李芳柏*，李勇珠 , **

1. 中國科學院廣州地球化學研究所，廣東 廣州 510640；2. 廣東省生態(tài)環(huán)境技術研究所，廣東 廣州 510650；3. 中國科學院大學，北京 100039

鐵是植物維持正常生命活動的必需微量元素之一，參與眾多生物代謝過程，如生物體內光合作用、呼吸作用、氮素同化和固定及激素合成等（Briat et al.，1997）。植物自身不能合成鐵元素，只能從外界環(huán)境中獲得鐵來滿足自身生命活動的需要；但是鐵的溶解性很低，植物可以利用的生物有效鐵有限（Guerinot et al.，1994）。據統計，全世界有20億人口貧血，膳食缺鐵是人類貧血的首要成因，而水稻是全球三分之一人口的主食來源，因此了解水稻吸收鐵的機制對提高其對環(huán)境中鐵的吸收、轉運和富集將有重要作用。

鐵同位素已被廣泛地用來追蹤生物地球化學過程中的鐵循環(huán)（Beard et al.，2003），比如異化鐵還原（Crosby et al.，2005）、亞鐵的生物和非生物氧化以及吸附、沉淀（Croal et al.，2004；Schuth et al.，2015）等過程。稻田體系中，水稻會通過改變鐵吸收機制來應對不斷變化的生境，而鐵吸收機制的改變會形成不同的鐵同位素組成特征。當土壤水位降低時，土壤中的鐵從還原態(tài)變成氧化態(tài)，鐵的溶解性和生物可利用性降低，水稻主要利用機理II途徑，即螯合途徑來吸收鐵；反之，土壤水位升高時，鐵多以還原態(tài)存在，生物可利用性提高，此時水稻可以通過機理I途徑直接吸收亞鐵。進入到水稻植株內以后，鐵在各器官組織之間的運輸涉及到鐵的氧化還原、螯合和轉運等過程，這些過程均會導致不同程度的鐵同位素分餾，這些特定的鐵同位素組成信息不容易受環(huán)境改變而保存在水稻植株內。因此闡明稻田體系鐵同位素的分餾特征，對于研究水稻吸收鐵的機制，以及鐵在土壤-水稻體系中的循環(huán)轉運有重要意義。

本文從3個方面進行文獻綜述：（1）水稻土中鐵的遷移轉換及鐵同位素分餾過程；（2）鐵在水稻內吸收和轉運的生理機制；（3）水稻內鐵同位素的分餾特征及機制。以期從這3個方面綜合理解稻田體系中鐵的生物地球化學過程。

1 水稻土中鐵的同位素分餾特征及影響因素

鐵是地球上豐度第四的元素，其地球化學行為作為土壤元素循環(huán)的重要組成部分而具有重大意義。鐵穩(wěn)定同位素方法在示蹤鐵元素地球化學行為上取得了很大的進展（Johnson et al.，2008；Wiederhold，2015）。在水稻土的風化發(fā)育過程中，輕鐵會優(yōu)先淋溶，且鐵形態(tài)和同位素組成隨著土壤發(fā)育的進行而發(fā)生變化。近期對于年代序列水稻土的研究結果顯示不同發(fā)育年齡土壤之間的鐵同位素組成范圍為0.1‰-0.18‰，鐵同位素分餾值大小與水稻土發(fā)育年齡成正相關關系（Huang et al.，2018）。同時，隨著發(fā)育年齡的增加，土壤中弱結晶態(tài)和硅酸鹽結合態(tài)鐵的比例下降，而氧化態(tài)鐵比例上升，這可能是長期人為的落干與淹水調控的結果。水稻對不同形態(tài)鐵的利用效率不同，交換態(tài)和弱結晶態(tài)相對于氧化態(tài)和硅酸鹽結合態(tài)更容易被水稻吸收利用，鐵同位素的測定結果顯示水稻吸收的交換態(tài)、弱結晶態(tài)富集 0.3‰輕鐵，而基本不被水稻吸收的硅酸鹽結合態(tài)富集0.4‰的重鐵（Guelke et al.，2010），同時水稻植株相對土壤富集輕鐵（Garnier et al.，2017）。這些研究表明稻田體系發(fā)育過程是一個輕鐵缺損的過程，鐵的循環(huán)涉及氧化還原、吸附、溶解、沉淀及生物作用等多個過程；同時這些過程因受 pH、Eh、微生物過程等的影響而呈現出復雜多樣性。

孔隙水的鐵是水稻土中最容易被吸收利用的鐵源，鐵主要以二價和三價鐵存在，其中二價鐵占主導地位。二價鐵主要由鐵的異化鐵還原（DIR）過程產生（Crosby et al.，2007；Garnier et al.，2017），同時還受到硫酸鹽還原過程的影響（Severmann et al.，2006）。水稻土處于長期淹水時，異化鐵還原過程活躍，亞鐵富集輕鐵，鐵同位素分餾值達到3‰，而且隨著DIR過程的進行，不斷有輕鐵釋放到孔隙水中，因此DIR過程被認為是孔隙水中輕鐵同位素的主要來源。但是隨著淹水時間的增加，以及土壤深度的增加，土壤Eh會大幅度下降。當Eh下降到-200 mV左右，土壤中 SO42-會被還原成H2S，H2S電離成HS-，之后與溶液中的Fe2+生成黃鐵礦（FeS。Butler et al.，2005）。黃鐵礦沉淀初始，輕鐵優(yōu)先被沉淀在 FeS中，且動力學分餾系數ε=0.85±0.30‰，隨著沉淀過程的進行，動力學分餾被平衡分餾結果掩蓋而使黃鐵礦富集重鐵，分餾值為0.32‰，這一數值遠遠小于DIR過程導致的分餾值（3‰。Romain et al.，2011）。異化鐵還原和硫酸鹽還原過程共同影響孔隙水中鐵的同位素組成，硫酸鹽還原過程使孔隙水富集輕鐵的程度遠小于異化鐵還原過程。

除了鐵還原過程外，水稻土中鐵的氧化沉淀過程被認為是影響土壤鐵同位素組成的主要因素之一，且受到pH值和氧氣濃度的影響。當pH值高，亞鐵氧化主要是非生物過程，當pH低于3時，亞鐵氧化主要受非生物過程調控，比如光合細菌氧化，亞硝酸依賴亞鐵氧化以及嗜酸性亞鐵氧化過程（Balci et al.，2006）。Welch et al.（2003）的研究表明溶液中二價鐵和三價鐵之間存在平衡分餾，建立了鐵同位素分餾值與溫度間的關系：ΔFe(III)-Fe(II)=0.334×106/T2-0.88，且實驗測定 22 ℃下的分餾值為2.76‰。Balci et al.（2006）在低pH下測定生物誘導亞鐵氧化生成三價鐵的平衡分餾值 ΔFe(III)-Fe(II)=2.9‰，且三價鐵與隨后生成的沉淀物之間的平衡分餾范圍為0.58‰-0.98‰。氧化沉淀過程中，氧化占主導作用，產物總體富集重同位素。溶液中的Fe(II)與針鐵礦之間的總體分餾值為-1.05‰，且溶液 Fe(II)與針鐵礦上表層 Fe(III)的最小分餾值為-2.1‰。這些結果都表明鐵的氧化以及成礦過程均發(fā)生鐵同位素分餾，且氧化成礦的產物總體富集重鐵同位素。

含鐵礦物的溶解過程也會發(fā)生同位素分餾。溶解過程主要有異化鐵還原溶解、質子溶解和吸附溶解等過程。HCl溶解針鐵礦被認為是不會導致同位素分餾的溶解方式，而草酸誘導的吸附溶解和還原溶解過程都會導致輕鐵優(yōu)先溶解，平衡分餾值為0.5‰（Wiederhold et al.，2006）。而草酸吸附溶解優(yōu)先釋放重鐵，原因是形成的oxalate-Fe的鍵強要高于 Fe-O鍵。跟氧化還原作用相比，吸附作用是造成鐵同位素分餾的次要原因。Dideriksen et al.（2008）測定溶液中有機和無機鐵之間的平衡分餾值為 0.6‰，其中有機鐵為脫鐵敏物質與鐵的絡合物。除實驗測定外，理論計算結果也表明有機配合物可以絡合重鐵同位素，例如 Fe(III)-phytosiderophore與Fe(III)之間的理論分餾值為 1‰左右（Moynier et al.，2013），但是在土壤發(fā)生過程中，有機物仍然對鐵同位素分餾起重要作用。例如Wiederhold et al.（2007a，2007b）分別測定了氧化還原土和灰壤在不同剖面和不同形態(tài)鐵之間的同位素分餾值，其中灰壤提前經過一年的曝氣處理，限制其氧化還原過程。研究結果表明兩種土壤均表現出輕鐵先淋溶，但是氧化還原土中土壤剖面間的分餾值只有0.3‰，而在灰壤中，分餾值達到1‰。兩種土壤之間存在較大鐵同位素組成差異可能是因為灰壤形成于充分水分淋溶的環(huán)境下，且存在強酸性腐殖質等有機絡合物，有機物的絡合作用可以幫助鐵同位素發(fā)生遷移而增大同位素分餾效應。

土壤中鐵的分餾還受到諸多因素影響，其中土壤鐵含量是一個必須被重視的因素。國內外文獻數據匯總結果呈現出鐵同位素分餾值與鐵濃度成負相關關系的特征（Huang et al.，2018），Wiederhold（2015）提出儲庫對同位素分餾的影響很大，大的儲庫可以削弱同位素分餾效應，反之，小的儲庫會增大同位素分餾效應。正是由于土壤鐵同位素的產生是多因素的，將鐵同位素方法用于稻田鐵元素循環(huán)時應結合土壤發(fā)育背景、土壤化學生物性質等因素。

2 水稻吸收轉運鐵的生理機制

植物吸收鐵的機理有兩種，分別為機理I和機理II，其中雙子葉植物和非禾本科單子葉植物運用機理I吸收鐵，禾本科單子葉植物運用機理II吸收鐵（Marschner et al.，1986；R?mheld，2010）。機理I基于鐵還原吸收鐵途徑，同時伴隨著3種物質的分泌：（1）三價鐵螯合物還原酶，它由鐵缺乏誘導生成，可以還原三價鐵至亞鐵螯合物；（2）H+，它能降低根際pH值，提高鐵化合物的溶解度，促進三價鐵的還原；（3）酚類物質，具有還原和螯合作用，具有多種潛在功能。機理I吸收過程依賴于可溶性鐵的提供，受pH影響大。機理II過程基于鐵的螯合吸收，具有兩大特征：（1）分泌植物鐵載體類化合物（phytosiderophore，PS），這些化合物在缺鐵環(huán)境下誘導生成，能螯合溶解度很小的鐵化合物，如氫氧化鐵；（2）擁有一套高親和性的鐵載體運輸系統，能夠特異性運輸鐵螯合化合物進入植物根系。機理II過程主要由植物鐵載體（PS）釋放速率來調控，受pH影響很小。

2.1 水稻根吸收鐵的機制

水稻作為禾本科單子葉植物，除了采用機理II吸收鐵，也能通過機理I吸收鐵（Ishimaru et al.，2006），研究發(fā)現玉米中也存在機理I吸收通道（Li et al.，2018）。Charlson et al.（2006）分析發(fā)現機理I和機理II植物均含有機理I鐵吸收基因，但是機理I植物并沒有機理II鐵吸收基因，且裸子植物和單子葉中的祖先品種-擬南芥，也不含有機理 II基因，同時研究也表明機理II途徑比機理I途徑擁有更高的鐵吸收效率，受pH和土壤含水量變化的影響?。–haney，1984；Marschner et al.，1986），因而推測機理 II是從機理 I進化得到的鐵吸收途徑。水稻可能通過調節(jié)鐵吸收機理來適應生長環(huán)境的變化，特別是當鐵的供給發(fā)生較大變化時。

當水稻處于淹水環(huán)境，根際鐵充足且可能因過量造成毒害作用。溶液中的亞鐵直接通過二價金屬轉運蛋白進入根表皮細胞。水稻中已知的二價金屬轉運蛋白有 OsIRT1/2（Lee et al.，2009a）蛋白和OsNRAMP1/5（Ishimaru et al.，2012；Takahashi et al.，2011）蛋白，其中OsIRT蛋白對亞鐵的親和力高于OsNRAMP蛋白。根際溶液中多余的鐵會形成鐵的氫氧化物吸附和沉淀在根表形成鐵膜，鐵膜既可以作為緩沖帶減少亞鐵毒害，也可以作為備用鐵庫在鐵供給不足時被水稻重新利用（Mi et al.，2013；Sebastian et al.，2016）。當鐵缺乏時，水稻會通過OsPEZ1和OsPEZ2蛋白分泌酚類物質（原兒茶酸和咖啡酸）到根外，這些酚類物質可以增大根際土以及根質外體中鐵的溶解性。

處于干旱條件時，鐵主要以氫氧化鐵存在時，水稻的三價鐵螯合物還原酶基因（OsFRO）在根部的表達水平很低（Ishimaru et al.，2007），機理I途徑的效率太低，因此水稻根細胞通過機理II的螯合途徑獲得鐵。麥根酸類物質（Mugineic Acids，MAs）是一類植物鐵載體（PS），包括麥根酸（MA）、2′-脫氧麥根酸（DMA）及3-羥基麥根酸（epiHMA）等多種物質。其中DMA是第一個生成的MAs，水稻根細胞內形成的DMA被轉運輸出蛋白運輸到細胞外螯合 Fe(Ⅲ)，OsTOM1（Nozoye et al.，2011）和OsTOM2（Nozoye et al.，2015）是兩個已被鑒定的鐵載體輸出蛋白。根細胞外形成的 Fe(Ⅲ)-PS螯合物通過 YSL（yellow-stripe1-like）家族蛋白進入植物根表皮細胞，水稻根中已鑒定出的運輸Fe(Ⅲ)-PS螯合物的YSL家族蛋白有OsYSL15（Lee et al.，2009b）和 OsYSL16（Kakei et al.，2012）蛋白。水稻分泌PS的活性在一天中波動很大，Ueno et al.（2009）對多年生草本植物的研究發(fā)現，PS的分泌主要受溫度控制，且水稻分泌 PS的能力弱于大麥，燕麥等禾本科植物，這可能是水稻在石灰土壤中易缺鐵的原因之一（石灰土壤的高pH值會降低鐵活性）。

2.2 鐵在水稻內的短距離運輸

鐵從根表皮細胞進入木質部的過程為徑向運輸過程，也叫短距離運輸過程，主要有兩條途徑：一條是共質體途徑，鐵借助胞間連絲在細胞和細胞之間傳輸，是主動運輸過程，鐵的移動速度慢；另一條是質外體途徑，鐵在由細胞壁和細胞間隙組成的區(qū)域運輸，是被動運輸過程，鐵的移動速度快。經質外體運輸的鐵到達內皮層后，被內皮層細胞壁上具有疏水性的凱氏帶阻隔，而后加入共質體途徑。由于根尖處的凱氏帶未發(fā)育成熟，側根處的凱氏帶被破壞，當根際溶液中鐵濃度很高時，可以經由根尖和側根等質外體途徑進入中柱。在共質體中，細胞液呈堿性，pH值為7-8，Fe(III)-DMA螯合物在輸運前可以被維生素C等物質還原為Fe(II)（Weber et al.，2008），Fe(II)隨后和尼克酰胺（NA）形成穩(wěn)定的Fe(II)-NA螯合物。NA是形成DMA的前體物質，與二價鐵有強結合能力（logK=12.1）（Bene? et al.，1983）。三價鐵螯合物還原酶（OsFRO）、核黃素、NADH等物質也可以還原Fe(III)-DMA。共質體中的鐵部分停留在細胞質和儲存在液泡中，部分進入中柱的木質部，重新進入到質外體。

2.3 鐵在水稻內的長距離運輸

鐵參與植物內運輸是從進入木質部開始的，木質部是質外體的一部分。鐵從內皮層細胞進入木質部所需要的蛋白還未研究清楚，但是已有研究發(fā)現OsIRT1和 OsYSL18均在內皮層細胞中有表達（Aoyama et al.，2009；Lee et al.，2009a），不過還無法確定OsIRT1和OsYSL18是將鐵載入細胞還是載出細胞，鐵以何種形式進入木質部也未有定論。木質部的pH為5-6，鐵主要以Fe3+-檸檬酸復合物形式存在，少量以鐵-PS復合物和離子態(tài)形式存在（Ariga et al.，2014）。檸檬酸由多藥物和毒素排出（multidrug and toxin efflux，MATE）家族的 OsFRD1成員負責運輸，OsFRD1主要在根的中柱鞘細胞中表達，異源表達結果顯示其可以轉運檸檬酸，并將鐵-檸檬酸復合體運輸至植物木質部（Yokosho et al.，2009）。木質部細胞為栓質化的死細胞，營養(yǎng)液運輸至葉片，果實等庫組織的動力來自于根壓和蒸騰壓力，運輸方向為從下至上。營養(yǎng)液在水稻地上部器官中的分配取決于蒸騰速率和時間，各器官蒸騰速率強弱依次為葉片＞果莢≥種子，水稻可能通過降低蒸騰速率的方法來抵抗高濃度鐵的毒害作用（Shrestha et al.，2015）。在葉中，鐵經木質部運輸的終點是葉肉細胞。YSL家族蛋白擔任鐵從木質部卸載鐵的載體，由于YSL蛋白不能運輸鐵-檸檬酸螯合物，在木質部卸載過程中，鐵可能會發(fā)生形態(tài)的轉化。其中NA既可以螯合Fe3+，也可以螯合Fe2+，可以作為穿梭體裝載和卸載鐵，對木質部和韌皮部之間的鐵分布很關鍵：鐵從木質部卸載之前與NA結合，經YSL蛋白轉運至葉肉細胞（Curie et al.，2009）。YSL蛋白中的OsYSL2負責運輸Fe-NA，但是不能運輸Fe-PS，其表達部位主要有水稻根部、葉片韌皮部、花的維管束及發(fā)育的種子（Koike et al.，2004）；相反，OsYSL15/16/18負責運輸Fe(III)-PS（Aoyama et al.，2009；Inoue et al.，2009；Kakei et al.，2012），但不轉運 Fe-NA。ZIP（Zn-Fe-regulated transporter）家族的OsIRT1、OsIRT2轉運蛋白可以運輸離子態(tài)鐵進入葉肉細胞。

進入葉肉細胞后，鐵大部分與鐵運輸蛋白結合（iron transport protein，ITP）形成Fe-ITP復合物并儲藏在葉綠體中（Curie et al.，2009）。鐵在水稻中屬于移動性中等的元素，可以通過韌皮部重新運輸至水稻中蒸騰作用較弱的器官和組織，例如新葉、籽粒等，這些組織由于缺少蒸騰壓力而不能從木質部得到足量的鐵。與木質部長距離運輸不同，韌皮部的長距離運輸發(fā)生在活細胞篩管中，向上運輸至籽粒，向下運輸至根部。韌皮部汁液的 pH值為7-8，存在大量蔗糖、小分子蛋白質和代謝物，除此之外，三價鐵的濃度是二價鐵的 10倍以上。文獻統計表明機理I植物韌皮部三價鐵大部分和谷氨酸、NA結合，二價鐵全部和NA結合（Harris et al.，2012）。機理I植物韌皮部中亞鐵氧化到三價鐵的電勢計算結果為247 mV，而Fe(Ⅱ)-NA的氧化電勢為-181 mV；推測在韌皮部中，亞鐵極易被氧化，NA結合亞鐵可以防止其被氧化和水解（Harris et al.，2012）。但是對于水稻韌皮部鐵形態(tài)的研究則顯示，三價鐵幾乎全部和DMA結合，而NA主要結合 Cu2+和 Zn2+等二價離子（Nishiyama et al.，2012）。造成這種差異的原因可能是機理I植物缺少合成DMA需要的關鍵酶。DMA的合成需要尼克酰胺轉移酶NAAT，GUS染色結果顯示OsNAAT1在根的伴胞和中柱鞘細胞，以及莖葉韌皮部的伴胞中表達（Inoue et al.，2008）。表明DMA不僅在根部表達，協助鐵的根吸收過程；也在韌皮部表達，促進水稻內的鐵平衡。

2.4 鐵在籽粒中的積累過程

水稻進入生殖生長期后，光合作用產物對根的供給減少，根因活性減弱而無法吸收足夠的鐵，水稻植株內的鐵會經歷空間重新分布的過程。其中新葉的鐵主要由老葉提供，籽粒中鐵營養(yǎng)主要來自上部葉片和旗葉，且已由實驗證明主要通過韌皮部傳輸，少量鐵經由木質部傳輸（Yoneyama et al.，2010；Yoneyama et al.，2015）。小麥中重新活化進入籽粒的鐵占植株總鐵的77%，在水稻中為4%（Morrissey et al.，2010）。鐵進入并保存在籽粒中需要多個轉運和運輸蛋白的協調，其中，NA-YSL運輸系統發(fā)揮了重要作用：NA結合鐵離子，經細胞質膜上的YSL通道蛋白進入籽粒細胞?，F已證實超量表達NA合成酶基因OsNAS2可以增加水稻籽粒的鐵含量（Lee et al.，2012），轉入大麥 NA合成酶基因HvNAS1后，水稻籽粒中鐵和鋅含量分別增加了2倍和3倍（Masuda et al.，2009）。這些都表明尼克酰胺NA可以幫助運輸鐵元素進入籽粒。Fe-NA進入籽粒需要通過YSL蛋白家族，OsYSL2蛋白對發(fā)育中的水稻籽粒表現出極大的促進作用（Koike et al.，2004）。YSL家族的另一個成員 OsYSL9則對籽粒中胚乳和胚芽間鐵的分配起決定作用，敲除OsYSL9基因的水稻籽粒中，胚芽中的鐵減少，而胚乳中的鐵增加（Senoura et al.，2017）。ZIP家族的 IRT1蛋白對籽粒鐵積累發(fā)揮重要作用，表示鐵也以離子態(tài)進入籽粒中。最近的研究顯示，OsFRDL基因也與籽粒鐵的運輸有關。OsFRDL1在水稻的第一個節(jié)、穗以及旗葉中表達水平高。OsFRDL1主要位于節(jié)的伴胞橋中，可以分泌檸檬酸將質外體中的鐵運輸至花粉、種子等水稻生殖器官中（Yokosho et al.，2016）。

鐵從土壤到水稻，涉及多個生物化學過程，經歷了多種形態(tài)變化，圖1是根據文獻總結的鐵在稻田體系的轉運過程示意圖，表1是可能涉及的生物化學過程。

圖1 稻田系統中鐵轉運過程Fig. 1 Iron transport process in paddy field system

3 水稻中鐵同位素分餾特征及機制

目前僅在少數幾種植物中開展了鐵同位素組成的研究，結果顯示植物與生長基質之間、植物內部均存在鐵同位素分餾，且不同植物呈現出特有的鐵同位素組成特征。植物間特有的鐵同位素組成可能與鐵在植物內的運輸過程緊密相關，鐵同位素的精確測定在揭示植物鐵運輸機制方面具備巨大潛力。

表1 稻田體系中鐵的生物化學過程Table 1 Biochemical processes of iron in paddy field systems

3.1 高等植物鐵同位素分餾特征及機制

Guelke et al.（2007）最早測定了高等植物體內的鐵同位素分餾特征，他們發(fā)現機理I和機理II植物在鐵同位素組成和變化趨勢上存在很大不同：機理I植物相對于土壤富集輕鐵，分餾值達到-1.6‰，且 δ56Fe值隨著根莖葉種子等器官由下至上逐漸減??；而機理II植物整體富集重鐵，分餾值為0.2‰，且各個器官間的組成幾乎沒有差異。猜測機理I植物富集輕鐵是因為在吸收鐵之前存在三價鐵還原過程，且植物體內存在的多個氧化還原過程擴大了分餾值；而機理 II植物螯合吸收鐵的過程中，PS的螯合作用會富集重鐵同位素；各植物器官間鐵同位素組成無差異是因為植物內不存在鐵的氧化還原過程，或者其鐵氧化還原過程是定量的。Guelke-Stelling et al.（2011）隨后采用沙培的方式，以EDTA-Fe(III)為鐵源分別種植典型機理I植物大豆和機理II植物燕麥，分4個生長期收割作物。鐵同位素的測定結果與之前的類似：大豆和燕麥均富集輕鐵，δ56Fe值從下至上依次減小，在種子中達到最小，為-2.5‰。而燕麥的δ56Fe為-0.5‰，各個器官間的鐵同位素組成差異很小。機理I植物的鐵同位素分餾趨勢相近，表明其同位素分餾與生長環(huán)境沒有直接關系，而燕麥的分餾值相對其他機理II植物增大可能是根吸收鐵之前存在還原過程。

Kiczka et al.（2010）測定了阿爾卑斯山3種植物的鐵同位素組成，其結果與Guelke et al.（2007）的略有差異：機理I和機理II植物均富集輕鐵，機理II的富集程度小于機理I植物。機理I植物總體鐵同位素分餾值Δ56Feplant-granite=-1.3‰，而機理 II植物僅僅富集 0.2‰的輕鐵，這個結果則與 Guelke（2007）的結果類似：機理I富集因子為-1.6‰，機理II為-0.2‰。不同的是本研究中兩種植物的內部均存在很大分餾。植物內部同位素組成最輕的為根中柱，Fe=-0.39‰，最重為皮層，Δ56Fe中柱-皮層=-4.5‰，可能是因為皮層質外體的鐵進入中柱之前被還原，同時伴隨著瑞利分餾過程（圖1中的過程⑤）。小糠草（Agrostis）和杜鵑花（Rhododendron）兩種植物的葉子在不同生長階段，分餾分別增加了0.5‰和0.8‰。機理II植物小糠草不同生長時期的花的同位素值變化最大，為 1.6‰。植物內鐵的重新運移過程是導致新老葉以及不同時期花之間鐵同位素分餾的原因：運移過程涉及配體轉化過程和氧化還原過程。根據測定值計算出的選擇性吸收導致的分餾值Δ56Feafteruptake-cortex=-1-（-1.7‰），這與鐵的異化還原過程導致的分餾值[-1-（-1.5‰）]（Johnson et al.，2008）很接近，猜測根部選擇性吸收主要涉及鐵的還原吸收過程。

這3項關于高等植物鐵同位素值的研究表明，機理I和機理II植物相對于土壤和培養(yǎng)液均富集輕鐵。但是這兩類植物在鐵同位素組成上各自有其不同特點：機理I植物總的輕鐵富集程度大于機理II植物，且機理I植柱內部在同位素組成上存在較大變異，而機理II植株內部在同位素組成上相對均一（圖 2）。目前認為造成兩類植物鐵同位素組成呈現較大差異的原因是機理 I植物通過還原途徑吸收鐵，而機理II植物通過螯合過程吸收鐵，且鐵形態(tài)在植物內部不會發(fā)生變化。這些目前都只是猜想，未來的研究應該綜合植物的生理過程來解釋鐵同位素的分餾機制。例如測定跟鐵還原過程和鐵螯合過程相關的基因的表達量來確定鐵吸收過程是否發(fā)生了鐵還原過程，如 OsFRO（鐵還原基因）和OsYSL（鐵螯合相關基因）基因的表達量。植物間分餾特征的差異除了跟植物類型有關之外，可能還跟鐵營養(yǎng)元素的生物可利用性有關。例如機理II途徑在螯合鐵的過程中富集的重鐵是相對于環(huán)境中可利用鐵的鐵同位素組成而言的，當環(huán)境的鐵同位素組成偏輕，則機理II植物仍有可能富集輕鐵同位素。因此解釋植物鐵同位素分餾機制時應該充分考慮環(huán)境中鐵元素的鐵同位素值和可利用性。

圖2 高等植物鐵同位素組成Fig. 2 Iron isotope composition of higher plants

3.2 水稻中鐵同位素分餾特征及機制

水稻由于兼具機理I和機理II途徑，其鐵同位素組成表現出了獨特的特征，這也表明鐵在水稻內的轉運過程有其特殊性。Arnold et al.（2015）分別測定了水稻在有氧和厭氧（落干和淹水）生長條件下莖葉和種子的鐵同位素組成。莖葉的Fe值分別為-0.32‰（厭氧）和-0.40‰（有氧），種子的Fe值分別為-0.39‰（厭氧）和-0.23‰（有氧）。雖然同位素組成在兩種培養(yǎng)條件下沒有顯著的變化，但是在分餾趨勢上可以觀察到微小變化：厭氧培育時，水稻種子相對于莖葉富集輕鐵（Δ56Fegrain-shoot=-0.06‰），而在有氧培育條件下，種子相對于莖葉富集重鐵（Δ56Fegrain-shoot=0.14‰）。造成這種微小差異的原因可能是制樣和測定的誤差導致的，也有可能是水稻的生長條件改變導致的?？紤]到土壤中鐵形態(tài)的改變可能誘導水稻采用不同的鐵吸收機制，且本研究中缺少水稻植株的鐵濃度變化數據，無法得知培養(yǎng)條件的改變是否影響水稻植株對鐵元素的獲取，因此進一步更加詳盡的研究還有待開展。

Garnier et al.（2017）詳細測定了土壤-水-水稻體系的鐵同位素組成，揭示了水稻獨特的鐵同位素組成，如圖3所示。不同于以往機理II植物少量富集輕鐵的研究結果，水稻植株內部鐵的分餾可以達到-0.821‰，暗示水稻內鐵的吸收轉運機制可能不同于典型的機理 II植物（燕麥），可能是因為水稻可以像機理I植物一樣吸收Fe2+，擁有獨特的鐵吸收轉運過程。土壤-水-水稻體系中，鐵同位素組成最輕的為孔隙水，Fe=-1.377‰，同位素組成最重的為鐵膜，Fe=0.867‰，而植物整體偏輕，猜測鐵膜作為鐵庫為水稻提供鐵營養(yǎng)，且輕鐵進入水稻而重鐵留在鐵膜中（圖 1中的過程④）。鐵膜活化主要依靠螯合機制，因而機理II可能是水稻吸收鐵的主要機制。鐵膜的主要礦物成分為水鐵礦，鐵膜與孔隙水之間的分餾值 Δ56Feiron plaque-Fe(II)aq2.24‰，這個分餾值遠遠大于文獻報道的水鐵礦沉淀導致的分餾值1.5‰（圖1中的過程②），同時亞鐵氧化形成水鐵礦物的分餾值也在 1.5‰左右，似乎鐵膜的形成無法用單一的機理來解釋，可能涉及還原、氧化和沉淀等多個過程。水稻植株中，鐵同位素組成最輕的為種子，δ56Fe=-0.462‰，鐵從根到達種子的過程中，會經歷配體和價態(tài)的雙重變化，正是這些變化過程導致了鐵同位素在水稻內的分餾，因此清楚鐵在水稻內的形態(tài)變化過程以及這些過程導致的分餾效應對于解釋水稻鐵同位素組成變化顯得十分重要（參考圖1）。

圖3 土壤-水-水稻體系鐵同位素組成（引自Garnier et al., 2017）Fig. 3 Iron isotope composition of soil-water-rice system (Cited from Garnier et al., 2017)

本研究初次較全面地測定了土壤-水-水稻體系的鐵同位素組成，為揭示鐵的循環(huán)過程提供了新的角度。但是本研究只是孤立地測定了水稻各組織的鐵同位素組成，為了能更好地理解某一轉運過程（如根與莖）導致的鐵同位素分餾效應，應該運用質量平衡計算的方法來計算這一過程的鐵同位素分餾效應，從而理解其鐵轉運機理。同時為了更加深入得解釋水稻鐵同位素機制，還可以結合水稻內諸如鐵形態(tài)和價態(tài)的變化等生理過程來解釋鐵同位素數據，具體分析過程如下：

結合Moynier et al.（2013）的理論計算結果，僅改變鐵元素所螯合的配體就可以導致 1.5‰的分餾：且 PS（phytosiderophore）、NA（nicotianamine）和 citrate間螯合重鐵的能力依次為PS＞NA＞citrate。而配體改變加上價態(tài)變化，分餾效應可以達到3‰：Δ56FeFe(II)理論計算結果僅代表單個的轉運過程，但是在水稻等植物中，運輸過程往往都是復合轉運過程，所以實際測定的分餾值代表的是多個轉運過程的累積分餾效應。且水稻各器官是開放體系，也就意味著轉運過程中導致的分餾效應不會被一直保存在轉運的器官中，各個器官記錄的是一定時空尺度內的累積分餾效應。已有的研究表明水稻木質部中鐵主要以鐵(III)-檸檬酸復合物形式存在，鐵從木質部運輸到韌皮部需要依靠NA作為穿梭體（Von Wiren et al.，1999）（圖1中的過程⑨），由于NA相對于檸檬酸螯合重鐵同位素（Δ56FeFe(II)-nicotianamine-Fe(II)-citrate?1‰），因此進入韌皮部的為重鐵。鐵在植物內從根運往地上部的過程中，節(jié)和葉中會存在木質部和韌皮部之間的鐵轉運過程，且重鐵進入韌皮部，輕鐵留在木質部。水稻進入生殖生長階段后，水稻根系退化，新葉和種子的鐵主要通過韌皮部由老葉供給，特別是種子由于幾乎沒有蒸騰拉力作為動力，鐵無法通過木質部獲得，幾乎全部通過韌皮部獲得（圖1中的過程⑩）。老葉中的鐵主要以鐵(III)-ITP復合物形式存在，活化進入新葉和種子的過程需要檸檬酸和尼克酰胺可以作為配體去運輸鐵，而ITP相對檸檬酸和尼克酰胺明顯富集重鐵，因此從老葉重新活化進入新葉和籽粒的鐵為輕鐵。特殊的是，PS作為一種具有強螯合能力的配體，只存在于機理II植物中，這也許能解釋為何機理II植物相對機理I植物更加富集重鐵。

4 展望

鐵同位素方法為研究稻田體系鐵的生物地球化學行為提供了全新的手段。鐵同位素分餾行為可以反映水稻土的發(fā)育過程和特征，可以用來反演水稻土鐵的生物地球化學過程，為土壤-水稻間以及水稻內部鐵元素遷移機制提供了重要的科學依據。已有的研究表明氧化還原過程對土壤鐵同位素組成的影響最大，但是在特定的土壤中，Eh變化、有機質含量、總鐵含量的影響都可以超過氧化還原過程，因此解釋土壤鐵同位素組成時，應測定其主要化學性質，了解其發(fā)育背景，完善鐵同位素分餾機制的理解。但是，要將鐵同位素方法成熟地應用于鐵生物地球化學行為研究還有諸多問題需要解決。

（1）清楚各個儲庫的鐵同位素組成和同位素分餾機理是用鐵同位素方法失蹤鐵地球化學行為的基礎。目前已經測定了稻田體系的鐵同位素組成，也摸清了大量的鐵同位素分餾過程和機理。但是水稻各部分的鐵同位素值只是得到了初步測定，且由于鐵在水稻各部位的形態(tài)存在差異，因此如何制備具有代表性的植物樣品對于解釋鐵的轉運過程具有重要意義。例如在日后的研究中，應該盡量細致地測定具有同一形態(tài)鐵的組織，例如分離葉片的葉肉細胞和葉脈；分別提取莖中的木質部和韌皮部汁液進行鐵同位素值得測定。

（2）目前只是測定了水稻各部位的鐵同位素值，但是這只能代表一定時間內累計的鐵同位素分餾效應。為了更好地理解不同組織之間鐵轉運過程導致的鐵同位素分餾效應，還應該利用質量平衡計算的方法來理解組織之間單個轉運過程的鐵同位素分餾機制。

（3）水稻鐵同位素分餾效應除了受到平衡分餾過程的影響外，也有可能受到動力學平衡過程的影響。因此為了計算稻田體系動力學分餾效應，可以通過測定不同生長期的水稻樣品（不同時期的水稻吸收的鐵的比重不一樣）的鐵同位素組成來判斷水稻鐵同位素組成是否受到生長過程的影響，且可以計算動力學分餾系數。

（4）由于鐵是變價元素，除了價態(tài)的變化，還會伴隨配體改變等形態(tài)的變化。多個氧化還原過程的疊加，以及鐵存在形態(tài)的改變，均會加深我們理解其分餾機理的難度。因此日后的研究應該集合同步輻射、紅外光譜分析等手段來分析鐵在水稻內的形態(tài)和價態(tài)，從而為鐵同位素分餾機制提供多個角度的分析。