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)

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(OryzasativaL.)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(Fe2+)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Fe2+氧化为Fe3+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%。

表1 水稻铁含量相关QTL

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Fe3+。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Fe3+，并且将其还原为Fe2+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。