大幅度上调(Roberts et al.,
2004)。在低铁条件下YS1蛋白在根和叶中大量诱导表
达, 暗示着该蛋白对铁在整个植株中的分布起着重要作
用。在水稻中分离的YS1类似基因OsYSL2主要参与
了Fe/Mn-NA在韧皮部中的转运, 它可能与铁在水稻植
株中的重新分配有关(Koike et al., 2004)。有趣的是
在拟南芥中也发现了几个YSL(yellow stripe-like)家族
成员(DiDonato et al., 2004; Le Jean et al., 2005;
Waters et al., 2006)。由于在机理 I植物中, 不产生植
物铁载体, 因此, YSL类蛋白在拟南芥中可能负责运输
Fe-NA或Fe-citrate复合物, 参与铁在体内的分配和运
输。缺铁时, AtYSL1、AtYSL2和 AtYSL3在地上部
的表达量均降低。AtYSL1发生突变时, 植株地上部积
累大量 尼克酰胺(nicotianamine), 种子中的铁和尼克酰
胺含量也较野生型少许多(Le Jean et al., 2005)。据
推测, YSL1-3在维管束组织细胞中均起到运输金属 -
NA复合物的作用(DiDonato et al., 2004; Waters et al.,
2006)。
1.2.4 其它
MATE(multidrug and toxin efflux)家族中的一些成员也
参与了铁离子的转运, 比如 FRD3基因。FRD3编码一
个跨膜蛋白, 属于MATE家族向胞质外运输底物的转运
蛋白(efflux transporter), 因此可能负责转运小分子有机
化合物(Rogers and Guerinot, 2002)。frd3突变体在
正常条件下不能关闭缺铁应答反应机制, 组成型启动
AtFRO2和AtIRT1基因的表达, 并在维管束附近积累大
量的三价铁(Rogers and Guerinot, 2002; Green and
Rogers, 2004)。最近的研究表明, FRD3的功能可能是
介导植物维管组织细胞中柠檬酸的转运, 因为在frd3突
变体植株的木质部汁液中, 检测不到柠檬酸, 而向frd3突
变体植株体外注射柠檬酸后, 该突变体能够恢复表型
(Durrett et al., 2007)。
783吴慧兰等: 植物铁吸收、转运和调控的分子机制研究进展
拟南芥中的AtVIT1(vacuolar iron transporter 1)基
因是酵母中液泡转运蛋白基因 CCC1(Ca2+-sensitive
cross-complementer 1)的同源基因, 参与了种子萌发时
铁离子在胞质和液泡之间的转运(Kim et al., 2006)。
AtVIT1与酵母中的CCC1在氨基酸水平上有62%的相
似性, 都具有5个跨膜结构, 该蛋白能互补酵母ccc1突
变体的表型。AtVIT1蛋白定位在液泡膜上, 其突变体
植株vit1-1在高pH值下萌发时较野生型晚, 但在低pH
值时, 二者之间没有区别, 其功能可能与上文提到的
NRAMP3和 NRAMP4的功能相似。
AtPIC1(permease in chloroplasts 1)是目前发现的
唯一参与了植物叶绿体中铁离子吸收的基因。AtPIC1
位于叶绿体的内膜, 与古老的蓝细菌(Synechocystis)中
的 sll1656在氨基酸水平上具有 24%的相似性(Duy et
al., 2007)。在酵母铁吸收缺失突变体 fet3fet4中, 异
源表达AtPIC1及其同源基因sll1656能恢复该突变体的
铁吸收功能, 证明该基因产物能转运铁。同时, pic1突
变体表现出严重黄化, 生长受抑制的表型, 其叶绿体的发
育受阻和质体内铁蛋白的大量积累表明, 该基因可能在
植物叶绿体铁离子稳态中起着重要的作用。
1.3 尼克酰胺和植物铁载体合成酶基因
尼克酰胺(nicotianamine, NA)是植物所特有的一种非蛋
白氨基酸 , 并且是植物生长所必需的一种化合物
(Stephan and Scholz, 1993)。番茄尼克酰胺缺失突变
体chloronerva不能正常关闭整个缺铁反应, 组成型启动
三价铁还原酶LeFRO1和亚铁离子转运蛋白LeIRT1基
因的表达, 从而吸入更多铁沉积于地上部, 但由于缺乏
nicotianamine, 吸入体内的铁不能被利用, 而表现出典
型的缺铁症状(Ling et al.,1999)。番茄的CHLN基因编
码了一个尼克酰胺合成酶蛋白 ,它在植物体内催化
nicotianamine的合成(Ling et al.,1999)。尼克酰胺很
可能是韧皮部中携带铁的分子(Stephan and Scholz,
1993), 它以1.25倍Fe2+的剂量存在于韧皮部的汁液中,
并与Fe2+形成Fe2+-尼克酰胺复合物(von Wiren et al.,
1999)。尼克酰胺可能是作为一种金属螯合剂参与了细
胞内和细胞间铁离子以及其它金属离子在体内的分配和
再利用。在机理 II 植物中, 尼克酰胺还是合成植物铁
载体麦根酸(mugineic acids, MA)的前体。尼克酰胺合
成酶(nicotianamine synthase, NAS)基因被相继分别从
大麦(Hvnas )、水稻(Osnas )和拟南芥(AtNAS1、
AtNAS2、AtNAS3和 AtNAS4)中克隆获得, 并对其作
了大量深入研究(Herbik et al., 1999; Higuchi et al.,
1999, 2001; Inoue et al., 2003; Pianelli et al., 2005)。
禾本科植物利用一种与双子叶植物完全不同的铁有
效吸收机制, 即机理 II机制。在缺铁胁迫时, 机理 II植
物在体内合成大量属于麦根酸类的低分子化合物, 称为
植物铁载体。机理 II植物分泌这类化合物的种类和数
量与植株耐受低铁胁迫的能力密切相关。植物铁载体
由MAs (mugineic acid family)家族充当, 包括MA、
DMA (2-deoxymugineic ac id)、epi -HMA (3-
epihydroxymugineic acid)和epi-HDMA (3-epihydroxy-
2-deoxymugineic acid)。关于植物铁载体的生物合成
途径已有大量的报道, 日本东京大学的Mori教授研究组
从大麦中分离了所有参与麦根酸合成途径的关键基因,
阐释了植物铁载体在大麦中的生物合成过程( M o r i ,
1999)。麦根酸合成途径中的关键酶基因表达都受缺铁
诱导上调。尼克酰胺合成酶(NAS)是植物铁载体MAs
家族生物合成过程中最关键的酶。Higuchi等(1999)从
大麦根中克隆到了编码尼克酰胺合成酶及其相似蛋白的
7个cDNA分子, 并发现NAS基因在大麦和水稻的基因
组中以基因家族的形式存在。尽管单、双子叶植物都
能在体内合成尼克酰胺, 但在机理 I植物中, 尼克酰胺
是一种最终产物, 参与铁和其它金属离子的代谢, 而在
机理 II植物中, 它是合成麦根酸的中间产物。催化由
尼克酰胺到合成麦根酸的关键酶是尼克酰胺氨基转移
酶(nicotianamine aminotransferase, NAAT), 该酶可
以催化氨基转移到尼克酰胺上, 生成所有麦根酸分子的
前体 DMA。将含有大麦基因组中NaatA和 NaatB基
因的DNA片段转移入旱稻后, 提高了旱稻的麦根酸分
泌水平, 从而使转基因旱稻更耐受低铁胁迫(Takahashi
et al., 2001)。当在旱稻中过量表达 NAS基因时, 其
转基因植株与野生型没有明显表型差异, 表明NAAT的
活性是旱稻中MA合成的限制因素。另外IDS2和IDS3
784 植物学通报 24(6) 2007
两个 cDNA片段特异地在缺铁植株的根中表达。这 2
个基因编码单加双氧酶, 在DMA的羟基化过程中发挥
作用(Nakanishi et al., 2000)。
2 机理 I和机理 II植物中与调节铁吸收的
相关基因
2.1 bHLH类蛋白
FER是机理I植物中第一个被克隆的参与铁吸收调控的
关键基因, 控制着植物缺铁的整个生理和根形态反应。
番茄T3238fer突变体在低铁环境下不能启动整个缺铁
反应, 缺铁时不能诱导三价铁还原酶LeFRO1和二价铁
转运蛋白LeIRT1基因的表达, 也观察不到相应的根形态
变化, 如根毛的发生等(Ling et al., 1996)。通过图位
克隆法分离出了FER基因, 该基因编码一个含有basic
helix-loop-helix (bHLH)结构域的蛋白, 是一个转录因子
(Ling et al., 2002)。原位杂交实验表明, FER主要在
根的表皮细胞及成熟根毛区木质部和韧皮部之间的薄壁
细胞中表达。鉴于 LeFRO1和 LeIRT1基因在突变体
T3238fer根部的表达谱不同, 暗示FER蛋白对LeFRO1
的调控比对 LeIRT1更为直接(Li et al., 2004)。FER
基因表达产物的核定位及表达谱的分析表明FER能够
调控核内基因的转录, 并且FER自身的表达受到铁营养
水平的多层次调控(Brumbarova and Bauer, 2005)。
Zhao 和 Ling (2007)利用番茄FER突变体T3238fer和
野生型T3238为材料, 比较在不同氮源和pH值的生长条
件下番茄铁吸收相关基因的表达变化, 发现FER的转录
强度受环境中pH值的影响, 随培养液的pH值升高而降
低, 而与铁吸收密切相关的三价铁还原酶LeFRO1和高亲
和力亚铁离子转运蛋白LeIRT1基因的转录强度则随pH
值的升高而增强。鉴于在高pH值时调控基因FER与吸
收基因 LeFRO1和 LeIRT1表达的不协调性, 作者提出
FER可能与一个或多个未知转录因子共同作用, 以异源二
聚体方式调控下游基因如 LeFRO1和 LeIRT1的表达。
拟南芥的 AtbHLH29/AtFIT1/AtFRU (新命名为
FIT, FER-like iron deficiency induced transcription
factor)(Bauer et al., 2007)是番茄 FER的同源基因
(Colangelo and Guerinot, 2004; Jakoby et al., 2004;
Yuan et al., 2005), 分别在转录和蛋白质水平上调控
AtFRO2和 AtIRT1, 但过量表达 AtbHLH29不能改变
AtFRO2 和 At IRT1 的表达模式(Co lange lo and
Guerinot, 2004)。在番茄 FER突变体 T3238fer中异
源表达AtbHLH29, 能互补FER的缺失功能, 转基因植
株在低铁胁迫时恢复正常的缺铁生理和形态反应, 生长
恢复正常(Yuan et al., 2005)。在拟南芥和番茄这两种
亲缘关系较远的机理I植物中, 鉴定出功能相似的调控基
因, 暗示在所有机理 I植物中可能存在一个共同类似于
FER的调控体系, 控制铁元素的吸收。
最近我们实验室的研究结果表明, 在缺铁条件下,
FIT可以与其它bHLH蛋白相互作用, 形成异源二聚体而
启动下游功能基因 AtFRO2和 AtIRT1等的表达(待发
表)。综合上述的研究结果及进展, 机理 I植物铁离子吸
收的分子调控模式可归纳于图1中。当植物缺铁时, 缺
铁信号通过某种途径进入到细胞内, 激活相应的转录因
子(可能是一些bHLH类蛋白), 这些转录因子与已知的铁
吸收调控蛋白FER或FIT形成异源二聚体, 而激活下游
功能基因, 如三价铁还原酶LeFRO1和AtFRO2以及高
亲和力亚铁离子转运蛋白LeIRT1和AtIRT1等基因的表
达, 从而提高植物对根际土壤中铁离子的活化和吸收。
植物一旦感受到足够铁时, 就会减少细胞内的缺铁信号
物质, 降低或关闭相应转录因子的表达, 从而下调或关闭
机理 I植物的缺铁反应相关基因的表达。
2.2 NAC类蛋白
TtNAM-B1是另一类可能参与了机理II植物中铁离子体
内转运的NAC(N-terminal region and a divergent C-
terminal activation domain)类转录因子。在野生小麦
中, TtNAM-B1基因能增加麦粒中蛋白质、锌和铁的含
量。该基因在栽培小麦中失去了功能(Uauy et al . ,
2006)。研究结果表明将该野生基因转入到栽培小麦中
后, 提高了麦粒的蛋白质和铁、锌的含量。与此相比,
将所有与这个基因有关的拷贝从栽培小麦品种中敲除后,
小麦的叶寿命延长, 但是麦粒的蛋白质和铁、锌含量降
低(Uauy et al., 2006), 表明 TtNAM-B1可能通过调节
785吴慧兰等: 植物铁吸收、转运和调控的分子机制研究进展
叶子衰老过程中营养元素向种子内的转运来调控种子中
铁和锌等营养元素的含量。
3 研究展望
综上所述, 很多基因或基因家族参与到植物铁营养的吸
收、转运和调控过程中, 但关于这些基因是怎样协同工
作, 即它们的表达和关闭是通过何种机制来调控, 还知之
甚少。对番茄FER和CHLN基因的克隆及其功能的分
析发现, 在所有机理I植物中, 极有可能存在一个类似以
FER为中心的正调控系统控制整个缺铁反应和铁离子吸
收。而CHLN蛋白催化合成的nicotianamine与亚铁离
子在植物体内形成Fe2+-nicotianamine复合物, 参与铁
在植物体内的代谢和机理 I铁吸收机制的负调控。进一
步深入研究FER(正调控)和CHLN(负调控)系统的分子
调控机制, 将有助于揭示机理I植物的铁元素吸收代谢分
子调控机制。
尽管在过去的10多年中, 对铁的营养生理及铁的吸
收分子调控机理研究取得了很大进展, 但在铁营养信号
转导、铁离子进入根细胞后在不同组织器官和细胞内
不同细胞器间的转运和分配等方面的研究还非常欠缺,
这些将成为今后一个阶段铁营养研究的重点。近一年
以来, 有关铁在地上部种子(AtVIT1和TtNAM-B1等)和
细胞器间(AtPIC1、AtNRAMP3和AtNRAMP4等)分配
方面的文章明显比前几年增多, 也间接地证明了植物铁
营养研究的这一发展趋势。
图 1 机理 I植物铁吸收的分子调控模式示意图
缺铁条件导致机理 I植物体内缺铁信号物质的生成, 该信号被转入到根细胞内, 启动能感受缺铁信号的未知转录因子的表达, 然后该因子
与已知铁吸收调控因子 FER或 FIT结合, 形成异源二聚体, 调控铁高效吸收相关基因, 如三价铁螯合物还原酶 FRO2、亚铁离子高亲和
力转运蛋白 IRT1等基因的表达, 从而将 Fe3+在根表面还原成 Fe2+, 再通过高亲和力亚铁离子转运蛋白转运到细胞内, 供代谢利用。
Figure 1 The molecular regulation model of iron uptake in strategy I plants
Under iron-deficient condition, an iron deficiency signal will be produced in strategy I plants and transferred in root cells. The signal
will activate an unknown transcription factor(s) which can sense the signal of iron deficiency. The transcription factor(s) will
interact with the well-characterized transcription factor FER/FIT and form a heterodimer(s) for stimulation of the expression of the
effective iron uptake genes, such as ferric chelate reductase FRO2 and the high affinity Fe2+-transporter IRT1. FRO2 protein
reduces ferric to ferrous iron on root surface and then the ferrous iron will be transported by IRT1 protein across root plasma
membrane into cells for metabolism.
786 植物学通报 24(6) 2007
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(责任编辑: 白羽红)
Uptake, Translocation and Regulation of Iron in Plants
Huilan Wu, Ning Wang, Hongqing Ling*
The State Key Laboratory of Plant Cell and Chromosome Engineering, Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese
Academy of Sciences, Beijing 100101, China
Abstract Iron is an essential microelement for plant growth and development. The acquisition, translocation and utilization of iron
are complicated processes. Many genes and gene families are involved. Here, we review the progress of research into the
molecular mechanisms of iron uptake and metabolism during the past 10 years and provide a molecular regulation model of iron
uptake in strategy I plants.
Key words iron, mineral nutrients, molecular regulation model of iron uptake, plant nutrition, uptake and translocation
Wu HL, Wang N, Ling HQ (2007). Uptake, translocation and regulation of iron in plants. Chin Bull Bot 24, 779-788.
* Author for correspondence. E-mail: hqling@genetics.ac.cn
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