水稻铁元素的研究进展

水稻铁元素的研究进展

程金平,刘晓刚,于学然,薛欣月,马嘉欣,罗成科,田 蕾,杨淑琴,马天利,李培富

(宁夏大学 农学院 / 宁夏优势特色作物现代分子育种重点实验室,宁夏 银川 750021)

摘要: 铁元素是生命体生长发育过程中必不可少的微量元素,水稻所需的铁主要从土壤中摄取,并 在水稻株高、千粒质量和品质等多个方面发挥重要作用。 从我国土壤中铁含量、水稻铁含量遗传差 异、水稻铁含量与农艺性状的相关性、水稻铁含量相关 QTL( Quantitative trait locus) 及基因和水稻 铁元素吸收、转运机制等方面进行了综述,为富铁水稻育种提供理论依据。

关键词: 水稻; 铁元素; 农艺性状; 遗传; 生物强化

中图分类号: S511 文献标志码: A 文章编号: 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 铁是人体中血红蛋白和辅酶 B 等多种酶的催 化剂, 也 是 生 物 体 能 量 代 谢、 生 长 发 育 的 必 需 元 素[ 1] 。

铁在人体中有 2 种存在形式,其中 65%的铁 以血红蛋白的形式存在于红细胞中,10% 的铁以肌 红蛋白和酶的形式存在于肌肉中,其余的铁存在于 肝、脾等组织器官中[ 2] 。 贫血、呼吸急促、心跳加速 以及嗜睡等症状主要是由于无法供给细胞足够的氧 气,导致细胞内血红蛋白含铁量降低而引起的[ 3] 。 世界卫生组织( WHO) 研究微量元素对人体健康的 影响,发现人类缺铁症状加重,尤其是孕妇和儿童约 占缺铁总人数的 50% [ 4] 。

水稻(Oryza sativa L. ) 是我国三大粮食作物之 一[ 5] 。 但是水稻中的微量元素相对缺乏,容易使人 体患微量元素缺乏症。 因此,水稻的营养品质对人 体健康至关重要。 虽然人们可以通过各种强化铁食 物和药剂来缓解铁素缺乏症,但是在贫困地区依然 面临成本高的问题。 因此,有学者认为,改善人们膳 食结构是最经济的一种补铁方式[ 6-8] 。 深入开展富 铁水稻品种选育工作,提高稻米中的铁含量,对于人 们日常铁补充及缓解铁缺乏症具有重要作用。 自从 1992 年开始检测土壤对禾谷类作物铁含量的影响 以来[ 9] ,以水稻为主的禾谷类作物籽粒铁含量成了 国内外专家学者的研究热点,并在富铁种质的筛选 及生物有效性方面取得了突破性的进展。 从我国土 壤中铁含量、水稻铁含量遗传差异、水稻铁含量与水 稻 农 艺 性 状 的 相 关 性、 水 稻 铁 含 量 相 关 QTL  (Quantitative trait locus)及基因和水稻铁元素吸收、 转运机制等方面进行了综述,为富铁水稻育种提供 理论依据。

1 土壤中铁的含量

地壳中的铁含量大约为 5%,在岩石圈其含量 居第四位。 铁元素主要以亚铁离子( Fe 2+ )的形态被 植物吸收利用。 2004 年孟凡花等[ 9] 研究发现,土壤 中铁含量为 10 ~ 200 g / kg,平均为 32 g / kg,而铁在 植物体内的含量甚少,只有 50 mg / kg,原因主要是 铁在土壤中以化合物的形式存在,如氢氧化物、氧化 物和磷酸盐。 2012 年 SPEROTTO 等[ 10] 发现,土壤 有效铁含量低是由于铁吸附在土壤颗粒上转化为不 溶性 颗 粒 以 及 过 度 使 用 肥 料 造 成 的。 2019 年, ZHANG 等[ 11] 研究表明,植物对铁的吸收效率主要 取决于土壤 pH 值的高低,高 pH 值诱导的根表面铁 斑的沉积抑制了水稻对铁的跨膜吸收,致使土壤中 的铁远不能满足水稻生长发育需求。 为提高土壤中 有效铁含量,建议进行铁肥的使用和含铁改良剂的 使用,其中含铁改良剂是目前使用最多的一种土壤 改良剂,它主要通过吸附土壤重金属、向根际释放氧 气、将运输到根系的 Fe 2+ 氧化为 Fe 3+ 形成铁氧化物 或 者 氢 氧 化 物 沉 淀 的 作 用 来 增 加 土 壤 有 效 铁 含量[ 12-13] 。

2 水稻铁含量遗传差异

2. 1 水稻籽粒不同部位铁含量的遗传差异

水稻 籽 粒 不 同 部 位 铁 含 量 差 异 明 显。 刘 杰 等[ 14] 研究表明,水稻籽粒各部位铁含量由高到低依 次是稻糠、稻 壳、糙 米、精 米。 王 雪 艳 等[ 15] 研 究 发 现,稻糠、稻 壳、糙 米、精 米 铁 含 量 分 别 为 8. 6% ~ 43. 0%、3. 9% ~ 9. 5%、0. 2% ~ 5. 2%、0. 2% ~ 2. 8%, 由此可知,大米在加工过程中铁含量明显下降,损失 的铁含量占全铁含量的 60%。 周崇松等[ 16] 研究认 为,铁含量以颖壳最高,糙米次之,精米最低,颖壳中 铁含量是精米铁含量的 7 倍。 赵则胜等[ 17] 发现,上 农香糯精 米 中 铁 含 量 为 4. 44 mg / kg,显 著 低 于 糙 米。 如果要补铁,以糙米加工食品为宜。 因此,在加 工精米的过程中,稻壳的利用价值较高,应该考虑综 合有效利用。

2. 2 不同地区水稻铁含量的遗传差异

水稻的生长发育受土壤母质、气候因子、田间管 理等因素的影响,不同地区水稻中铁含量不同。 江 川等[ 18] 分析来源于不同产地的稻米,发现不同产地 稻米中铁含量存在明显的地理差异。 王辉[ 19] 分析 外引水稻品种和宁夏回族自治区地方水稻品种,发 现不同产地水稻籽粒铁含量差异较大,79 份外引水 稻品种籽粒铁含量为 7. 75 ~ 80. 93 mg / kg,23 份宁 夏回族自治区本地水稻籽粒铁含量为 9. 75 ~ 48. 44 mg / kg。 LIANG 等[ 20] 测定了 56 份来自国内外的水 稻糙米铁含量,发现我国和越南水稻品种铁含量变 幅较大,为 9 ~ 45 mg / kg。 吴敬德等[ 21] 对 8 份从国 际水稻研究所引进的水稻种质进行研究,发现与安 徽省本地品种相比,有 2 个菲律宾水稻品种铁含量 较高,分别为 42. 86 mg / kg 和 36. 28 mg / kg。 刘宪虎 等[ 22] 对来自北京市、吉林省、云南省和广西壮族自 治区的 115 份水稻品种的糙米进行铁含量分析,发 现来自不同地区的水稻品种糙米铁含量差异较大。 因此,研究水稻品种与环境之间的关系是提高水稻 品质的有效途径。

2. 3 不同基因型水稻品种铁含量的遗传差异

水稻籽粒中铁含量受品种、气候因素和人工选 择等条件的影响,不同基因型水稻品种铁含量差异 较大。 文建成等[ 23] 对来自韩国的 91 份杂草稻和来 自云南农业大学稻作研究所的 195 份粳稻进行铁含 量分析,发现杂草稻和粳稻部分基因型中铁含量是 云南省推广品种的 2 倍,并且杂草稻的铁含量显著 高于粳稻。 邵源梅等[ 24] 研究发现,不同水稻品种糙 米铁含量差异明显,糯稻对铁的吸收和积累能力高 于非糯米稻和软米稻,三者铁含量分别是 8. 92 mg / kg、 7. 01 mg / kg 和 6. 67 mg / kg。 郭咏梅等[ 25] 对 162 份 不同类型水稻种质进行铁含量测定,发现 162 份水 稻种质铁含量差异明显。

3 水稻铁含量与水稻农艺性状及其他 矿质元素的相关性

3. 1 水稻籽粒中铁含量与粒形、株高和千粒质量的 相关性 籽粒中铁含量与粒形、株高和千粒质量有一定 的相关性。

ZHANG 等[ 26] 用禾本科种子数量性状遗 传模型研究发现,粒形与铁含量存在较明显的相关 性,其中,粒长对铁含量有极显著的直接加性效应。 曾亚文等[ 27] 研究发现,云南省水稻种质资源铁含量 与粒厚呈显著负相关。 陈秀晨等[ 28] 用籼型两系不 育系绿 102S、KD36S、7HS012 和 7HS013 为母本、籼 型水稻绿旱 1 号为父本杂交所得的后代为材料,研 究铁含量与其他农艺性状的相关性,发现铁含量与 株高和结实率均呈负相关,且与结实率的相关性达 到显著水平,但是与其他性状为正相关,其中与千粒 质量的相关性达到显著水平。

 3. 2 水稻籽粒中铁含量与其他矿质元素含量的相 关性

矿质元素含量是衡量水稻品种优劣的要素之 一,有关学者已经证实铁含量与其他元素含量有一 定的相关性。 HUANG 等[ 29] 研究发现,糙米中铁含 量与 锌 含 量 存 在 显 著 的 正 相 关 关 系。 GARCIA 等[ 30] 采用电感耦合离子体质谱法( ICAP)测定了 85 个杂交籼稻品系中铁、锌、锰、铜、钙等元素的含量, 发现铁含量与锌、锰、钙含量呈显著正相关关系。 杨 志伟等[ 31] 选用 155 份粳稻种质资源进行检测,发现 籽粒锌含量与铁含量呈极显著正相关。

3. 3 水稻籽粒中铁含量与其他性状的相关性

水稻籽粒铁含量与稻米颜色、水稻品种等存在 一定的联系。 KOH 等[ 32] 研究结果表明,黑米色素 沉积 性 状 随 着 水 稻 中 铁 含 量 增 加 而 增 加。 吕 文 英[ 33] 研究发现,水稻籽粒中铁含量与粒色有一定的 相关性,黑米铁含量最高,红米次之。 肖国樱等[ 34] 研究指出,水稻的抗倒伏性与水稻铁含量呈正相关。 GREGORIO 等[ 35] 研究发现,水稻香味与铁含量有一 定的相关性。 而 YANG 等[ 36] 研究发现,精米中铁含 量与食味值无显著相关性。

4 水稻铁含量相关 QTL 及基因

自 1994 年起,国际水稻研究所开始富铁水稻的 培育研究并且取得了突破性进展,主要育种方法包 括杂交育种、基因工程育种和分子标记育种[ 37] 。 随 着科学技术的发展,研究人员已经从分子遗传学方 面研究了水稻富铁机制,并通过分子育种手段选育 出了富铁水稻材料。

4. 1 水稻铁含量相关 QTL

控制水稻铁含量的 QTL 分 布 在 12 条 染 色 体 上,见表 1。 钟林[ 38] 利用香稻保持系川香 29B 与美 国光身稻品种 Lemont 构建的重组自交系( 184 个家 系)为材料,在第 7 染色体上检测出 1 个控制铁含量 的 QTL,LOD 值为 3. 56,贡献率为 8. 75%。 王辉[ 19] 以京香 1 号 / 宁农黑粳杂交 F2 群体 172 个株系为试 验材料,利用 130 个 SSR 标记绘制覆盖水稻基因组 3 183 cM、标记间平均距离为 24. 48 cM 的遗传连锁 图谱,检测出 3 个控制铁含量的 QTL,位于第 4 染色 体上,联合贡献率为 35%。 SHILPI 等[ 39] 使用 RP - Bio226 / Sampada 回 交 的 BC2F5 群 体 及 108 个 SSR 标记绘制出覆盖水稻基因组 2 317. 5 cM、标记间平 均距离为 21. 5 cM 的遗传连锁图谱,发现控制铁含 量的 QTL 位于第 1 染色体上,LOD 值为 10. 0,贡献 率为 17. 1%。 GARETH 等[ 40] 使用 Bala / Azucena 杂 交的重组自交系群体,利用 164 个 SSR 标记构建了 一个覆盖水稻 12 条染色体 1 833 cM 的遗传连锁图 谱,对田间生长的水稻群体叶片和籽粒进行矿质元 素含量分析,发现了控制铁、锌等 17 个矿质元素的 QTL,其中 在 叶 片 中 检 测 到 1 个 与 铁 含 量 相 关 的 QTL, 位 于 第 6 染 色 体 上, 贡 献 率 为 12. 4%。 ANURADHA 等[ 41] 以 Madhukar / Swarna 衍生的重组 自交系群体对控制水稻铁含量的 QTL 进行检测,发 现 1 个控制铁含量的 QTL,位于第 12 染色体上,贡 献率为 71%,LOD 值为 33. 8。 崔文刚[ 42] 以香黑糯 195 / 中花紫香糯杂交 F2 群体 188 个单株研究控制 水稻籽粒铁含量的 QTL,发现控制水稻籽粒铁含量 的 QTL 位于第 1 和第 2 染色体上,贡献率在 4. 41% ~ 17. 63%。 孙明茂[ 43] 以龙锦 1 号 / 香软米 1578 杂交 后代 196 个株系为材料进行研究,发现控制水稻籽 粒铁含量的 QTL 位于第 2、4、5、6、8、9、11 染色体 上,贡献率在 3. 57% ~ 5. 75%。 黄莹莹等[ 44] 以红香 1 号 / 松 98-131 的 F2:3 家系 140 个株系为材料进行 研究,发现 2 个控制水稻籽粒铁含量的 QTL,分别位 于第 3、7 染色体上,贡献率分别为 13. 73%、8. 84%。 LU 等[ 45] 以 Zhengshan 97 / Minghui 63 杂交后代为研 究对象,发现控制水稻籽粒铁含量的 QTL 位于第 10 染色 体 上, 贡 献 率 为 8. 56%。 SWAMY 等[ 46] 以 IRGC81832 / IRGC81848 杂交 产 生 的 后 代 群 体 为 研 究材料,定位到 1 个控制水稻籽粒铁含量的 QTL,位 于第 12 染 色 体 RM19—RM247 标 记 间, 贡 献 率 为 5%。

4. 2 水稻铁含量相关基因

从 1992 年开始研究铁元素以来[ 9] ,已经发现了 很多水稻铁含量相关基因,且大部分主要集中在根、 茎、胚乳和叶中[ 41] 。 DATFA 等[ 47] 将铁蛋白基因转 入水稻胚乳中,获得铁蛋白基因稳定高效表达的水 稻材料。 VASCONCELS 等[ 48] 将胚乳铁蛋白特异性 启动子基因导入粳稻中,发现转基因水稻精米中铁 含量是非转基因水稻精米的 3 倍,达到 71. 0 mg / kg。 YAN 等[ 49] 发 现 一 个 可 增 加 根 中 铁 含 量 的 基 因 OsARF12( Auxin response factor 12) ,敲除 OSARF12 基因水稻根中线粒体铁调控基因 OsMIR(Mitochondrial iron-regulated) 、铁 调 控 的 转 运 蛋 白 1 基 因 OsIRT1 ( Iron-regulated transporter 1 ) 和 胚 后 短 根 1 基 因 OsSPR1( Short postembryonic root 1) 表达量降低,最 终导 致 水 稻 根 中 铁 含 量 降 低。 SAIVISHNUPRIY 等[ 50] 鉴定出 1 个位于水稻第 7 染色体上的特异性 金属基因 OsHMA7( Heavy metal ATPase 7) ,它被预 测编码一个包含 163 个氨基酸的小型重金属转运蛋 白,在 OsHMA7 表达下调的情况下水稻籽粒铁含量 降低。 另外,水稻 IRT1 和 IRT2 基因在根和茎中表 达,主要负责铁的转运[ 51] 。 因此,挖掘控制水稻铁 含量相关基因具有十分重要的现实意义。

5 水稻铁元素吸收、转运机制

水稻铁元素的吸收、转运一直是国内外学者研 究的热点。 目前,已经成功克隆水稻铁元素吸收、转 运相关基因。 ROMHELD 等[ 52] 于 1986 年首先提出 水稻主要依靠螯合机制吸收铁元素,螯合机制的作 用原理 是 在 水 稻 根 系 分 泌 麦 根 类 植 物 高 铁 载 体 (MAs) 。 MAs 是水稻根系分泌的一类次生代谢产 物, 包 括 麦 根 酸 ( MA ) 、 2′ - 脱 氧 麦 根 酸 ( 2′- deoxymugineic acid, DMA ) 、 3 - 羟 基 麦 根 酸 ( 3- epihydroxymugineic acid, epiHMA) 等多种 成 分[ 53] 。 MAs 依 靠 输 出 转 运 蛋 白 OsTOM1 ( Transporter of mugineic acid family phytosiderophores 1 ) [ 54] 和 OsTOM2 ( Ttransporter of mugineic acid family phytosiderophores 2) [ 55] 运 输 到 细 胞 外 螯 合 游 离 的 Fe 3+ 。 现在已经初步阐明了水稻 MAs 的合成途径, 起始产物 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] , 随 后 在 烟 酰 胺 合 成 酶 (Nicotianamine synthase, NAS) 的作用下将 SAM 三 聚化成 NA(Nicotianamine) [ 57] ,NA 在烟酰胺氨基转 移酶( Nicotianamine aminotransferase,NAAT) 催化下 生 成 3 - 酮 基, 随 后 由 脱 氧 麦 根 酸 合 成 酶 (Deoxymugineic acid synthase, DMAS ) 催 化 生 成 DMA。 DMA 是第一个合成的 MAs,其在催化羟化双 加 氧 酶 IDS2、 IDS3 [ 58-61] 的 作 用 下 生 成 其 他 形 式 的 MAs。 水稻体内的铁主要以螯合物和铁蛋白的形式存 在,通过木质部和韧皮部运输到水稻不同部位,木质 部将铁运输到老叶,韧皮部将铁运输到幼叶。 在木 质部运输铁过程中,铁与柠檬酸螯合形成螯合物。 水稻根中的铁主要依靠 OsFRDL1 ( Ferric reductase defective like 1) 来运输,它属于多药及毒性化合物外排家族,是柠檬酸的转运子, OsFRDL1 基因敲除 突变体 osfrdl1 叶片失绿,最终死亡,但根部铁含量 上升[ 62] 。 水稻体内还存在能分解、螯合 Fe 3+ ,并且 将其还原为 Fe 2+的物质,如原儿茶酸( PCA) 和咖啡 酸(CA) 等[ 63] 。 OsPEZ1 ( Phenolics efflux zero 1) 基 因突变体木质部溶液中 PCA 和 CA 浓度降低,该基 因主要作用是转运 PCA 进入到木质部,使体内铁含 量增加[ 64] 。 水稻根部负责铁元素吸收的代表基因 是 OsYSL15(Yellow stripe-like 15) ,但是 OsYSL15 基 因也在维管束组织中存在,说明该基因在韧皮部运 输铁的过程中发挥重要作用[ 65] 。

6 展望

铁对人体健康非常重要,水稻是重要的粮食作 物,因此,水稻富铁研究关系人类健康。 目前,我国 对水稻各部位铁含量研究较清楚,但是对铁在水稻 产量形成、改善品质和抗逆性等方面的作用研究较 少,今后研究可以从以下几个方面入手:基于水稻各 生育时期干物质积累,探讨铁在水稻生长发育阶段 发挥的作用;研究铁元素与其他矿质元素的互作效 应;对铁在水稻抗性方面的作用进行研究、探讨。 在水稻铁元素的遗传学研究上,前人的研究使 人们有了深刻的认识,但是为了进一步了解水稻体 内的铁含量相关主效基因,有必要挖掘更多尚未发 现的 QTL。 由于 QTL 的主效应和上位效应对数量 性状的遗传具有重要作用,且 QTL 簇内不同 QTL 对同一性状和相关性状的遗传效应和作用方式都可 能存在差异,研究不同 QTL 在水稻铁含量遗传控制 上的互作关系和综合效应具有重要的遗传学和育种 学意义。 在现有的杂交育种和基因工程育种的基础 上,加强对控制铁含量的 QTL 进行全基因组关联分 析(GWAS) ,在控制铁含量的 QTL 初步定位的基础 上,对效应较大、贡献率较高的 QTL 进行精细定位, 寻找与铁含量相关的候选基因,并进行克隆及功能 分析,为水稻富铁品种的分子标记辅助选择育种奠 定基础。