程金平，劉曉剛，于學(xué)然，薛欣月，馬嘉欣，羅成科，田 蕾，楊淑琴，馬天利，李培富

(寧夏大學(xué) 農(nóng)學(xué)院/寧夏優(yōu)勢(shì)特色作物現(xiàn)代分子育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏 銀川 750021)

鐵是人體中血紅蛋白和輔酶 B等多種酶的催化劑，也是生物體能量代謝、生長(zhǎng)發(fā)育的必需元素[1]。鐵在人體中有2種存在形式，其中65%的鐵以血紅蛋白的形式存在于紅細(xì)胞中，10%的鐵以肌紅蛋白和酶的形式存在于肌肉中，其余的鐵存在于肝、脾等組織器官中[2]。貧血、呼吸急促、心跳加速以及嗜睡等癥狀主要是由于無法供給細(xì)胞足夠的氧氣，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)血紅蛋白含鐵量降低而引起的[3]。世界衛(wèi)生組織(WHO)研究微量元素對(duì)人體健康的影響，發(fā)現(xiàn)人類缺鐵癥狀加重，尤其是孕婦和兒童約占缺鐵總?cè)藬?shù)的50%[4]。

水稻(OryzasativaL.)是我國(guó)三大糧食作物之一[5]。但是水稻中的微量元素相對(duì)缺乏，容易使人體患微量元素缺乏癥。因此，水稻的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)對(duì)人體健康至關(guān)重要。雖然人們可以通過各種強(qiáng)化鐵食物和藥劑來緩解鐵素缺乏癥，但是在貧困地區(qū)依然面臨成本高的問題。因此，有學(xué)者認(rèn)為，改善人們膳食結(jié)構(gòu)是最經(jīng)濟(jì)的一種補(bǔ)鐵方式[6-8]。深入開展富鐵水稻品種選育工作，提高稻米中的鐵含量,對(duì)于人們?nèi)粘ｈF補(bǔ)充及緩解鐵缺乏癥具有重要作用。自從1992年開始檢測(cè)土壤對(duì)禾谷類作物鐵含量的影響以來[9]，以水稻為主的禾谷類作物籽粒鐵含量成了國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者的研究熱點(diǎn)，并在富鐵種質(zhì)的篩選及生物有效性方面取得了突破性的進(jìn)展。從我國(guó)土壤中鐵含量、水稻鐵含量遺傳差異、水稻鐵含量與水稻農(nóng)藝性狀的相關(guān)性、水稻鐵含量相關(guān)QTL(Quantitative trait locus)及基因和水稻鐵元素吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制等方面進(jìn)行了綜述，為富鐵水稻育種提供理論依據(jù)。

1 土壤中鐵的含量

地殼中的鐵含量大約為5%，在巖石圈其含量居第四位。鐵元素主要以亞鐵離子(Fe2+)的形態(tài)被植物吸收利用。2004年孟凡花等[9]研究發(fā)現(xiàn)，土壤中鐵含量為10～200 g/kg，平均為32 g/kg，而鐵在植物體內(nèi)的含量甚少，只有50 mg/kg，原因主要是鐵在土壤中以化合物的形式存在，如氫氧化物、氧化物和磷酸鹽。2012年SPEROTTO等[10]發(fā)現(xiàn)，土壤有效鐵含量低是由于鐵吸附在土壤顆粒上轉(zhuǎn)化為不溶性顆粒以及過度使用肥料造成的。2019年，ZHANG等[11]研究表明，植物對(duì)鐵的吸收效率主要取決于土壤pH值的高低，高pH值誘導(dǎo)的根表面鐵斑的沉積抑制了水稻對(duì)鐵的跨膜吸收，致使土壤中的鐵遠(yuǎn)不能滿足水稻生長(zhǎng)發(fā)育需求。為提高土壤中有效鐵含量，建議進(jìn)行鐵肥的使用和含鐵改良劑的使用，其中含鐵改良劑是目前使用最多的一種土壤改良劑，它主要通過吸附土壤重金屬、向根際釋放氧氣、將運(yùn)輸?shù)礁档腇e2+氧化為Fe3+形成鐵氧化物或者氫氧化物沉淀的作用來增加土壤有效鐵含量[12-13]。

2 水稻鐵含量遺傳差異

2.1 水稻籽粒不同部位鐵含量的遺傳差異

水稻籽粒不同部位鐵含量差異明顯。劉杰等[14]研究表明，水稻籽粒各部位鐵含量由高到低依次是稻糠、稻殼、糙米、精米。王雪艷等[15]研究發(fā)現(xiàn)，稻糠、稻殼、糙米、精米鐵含量分別為8.6%～43.0%、3.9%～9.5%、0.2%～5.2%、0.2%～2.8%，由此可知，大米在加工過程中鐵含量明顯下降，損失的鐵含量占全鐵含量的60%。周崇松等[16]研究認(rèn)為，鐵含量以穎殼最高，糙米次之，精米最低，穎殼中鐵含量是精米鐵含量的7倍。趙則勝等[17]發(fā)現(xiàn)，上農(nóng)香糯精米中鐵含量為 4.44 mg/kg，顯著低于糙米。如果要補(bǔ)鐵，以糙米加工食品為宜。因此，在加工精米的過程中，稻殼的利用價(jià)值較高，應(yīng)該考慮綜合有效利用。

2.2 不同地區(qū)水稻鐵含量的遺傳差異

水稻的生長(zhǎng)發(fā)育受土壤母質(zhì)、氣候因子、田間管理等因素的影響，不同地區(qū)水稻中鐵含量不同。江川等[18]分析來源于不同產(chǎn)地的稻米，發(fā)現(xiàn)不同產(chǎn)地稻米中鐵含量存在明顯的地理差異。王輝[19]分析外引水稻品種和寧夏回族自治區(qū)地方水稻品種，發(fā)現(xiàn)不同產(chǎn)地水稻籽粒鐵含量差異較大，79份外引水稻品種籽粒鐵含量為7.75～80.93 mg/kg，23份寧夏回族自治區(qū)本地水稻籽粒鐵含量為9.75～48.44 mg/kg。LIANG等[20]測(cè)定了56份來自國(guó)內(nèi)外的水稻糙米鐵含量，發(fā)現(xiàn)我國(guó)和越南水稻品種鐵含量變幅較大，為9～45 mg/kg。吳敬德等[21]對(duì)8份從國(guó)際水稻研究所引進(jìn)的水稻種質(zhì)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)與安徽省本地品種相比，有2個(gè)菲律賓水稻品種鐵含量較高，分別為42.86 mg/kg和36.28 mg/kg。劉憲虎等[22]對(duì)來自北京市、吉林省、云南省和廣西壯族自治區(qū)的115份水稻品種的糙米進(jìn)行鐵含量分析，發(fā)現(xiàn)來自不同地區(qū)的水稻品種糙米鐵含量差異較大。因此，研究水稻品種與環(huán)境之間的關(guān)系是提高水稻品質(zhì)的有效途徑。

2.3 不同基因型水稻品種鐵含量的遺傳差異

水稻籽粒中鐵含量受品種、氣候因素和人工選擇等條件的影響，不同基因型水稻品種鐵含量差異較大。文建成等[23]對(duì)來自韓國(guó)的91份雜草稻和來自云南農(nóng)業(yè)大學(xué)稻作研究所的195份粳稻進(jìn)行鐵含量分析，發(fā)現(xiàn)雜草稻和粳稻部分基因型中鐵含量是云南省推廣品種的2倍，并且雜草稻的鐵含量顯著高于粳稻。邵源梅等[24]研究發(fā)現(xiàn)，不同水稻品種糙米鐵含量差異明顯，糯稻對(duì)鐵的吸收和積累能力高于非糯米稻和軟米稻，三者鐵含量分別是8.92 mg/kg、7.01 mg/kg和6.67 mg/kg。郭詠梅等[25]對(duì)162份不同類型水稻種質(zhì)進(jìn)行鐵含量測(cè)定，發(fā)現(xiàn)162份水稻種質(zhì)鐵含量差異明顯。

3 水稻鐵含量與水稻農(nóng)藝性狀及其他礦質(zhì)元素的相關(guān)性

3.1 水稻籽粒中鐵含量與粒形、株高和千粒質(zhì)量的相關(guān)性

籽粒中鐵含量與粒形、株高和千粒質(zhì)量有一定的相關(guān)性。ZHANG等[26]用禾本科種子數(shù)量性狀遺傳模型研究發(fā)現(xiàn)，粒形與鐵含量存在較明顯的相關(guān)性，其中，粒長(zhǎng)對(duì)鐵含量有極顯著的直接加性效應(yīng)。曾亞文等[27]研究發(fā)現(xiàn)，云南省水稻種質(zhì)資源鐵含量與粒厚呈顯著負(fù)相關(guān)。陳秀晨等[28]用秈型兩系不育系綠102S、KD36S、7HS012和7HS013為母本、秈型水稻綠旱1號(hào)為父本雜交所得的后代為材料，研究鐵含量與其他農(nóng)藝性狀的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)鐵含量與株高和結(jié)實(shí)率均呈負(fù)相關(guān)，且與結(jié)實(shí)率的相關(guān)性達(dá)到顯著水平，但是與其他性狀為正相關(guān)，其中與千粒質(zhì)量的相關(guān)性達(dá)到顯著水平。

3.2 水稻籽粒中鐵含量與其他礦質(zhì)元素含量的相關(guān)性

礦質(zhì)元素含量是衡量水稻品種優(yōu)劣的要素之一，有關(guān)學(xué)者已經(jīng)證實(shí)鐵含量與其他元素含量有一定的相關(guān)性。HUANG等[29]研究發(fā)現(xiàn)，糙米中鐵含量與鋅含量存在顯著的正相關(guān)關(guān)系。GARCIA等[30]采用電感耦合離子體質(zhì)譜法(ICAP)測(cè)定了85個(gè)雜交秈稻品系中鐵、鋅、錳、銅、鈣等元素的含量，發(fā)現(xiàn)鐵含量與鋅、錳、鈣含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系。楊志偉等[31]選用155 份粳稻種質(zhì)資源進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)籽粒鋅含量與鐵含量呈極顯著正相關(guān)。

3.3 水稻籽粒中鐵含量與其他性狀的相關(guān)性

水稻籽粒鐵含量與稻米顏色、水稻品種等存在一定的聯(lián)系。KOH等[32]研究結(jié)果表明，黑米色素沉積性狀隨著水稻中鐵含量增加而增加。呂文英[33]研究發(fā)現(xiàn)，水稻籽粒中鐵含量與粒色有一定的相關(guān)性，黑米鐵含量最高，紅米次之。肖國(guó)櫻等[34]研究指出，水稻的抗倒伏性與水稻鐵含量呈正相關(guān)。GREGORIO等[35]研究發(fā)現(xiàn)，水稻香味與鐵含量有一定的相關(guān)性。而YANG等[36]研究發(fā)現(xiàn)，精米中鐵含量與食味值無顯著相關(guān)性。

4 水稻鐵含量相關(guān)QTL及基因

自1994年起，國(guó)際水稻研究所開始富鐵水稻的培育研究并且取得了突破性進(jìn)展，主要育種方法包括雜交育種、基因工程育種和分子標(biāo)記育種[37]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，研究人員已經(jīng)從分子遺傳學(xué)方面研究了水稻富鐵機(jī)制，并通過分子育種手段選育出了富鐵水稻材料。

4.1 水稻鐵含量相關(guān)QTL

控制水稻鐵含量的QTL分布在12條染色體上，見表1。鐘林[38]利用香稻保持系川香29B與美國(guó)光身稻品種Lemont構(gòu)建的重組自交系(184個(gè)家系)為材料，在第7染色體上檢測(cè)出1個(gè)控制鐵含量的QTL，LOD值為3.56，貢獻(xiàn)率為8.75%。王輝[19]以京香1號(hào)/寧農(nóng)黑粳雜交F2群體172個(gè)株系為試驗(yàn)材料，利用130個(gè)SSR標(biāo)記繪制覆蓋水稻基因組3 183 cM、標(biāo)記間平均距離為24.48 cM的遺傳連鎖圖譜，檢測(cè)出3個(gè)控制鐵含量的QTL，位于第4染色體上，聯(lián)合貢獻(xiàn)率為35%。SHILPI等[39]使用RP-Bio226/Sampada回交的BC2F5群體及108個(gè)SSR標(biāo)記繪制出覆蓋水稻基因組2 317.5 cM、標(biāo)記間平均距離為21.5 cM的遺傳連鎖圖譜，發(fā)現(xiàn)控制鐵含量的QTL位于第1染色體上，LOD值為10.0，貢獻(xiàn)率為17.1%。GARETH等[40]使用Bala/Azucena雜交的重組自交系群體，利用164個(gè)SSR標(biāo)記構(gòu)建了一個(gè)覆蓋水稻12條染色體1 833 cM的遺傳連鎖圖譜，對(duì)田間生長(zhǎng)的水稻群體葉片和籽粒進(jìn)行礦質(zhì)元素含量分析，發(fā)現(xiàn)了控制鐵、鋅等17個(gè)礦質(zhì)元素的QTL,其中在葉片中檢測(cè)到1個(gè)與鐵含量相關(guān)的QTL，位于第6染色體上，貢獻(xiàn)率為12.4%。ANURADHA等[41]以Madhukar/Swarna衍生的重組自交系群體對(duì)控制水稻鐵含量的QTL進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)1個(gè)控制鐵含量的QTL，位于第12染色體上，貢獻(xiàn)率為71%，LOD值為33.8。崔文剛[42]以香黑糯195/中花紫香糯雜交F2群體188個(gè)單株研究控制水稻籽粒鐵含量的QTL，發(fā)現(xiàn)控制水稻籽粒鐵含量的QTL位于第1和第2染色體上，貢獻(xiàn)率在4.41%～17.63%。孫明茂[43]以龍錦1號(hào)/香軟米1578雜交后代196個(gè)株系為材料進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)控制水稻籽粒鐵含量的QTL位于第2、4、5、6、8、9、11染色體上，貢獻(xiàn)率在3.57%～5.75%。黃瑩瑩等[44]以紅香1號(hào)/松98-131的F2:3家系140個(gè)株系為材料進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)2個(gè)控制水稻籽粒鐵含量的QTL，分別位于第3、7染色體上，貢獻(xiàn)率分別為13.73%、8.84%。LU等[45]以Zhengshan 97/Minghui 63雜交后代為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)控制水稻籽粒鐵含量的QTL位于第10染色體上，貢獻(xiàn)率為8.56%。 SWAMY等[46]以IRGC81832/IRGC81848雜交產(chǎn)生的后代群體為研究材料，定位到1個(gè)控制水稻籽粒鐵含量的QTL，位于第12染色體RM19—RM247標(biāo)記間，貢獻(xiàn)率為5%。

表1 水稻鐵含量相關(guān)QTL

4.2 水稻鐵含量相關(guān)基因

從1992年開始研究鐵元素以來[9]，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了很多水稻鐵含量相關(guān)基因，且大部分主要集中在根、莖、胚乳和葉中[41]。DATFA等[47]將鐵蛋白基因轉(zhuǎn)入水稻胚乳中，獲得鐵蛋白基因穩(wěn)定高效表達(dá)的水稻材料。VASCONCELS等[48]將胚乳鐵蛋白特異性啟動(dòng)子基因?qū)刖局校l(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因水稻精米中鐵含量是非轉(zhuǎn)基因水稻精米的3倍，達(dá)到71.0 mg/kg。YAN 等[49]發(fā)現(xiàn)一個(gè)可增加根中鐵含量的基因OsARF12(Auxin response factor 12)，敲除OSARF12基因水稻根中線粒體鐵調(diào)控基因OsMIR(Mitochondrial iron-regulated)、鐵調(diào)控的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1基因OsIRT1(Iron-regulated transporter 1)和胚后短根1基因OsSPR1(Short postembryonic root 1)表達(dá)量降低，最終導(dǎo)致水稻根中鐵含量降低。SAIVISHNUPRIY 等[50]鑒定出1個(gè)位于水稻第7染色體上的特異性金屬基因OsHMA7(Heavy metal ATPase 7)，它被預(yù)測(cè)編碼一個(gè)包含163個(gè)氨基酸的小型重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，在OsHMA7表達(dá)下調(diào)的情況下水稻籽粒鐵含量降低。另外，水稻IRT1和IRT2基因在根和莖中表達(dá)，主要負(fù)責(zé)鐵的轉(zhuǎn)運(yùn)[51]。因此，挖掘控制水稻鐵含量相關(guān)基因具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

5 水稻鐵元素吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制

水稻鐵元素的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。目前，已經(jīng)成功克隆水稻鐵元素吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)基因。ROMHELD等[52]于1986年首先提出水稻主要依靠螯合機(jī)制吸收鐵元素，螯合機(jī)制的作用原理是在水稻根系分泌麥根類植物高鐵載體(MAs)。MAs是水稻根系分泌的一類次生代謝產(chǎn)物，包括麥根酸(MA)、2′-脫氧麥根酸(2′-deoxymugineic acid, DMA)、3-羥基麥根酸(3-epihydroxymugineic acid, epiHMA)等多種成分[53]。MAs依靠輸出轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白 OsTOM1(Transporter of mugineic acid family phytosiderophores 1)[54]和OsTOM2(Ttransporter of mugineic acid family phytosiderophores 2)[55]運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞外螯合游離的Fe3+?，F(xiàn)在已經(jīng)初步闡明了水稻 MAs的合成途徑，起始產(chǎn)物L(fēng)-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]，隨后在煙酰胺合成酶(Nicotianamine synthase, NAS)的作用下將SAM三聚化成NA(Nicotianamine)[57]，NA在煙酰胺氨基轉(zhuǎn)移酶(Nicotianamine aminotransferase,NAAT)催化下生成3-酮基，隨后由脫氧麥根酸合成酶(Deoxymugineic acid synthase, DMAS)催化生成 DMA。DMA 是第一個(gè)合成的MAs，其在催化羥化雙加氧酶IDS2、IDS3[58-61]的作用下生成其他形式的 MAs。

水稻體內(nèi)的鐵主要以螯合物和鐵蛋白的形式存在，通過木質(zhì)部和韌皮部運(yùn)輸?shù)剿静煌课?，木質(zhì)部將鐵運(yùn)輸?shù)嚼先~，韌皮部將鐵運(yùn)輸?shù)接兹~。在木質(zhì)部運(yùn)輸鐵過程中，鐵與檸檬酸螯合形成螯合物。水稻根中的鐵主要依靠OsFRDL1(Ferric reductase defective like 1)來運(yùn)輸，它屬于多藥及毒性化合物外排家族，是檸檬酸的轉(zhuǎn)運(yùn)子，OsFRDL1基因敲除突變體osfrdl1葉片失綠，最終死亡，但根部鐵含量上升[62]。水稻體內(nèi)還存在能分解、螯合Fe3+，并且將其還原為Fe2+的物質(zhì)，如原兒茶酸(PCA)和咖啡酸(CA)等[63]。OsPEZ1(Phenolics efflux zero 1)基因突變體木質(zhì)部溶液中PCA和CA濃度降低，該基因主要作用是轉(zhuǎn)運(yùn)PCA進(jìn)入到木質(zhì)部，使體內(nèi)鐵含量增加[64]。水稻根部負(fù)責(zé)鐵元素吸收的代表基因是OsYSL15(Yellow stripe-like 15)，但是OsYSL15基因也在維管束組織中存在，說明該基因在韌皮部運(yùn)輸鐵的過程中發(fā)揮重要作用[65]。

6 展望

鐵對(duì)人體健康非常重要，水稻是重要的糧食作物，因此，水稻富鐵研究關(guān)系人類健康。目前，我國(guó)對(duì)水稻各部位鐵含量研究較清楚，但是對(duì)鐵在水稻產(chǎn)量形成、改善品質(zhì)和抗逆性等方面的作用研究較少，今后研究可以從以下幾個(gè)方面入手：基于水稻各生育時(shí)期干物質(zhì)積累，探討鐵在水稻生長(zhǎng)發(fā)育階段發(fā)揮的作用；研究鐵元素與其他礦質(zhì)元素的互作效應(yīng)；對(duì)鐵在水稻抗性方面的作用進(jìn)行研究、探討。

在水稻鐵元素的遺傳學(xué)研究上，前人的研究使人們有了深刻的認(rèn)識(shí)，但是為了進(jìn)一步了解水稻體內(nèi)的鐵含量相關(guān)主效基因，有必要挖掘更多尚未發(fā)現(xiàn)的QTL。由于 QTL 的主效應(yīng)和上位效應(yīng)對(duì)數(shù)量性狀的遺傳具有重要作用，且 QTL 簇內(nèi)不同 QTL 對(duì)同一性狀和相關(guān)性狀的遺傳效應(yīng)和作用方式都可能存在差異，研究不同 QTL 在水稻鐵含量遺傳控制上的互作關(guān)系和綜合效應(yīng)具有重要的遺傳學(xué)和育種學(xué)意義。在現(xiàn)有的雜交育種和基因工程育種的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)對(duì)控制鐵含量的QTL進(jìn)行全基因組關(guān)聯(lián)分析(GWAS)，在控制鐵含量的QTL初步定位的基礎(chǔ)上，對(duì)效應(yīng)較大、貢獻(xiàn)率較高的QTL進(jìn)行精細(xì)定位，尋找與鐵含量相關(guān)的候選基因，并進(jìn)行克隆及功能分析，為水稻富鐵品種的分子標(biāo)記輔助選擇育種奠定基礎(chǔ)。