黃 俊, 張育維, 汪 洪

(1.安徽省桐城市種植業(yè)管理中心 安徽桐城 231400;2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/國(guó)家化肥質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)中心〔北京〕/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全肥料源性因子風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估實(shí)驗(yàn)室〔北京〕 北京 100081)

0 前言

鐵是一種金屬元素,原子序數(shù)為26,平均相對(duì)原子質(zhì)量為55.845,常見(jiàn)價(jià)態(tài)有0 價(jià)、+2 價(jià)、+3 價(jià)。 Fe(Ⅱ)作為電子供體,Fe(Ⅲ)作為電子受體,參與眾多氧化還原的生化反應(yīng)。 鐵是人體必需的微量元素,是人體血紅蛋白、肌紅蛋白、血紅素酶或非血紅素化合物等的重要組成,參與氧的運(yùn)輸和貯存及多種金屬酶的合成,調(diào)節(jié)組織呼吸,防止疲勞,促進(jìn)人體生長(zhǎng)、神經(jīng)發(fā)育,增強(qiáng)人體免疫力[1-2]。 聯(lián)合國(guó)在《2030 年可持續(xù)發(fā)展議程》中提出的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)(SDGs) 的第二項(xiàng)(SDG-2)“零饑餓”目標(biāo),旨在通過(guò)獲得安全營(yíng)養(yǎng),到2030 年結(jié)束所有形式的饑餓和營(yíng)養(yǎng)不良[3],但糧食不安全和營(yíng)養(yǎng)不良仍是全球面臨的最大挑戰(zhàn)。 根據(jù)聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織等發(fā)布的《2022 年世界糧食安全和營(yíng)養(yǎng)狀況》,2021 年全球有7.02 億～8.28 億人陷入饑餓,預(yù)計(jì)到2030 年全世界仍將有近6.7 億人(占全球總?cè)丝诘?%)面臨饑餓,發(fā)展中國(guó)家特別是人口大量增加的非洲和南亞地區(qū)的情況較為嚴(yán)重[4]。

鐵是植物生長(zhǎng)發(fā)育必需的微量元素,參與植物體內(nèi)葉綠素合成、光合作用、電子傳遞等生理代謝過(guò)程[5]。 第一次農(nóng)業(yè)綠色革命提高了谷類作物的產(chǎn)量,增加了全球糧食供給,但忽視了糧食品質(zhì)對(duì)環(huán)境和人體健康的影響,出現(xiàn)了“隱性饑餓”問(wèn)題,即微量元素營(yíng)養(yǎng)無(wú)法滿足人體需求,尤其是鐵、鋅、維生素A 等缺乏[6-7]。 發(fā)展中國(guó)家低收入貧困家庭多以禾谷類籽粒為主要食品,谷類作物的微量元素不僅含量較低,而且大多數(shù)鐵、鋅等聚集在谷物籽粒的糊粉層中,在糧食加工過(guò)程中因糊粉層的分離導(dǎo)致?lián)p失[8]。 另外,作物籽粒中富含植酸,容易與鐵、鋅等結(jié)合形成不溶配合物,而人體消化系統(tǒng)缺少植酸水解酶,影響對(duì)鐵等微量元素的吸收。 因此,在以谷物為主食、經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)能力較弱的發(fā)展中國(guó)家人群中普遍存在鐵、鋅等微量元素缺乏問(wèn)題[9]。 “隱性饑餓”會(huì)削弱免疫系統(tǒng),使人們?nèi)菀资艿礁篂a威脅、病毒感染,兒童容易出現(xiàn)發(fā)育遲緩、失明、貧血等癥狀;全球近5 億15～49 歲的女性患有衰弱性貧血,缺鐵是主要原因。 因營(yíng)養(yǎng)不良(包括蛋白質(zhì)和熱量攝入不足以及微量營(yíng)養(yǎng)素缺乏)導(dǎo)致整個(gè)非洲的經(jīng)濟(jì)損失平均占國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)的11%[10]。 本文就人體鐵素?cái)z入與人體健康、生物強(qiáng)化與作物鐵肥施用等方面的研究進(jìn)行了綜述。

1 鐵與人類健康

人體鐵營(yíng)養(yǎng)的維持與人體內(nèi)鐵含量密切相關(guān),缺鐵會(huì)導(dǎo)致人出現(xiàn)疲勞和虛弱、認(rèn)知和免疫系統(tǒng)受損、智力發(fā)育不良等問(wèn)題[11-12]。 缺鐵是人體貧血的主要原因,缺鐵性貧血(IDA)是全世界最普遍的營(yíng)養(yǎng)缺乏癥,影響到全球33%的非孕婦、40%的孕婦和42%的兒童[13]。 估計(jì)超過(guò)60%的全球人口存在缺鐵或潛在缺鐵的問(wèn)題,其中約25%的人口存在嚴(yán)重的缺鐵性貧血問(wèn)題[14-15]。 缺鐵風(fēng)險(xiǎn)較高的人群是學(xué)齡前兒童和育齡婦女,鐵營(yíng)養(yǎng)不良是2019 年全球0 ～9 歲、10～24 歲人群殘疾調(diào)整生命年(DALYs)的主要風(fēng)險(xiǎn)因素,因素排序分別為第7 位和第8 位[16]。 亞洲開(kāi)發(fā)銀行和聯(lián)合國(guó)兒童基金會(huì)(UNICEF)的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn),缺鐵性貧血會(huì)導(dǎo)致從事繁重體力勞動(dòng)的工人生產(chǎn)力降低17%,從事中等體力勞動(dòng)的人群生產(chǎn)力降低5%[17]。 過(guò)量鐵離子造成人體“鐵濃化”,通過(guò)Fenton 反應(yīng)引發(fā)氧化性脅迫,發(fā)生非凋亡性細(xì)胞過(guò)度氧化壞死即鐵死亡(ferroptosis)[18]。

劉建欣等[19]開(kāi)展的Meta 分析結(jié)果顯示:我國(guó)0 ～14 歲兒童缺鐵性貧血患病率在2006—2010 年為 22.6%, 2011—2015 年為 21.9%,2016—2020 年下降至16.8%;88.7%的患病兒童表現(xiàn)為輕度貧血,11.3%的表現(xiàn)為中重度;西北、西南地區(qū)兒童患病率分別為31.9%、28.3%;農(nóng)村兒童患病率(25.6%) 遠(yuǎn)高于城市兒童的(9.1%)。 2015—2019 年,國(guó)家衛(wèi)生健康委員會(huì)中國(guó)疾病預(yù)防控制中心、國(guó)家癌癥中心、國(guó)家心血管病中心開(kāi)展了中國(guó)居民慢性病與營(yíng)養(yǎng)監(jiān)測(cè),覆蓋31 個(gè)省(區(qū)、市)近6 億人口,現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查超過(guò)60 萬(wàn)人,根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果編寫(xiě)了《中國(guó)居民營(yíng)養(yǎng)與慢性病狀況報(bào)告(2020 年)》。 該報(bào)告中我國(guó)18 歲及以上年齡居民貧血率為8.7%,6 ～17 歲兒童和青少年貧血率為6.1%,孕婦貧血率為13.6%,與2015 年相比均有顯著下降。 《國(guó)民營(yíng)養(yǎng)計(jì)劃(2017—2030 年)》要求到2020 年降低人群貧血率,其中5 歲以下兒童貧血率控制在12%以下,孕婦貧血率下降至15%以下,老年人群貧血率下降至10%以下,貧困地區(qū)人群貧血率控制在10%以下;到2030 年,進(jìn)一步降低重點(diǎn)人群貧血率,其中5 歲以下兒童和孕婦貧血率控制在10%以下。世界衛(wèi)生大會(huì)的目標(biāo)是期待到2025 年實(shí)現(xiàn)育齡婦女貧血率減少50%。

2 人體鐵營(yíng)養(yǎng)攝入

營(yíng)養(yǎng)是人體維持生命、生長(zhǎng)發(fā)育和健康的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。 世界衛(wèi)生組織(WHO)推薦的每日飲食鐵攝入量:5 歲以下兒童2 mg/kg(體質(zhì)量,下同),5～12 歲兒童30 mg/kg,育齡婦女60 mg/kg[20]。美國(guó)國(guó)家科學(xué)院醫(yī)學(xué)研究所(IOM)食品和營(yíng)養(yǎng)委員會(huì)(FNB)制定的膳食參考攝入量(DRI)中,提供了鐵和其他營(yíng)養(yǎng)素的攝入量建議[21]。 DRI 是一組參考值的總稱,用于規(guī)劃和評(píng)估健康人體的營(yíng)養(yǎng)攝入,因年齡和性別而異,包括:推薦膳食量(RDA),即每日平均攝入量足以滿足幾乎所有(97%～98%)健康個(gè)體的營(yíng)養(yǎng)需求,通常用于為個(gè)人制定營(yíng)養(yǎng)充足的飲食;充足攝入量(AI),即假設(shè)攝入量達(dá)到這一水平以確保營(yíng)養(yǎng)充足,通常在無(wú)法確定RDA 時(shí)使用;估計(jì)平均需求量(EAR),即估計(jì)每日平均攝入量水平,以滿足50%健康個(gè)體的需求,通常用于評(píng)估人群的營(yíng)養(yǎng)攝入,并為他們制定營(yíng)養(yǎng)充足的飲食,也可用于評(píng)估個(gè)體的營(yíng)養(yǎng)攝入;容許攝入量上限(UL),即不會(huì)對(duì)健康造成不良影響的每日最大攝入量。 美國(guó)居民膳食營(yíng)養(yǎng)推薦鐵攝入量和可耐受攝入量上限見(jiàn)表1。

表1 美國(guó)居民膳食營(yíng)養(yǎng)推薦鐵攝入量和可耐受攝入量上限mg/d

我國(guó)在《國(guó)民營(yíng)養(yǎng)計(jì)劃(2017—2030 年)》中建議,貧血、消瘦等營(yíng)養(yǎng)不良人群要在合理膳食的基礎(chǔ)上,適當(dāng)增加瘦肉類、奶蛋類、大豆和豆制品的攝入,保持膳食的多樣性,滿足身體對(duì)蛋白質(zhì)、鈣、鐵、維生素A、維生素D、維生素B12、葉酸等營(yíng)養(yǎng)素的需求;增加含鐵食物的攝入或者在醫(yī)生指導(dǎo)下補(bǔ)充鐵劑來(lái)糾正貧血。 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《中國(guó)居民膳食營(yíng)養(yǎng)素參考攝入量 第3 部分:微量元素》(WS/T 578.3—2017)于2017 年發(fā)布,其中中國(guó)居民膳食營(yíng)養(yǎng)參考鐵攝入量見(jiàn)表2。

表2 中國(guó)居民膳食營(yíng)養(yǎng)參考鐵攝入量

為改善人體的鐵營(yíng)養(yǎng)健康,發(fā)達(dá)國(guó)家采取的主要策略有飲食多樣化、強(qiáng)化食品和膳食補(bǔ)充劑[13,22-25]。 美國(guó)聯(lián)邦政府在《2020—2025 年美國(guó)人膳食指南》中指出:食物提供了一系列營(yíng)養(yǎng)素和其他有益健康的成分,營(yíng)養(yǎng)需求應(yīng)主要通過(guò)食物來(lái)滿足。 因此,飲食多樣化、多食富鐵食物,可增加人體對(duì)鐵的攝入。 食物中的鐵分為血紅素鐵和非血紅素鐵兩種形式,瘦肉、海鮮等是血紅素鐵的膳食來(lái)源[26],堅(jiān)果、豆類、蔬菜和強(qiáng)化谷物制品是非血紅素鐵的膳食來(lái)源[21,27-28]。 肉類、海鮮和維生素C 可提高非血紅素鐵生物利用度,混合飲食中鐵生物有效性為14%～18%,素食中鐵生物有效性為5%～12%[21,27-28]。 人體吸收非血紅素鐵通常較血紅素鐵困難,且受到食物中各種因素的影響,血紅素鐵生物利用率較高。 抗壞血酸、肉類、家禽和海鮮可增強(qiáng)非血紅素鐵吸收,植酸鹽(存在于谷物和豆類中)和某些非動(dòng)物性食物(如谷物和豆類)具有相反作用。 與其他鐵吸收抑制劑不同,鈣可能會(huì)降低非血紅素和血紅素鐵的生物利用。 主要農(nóng)作物和蔬菜是非血紅素鐵的良好來(lái)源,如綠葉蔬菜、豆類、堅(jiān)果和完整的谷物籽粒。植酸鹽、草酸鹽、單寧和鈣在腸中結(jié)合非血紅素鐵,會(huì)降低人體對(duì)鐵的吸收[29]。 藍(lán)豐穎等[29]采用多階段整群抽樣,抽取全國(guó)6 座城市、2 個(gè)農(nóng)村1 600 名3 ～12 歲的兒童進(jìn)行調(diào)查,結(jié)果發(fā)現(xiàn):鐵攝入量低于平均需要量(EAR)的兒童占17.4%,高于可耐受最高攝入量(UL)的占2.9%;對(duì)受訪兒童膳食鐵貢獻(xiàn)最大的食物為谷物和肉類;農(nóng)村兒童動(dòng)物源鐵的攝入比例顯著低于城市的。

(1)膳食補(bǔ)充劑,即在市場(chǎng)上銷售的含鐵補(bǔ)充劑。 14%～18%的美國(guó)人使用含鐵補(bǔ)充劑;含鐵補(bǔ)充劑的使用因年齡和性別存在差異,12 ～19 歲的青少年使用率為6%,哺乳期婦女的為60%,孕婦的為72%[30]。 補(bǔ)充劑中常用的鐵包括亞鐵和三價(jià)鐵鹽,如硫酸亞鐵、葡萄糖酸亞鐵、富馬酸亞鐵、乙二胺四乙酸鐵、檸檬酸鐵、硫酸鐵等。富馬酸亞鐵含鐵33%,硫酸亞鐵含鐵20%,葡萄糖酸亞鐵含鐵12%[31]。 因亞鐵鹽具有較高的溶解度,故膳食補(bǔ)充劑中亞鐵的生物利用率比三價(jià)鐵的高[27]。 高劑量補(bǔ)充鐵(超過(guò)45 mg/d)可能會(huì)導(dǎo)致胃腸道副作用,如惡心、便秘等[21]。 補(bǔ)充其他形式的鐵,如天然植物鐵蛋白、乳鐵蛋白、血紅素鐵多肽、羰基鐵、鐵氨基酸螯合物和多糖鐵復(fù)合物,對(duì)腸胃的副作用可能比亞鐵或鐵鹽小。 鈣可能會(huì)干擾鐵的吸收,盡管這種影響尚未確定,但一些專家建議不要同時(shí)服用鈣和鐵補(bǔ)充劑。

(2)食品強(qiáng)化工程。 美國(guó)、加拿大和許多其他國(guó)家在食品中添加鐵,開(kāi)展食品強(qiáng)化,銷售鐵強(qiáng)化的面粉,嬰兒配方奶粉中也可添加鐵[32]。 不同國(guó)家對(duì)鐵強(qiáng)化食品的規(guī)定有所不同。 在中國(guó),可可粉、嬰兒食品和鹽中允許加入硫酸亞鐵的最大劑量分別為11 ～12、300 ～500、3 000 ～6 000 mg/kg。在日本,可添加到食用橄欖油中的葡萄糖酸亞鐵的最大劑量為150 mg/kg[25]。

3 作物遺傳育種與鐵生物強(qiáng)化

藥物防治、食品防御及飲食多樣化等措施已在發(fā)達(dá)國(guó)家廣泛應(yīng)用并取得了良好的效果。 但發(fā)展中國(guó)家經(jīng)濟(jì)技術(shù)相對(duì)落后,政策扶持力度不足,食品和藥品防治作用有限,人群飲食習(xí)慣多以含鐵量較低的谷物類為主,導(dǎo)致在發(fā)達(dá)國(guó)家行之有效的措施在發(fā)展中國(guó)家并不能得到很好的實(shí)施。生物強(qiáng)化工程被認(rèn)為是一種安全、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定、有效的策略[33-35]。 在 Ross Welch 教授、 Robin Graham 教授和Howarth ″Howdy″ Bouis 博士等科學(xué)家的倡議下,2004 年國(guó)際農(nóng)業(yè)研究磋商委員會(huì)組織啟動(dòng)了HarvestPlus 計(jì)劃,即生物強(qiáng)化項(xiàng)目。該項(xiàng)目針對(duì)發(fā)展中國(guó)家人群鐵、鋅、維生素A 等微營(yíng)養(yǎng)普遍貧乏的狀況,旨在培育和推廣富含微量營(yíng)養(yǎng)元素的作物新品種,克服植物性食物中微量營(yíng)養(yǎng)元素不足的缺陷,提高膳食營(yíng)養(yǎng)水平。 美國(guó)比爾和梅林達(dá)·蓋茨基金會(huì)、美國(guó)國(guó)際開(kāi)發(fā)署、世界銀行和丹麥外交部國(guó)際發(fā)展署資助該項(xiàng)目,國(guó)際熱帶農(nóng)業(yè)中心和國(guó)際農(nóng)業(yè)政策研究所負(fù)責(zé)協(xié)調(diào),在全球特別是在發(fā)展中國(guó)家建立了研究聯(lián)盟進(jìn)行具體實(shí)施[35]。 實(shí)現(xiàn)生物強(qiáng)化的主要途徑是植物育種和農(nóng)藝栽培措施,提高糧食作物籽粒中微量元素的含量和生物有效性,提高作物可食用部分鐵含量,從而改善通過(guò)主食提供的鐵素營(yíng)養(yǎng)[34-36]。 遺傳育種的生物強(qiáng)化措施涉及基因工程和常規(guī)育種。 精米和小麥籽粒中的鐵含量生物強(qiáng)化目標(biāo)分別為13～15、59 mg/kg,而普通水稻的籽粒鐵含量低7.5 倍,普通小麥籽粒中的鐵含量?jī)H為20～40 mg/kg[37-39]。 HarvestPlus 計(jì)劃旨在通過(guò)作物育種研究項(xiàng)目,研發(fā)小麥、水稻和大豆等的新品種,鐵含量提高了10 mg/kg[40]。 HarvestPlus項(xiàng)目與國(guó)際干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究中心(ICARDA)合作開(kāi)發(fā)了鐵強(qiáng)化的扁豆品種[41],2010 年首次在孟加拉國(guó)和敘利亞上市,目前孟加拉國(guó)、印度、尼泊爾和敘利亞已經(jīng)發(fā)布了12 種富鐵扁豆;與國(guó)際半干旱熱帶作物研究所(ICRISAT)合作培育的富鐵小米,在印度和尼日爾已經(jīng)發(fā)布了2 種開(kāi)放授粉品種和9 種小米雜交種,鐵含量達(dá)到77 mg/kg,珍珠小米中鐵生物利用率達(dá)8%[42];研發(fā)了近60 個(gè)富鐵豆類品種,鐵含量比常規(guī)品種的高90%,產(chǎn)量也很高,并具有農(nóng)藝、口感和烹飪特性,在11 個(gè)國(guó)家得到推廣,定期食用可為育齡婦女和兒童提供80%的日鐵需求,迄今已在布隆迪、剛果民主共和國(guó)、盧旺達(dá)等非洲國(guó)家推廣了42 個(gè)品種,在玻利維亞、巴西、哥倫比亞、薩爾瓦多、危地馬拉、洪都拉斯、尼加拉瓜、巴拿馬等推廣了23 個(gè)品種[43]。 在盧旺達(dá)開(kāi)展的一項(xiàng)針對(duì)女大學(xué)生的生物效能試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),高鐵豆類改善了人體鐵營(yíng)養(yǎng),認(rèn)知能力、大腦功能和工作效率明顯增強(qiáng)[44]。 缺鐵的女大學(xué)生(18 ～27 歲)每天吃富鐵豆,堅(jiān)持4.5 個(gè)月后,體內(nèi)血紅蛋白、血清鐵蛋白和鐵濃度明顯升高[45],記憶力、注意力及完成每天體力勞動(dòng)的能力明顯提升[46-48]。

分子標(biāo)記輔助選擇、高通量表型和特定性狀的基因型篩選等分子育種與轉(zhuǎn)基因組技術(shù)已應(yīng)用于鐵生物強(qiáng)化的遺傳育種計(jì)劃中[49]。 全基因組關(guān)聯(lián)研究(GWAS)加速遺傳標(biāo)記的開(kāi)發(fā),有助于更快地確定目標(biāo)基因。 通過(guò)數(shù)量性狀基因座(QTLs)定位和GWAS 鑒定了與水稻籽粒中鐵和鋅積累有關(guān)的遺傳位點(diǎn),在12 條水稻染色體上已鑒定出93 個(gè)與鐵含量相關(guān)的QTLs,其中數(shù)量最多的位于第1、3、7 號(hào)染色體,17 個(gè)穩(wěn)定的QTLs位于第1～4、6～8、10、11 號(hào)染色體[50]。 表達(dá)水稻煙酰胺合成酶(OsNAS2)和大豆鐵蛋白(SferH-1)基因有助于提高胚乳中鐵和鋅含量[51-52]。 過(guò)表達(dá)OsYSL2和鐵儲(chǔ)存蛋白鐵蛋白的轉(zhuǎn)基因水稻品系體內(nèi)鋅和鐵的濃度分別增加了1.6 倍和6 倍[53]。 作物籽粒中植酸含量較高,通過(guò)增加煙酰胺含量或過(guò)表達(dá)NAS基因可降低植酸含量,增強(qiáng)小麥和玉米的鐵生物利用[38]。 反向育種、寡核苷酸介導(dǎo)誘變、基因組編輯技術(shù)和高通量表型等現(xiàn)代技術(shù),為微量營(yíng)養(yǎng)生物強(qiáng)化育種戰(zhàn)略帶來(lái)全新的變化[54-55]。 遺傳育種的生物強(qiáng)化措施能有效提高作物中鐵的含量和有效性,但仍面臨耗時(shí)長(zhǎng)等問(wèn)題,而田間應(yīng)用效果、與重金屬累積相關(guān)的健康風(fēng)險(xiǎn)以及在鐵供應(yīng)不足的背景下能否發(fā)揮其潛力等還有待驗(yàn)證[40,55-56]。 遺傳生物強(qiáng)化手段目前仍處于早期階段。

4 鐵肥施用與作物鐵強(qiáng)化

4.1 植物鐵吸收運(yùn)輸與生物強(qiáng)化

4.1.1 土壤鐵供應(yīng)與植物鐵吸收

谷物中鐵的含量與土壤中鐵的有效性密切相關(guān)。 鐵是地殼中第四大元素,在土壤中含量豐富,但是鐵在土壤(尤其是堿性土壤)中主要以不溶性的氧化鐵和氫氧化鐵的形式存在,游離鐵總的物質(zhì)的量濃度一般不超過(guò)10-15mol/L,無(wú)法滿足植物正常生長(zhǎng)發(fā)育對(duì)鐵的需求(10-9～10-4mol/L),導(dǎo)致植物缺鐵現(xiàn)象普遍存在,影響作物產(chǎn)量和品質(zhì)[57]。 全球有1/3 的耕地是石灰性土壤,植物缺鐵現(xiàn)象較為嚴(yán)重[58]。

為了從土壤中獲得足夠的鐵,植物在長(zhǎng)期的進(jìn)化過(guò)程中,形成了2 種不同的鐵吸收策略。 雙子葉植物和非禾本科單子葉植物屬于策略Ⅰ植物,根系向根際釋放有機(jī)酸、酚類和黃素類化合物等,促進(jìn)難溶性鐵化合物溶解、螯合;根系質(zhì)膜上H+-ATPase 泵分泌H+,根際土壤酸度降低,土壤中的可溶性鐵含量增加[59]。 根系質(zhì)膜上誘導(dǎo)Fe3+螯合物還原酶的表達(dá),將Fe3+還原成Fe2+,通過(guò)高親和力的Fe2+轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白轉(zhuǎn)入根細(xì)胞[5]。 Fe3+螯合物還原酶基因FRO2已在擬南芥、番茄、黃瓜、花生等相繼被克隆[60-63]。 Eide 等[64]的研究發(fā)現(xiàn),擬南芥根表細(xì)胞質(zhì)膜上鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因AtIRT1屬于ZIP 轉(zhuǎn)運(yùn)體家族,具有廣泛的底物特性,除了能轉(zhuǎn)運(yùn)鐵外,同時(shí)還能轉(zhuǎn)運(yùn)鋅、錳和鎘等金屬元素[64]。 在豌豆、番茄、花生等植物根表也相繼發(fā)現(xiàn)了IRT 轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白[65]。 NRAMP 等蛋白也參與Fe2+的轉(zhuǎn)運(yùn)[66]。

禾本科植物采用策略Ⅱ適應(yīng)土壤中鐵的缺乏。 根系分泌麥根酸類植物高鐵載體(PS),與土壤中的Fe3+螯合形成Fe(Ⅲ)-PS,然后在專一性轉(zhuǎn)移蛋白YS1 或YSL 作用下,將Fe(Ⅲ)-PS 運(yùn)輸?shù)礁?xì)胞內(nèi),釋放出Fe3+供植物體內(nèi)生理代謝利用[67]。 PS 由S-腺苷甲硫氨酸通過(guò)一系列的酶促反應(yīng)合成得到。 參與麥根酸生物合成的酶包括煙酰胺合成酶(NAS)、煙酰胺氨基轉(zhuǎn)移酶和雙脫氧麥根酸合成酶[67]。 Nozoye 等[68]在水稻和大麥根中分離和鑒定了PS 轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白TOM1。

植物體內(nèi)存在復(fù)雜的鐵穩(wěn)態(tài)基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò),包括轉(zhuǎn)錄和翻譯水平上的控制來(lái)調(diào)節(jié)鐵穩(wěn)態(tài),既可保證其對(duì)土壤中缺鐵脅迫進(jìn)行應(yīng)答與有效鐵的吸收,又可避免積累過(guò)量的鐵對(duì)其自身生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生毒害[69-71]。 擬南芥中基本螺旋-環(huán)-螺旋(bHLH)轉(zhuǎn)錄因子的關(guān)鍵調(diào)控網(wǎng)絡(luò)包括轉(zhuǎn)錄因子FIT、Ib 亞組、IVc 亞組和URI(bHLH121),這些轉(zhuǎn)錄因子調(diào)節(jié)擬南芥對(duì)鐵的吸收[70]。 植物激素生長(zhǎng)素、乙烯、細(xì)胞分裂素、脫落酸、油菜素內(nèi)酯、茉莉酸、褪黑素以及一氧化氮、鈣離子信號(hào)、鋅指蛋白等信號(hào)系統(tǒng)和分子被證實(shí)參與調(diào)控植物對(duì)鐵的吸收[70,72-73]。 禾本科作物缺鐵脅迫誘導(dǎo)的順式作用元件IDE1 和IDE2 以及特異結(jié)合于該元件上的轉(zhuǎn)錄因子IDEF1 和IDEF2,對(duì)維持體內(nèi)鐵平衡具有重要的作用[74]。 微生物在缺鐵或低鐵條件下會(huì)產(chǎn)生一些低相對(duì)分子質(zhì)量(500～1 000 Da)的有機(jī)化合物,稱為鐵載體(Siderophores)。 Fe3+-Siderophores 螯合物一部分被微生物自身吸收,進(jìn)入細(xì)胞后還原成Fe2+,供微生物生長(zhǎng)發(fā)育;另一部分被植物吸收利用[75]。

4.1.2 植物體內(nèi)鐵運(yùn)輸及向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)

植物細(xì)胞有一套精細(xì)的機(jī)制,控制細(xì)胞內(nèi)游離鐵離子的平衡[76]。 通過(guò)細(xì)胞膜系統(tǒng)運(yùn)輸時(shí),Fe(Ⅲ)通常被還原為Fe(Ⅱ)[77],以避免細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生過(guò)多的活性氧,Fe(Ⅱ)通過(guò)VIT1 蛋白被運(yùn)輸?shù)阶蚜Ｒ号葜衃78]或Fe(Ⅲ)以鐵蛋白形式儲(chǔ)存[79-81]。 在細(xì)胞質(zhì)中,鐵可能與有機(jī)酸、煙堿酰胺(NA)形成復(fù)合物,生成Fe(Ⅲ)-檸檬酸鹽、Fe(Ⅲ)-NA 和Fe(Ⅱ)-NA[76,82-83]。 植物體內(nèi)的鐵通過(guò)木質(zhì)部和韌皮部進(jìn)行長(zhǎng)距離運(yùn)輸,木質(zhì)部中的鐵大多運(yùn)輸?shù)嚼先~中,韌皮部中的鐵運(yùn)輸?shù)叫氯~,鐵從營(yíng)養(yǎng)組織經(jīng)韌皮部運(yùn)輸?shù)秸诎l(fā)育的種子。 鐵主要在水稻籽粒糊粉層中以Fe(Ⅱ)和Fe(Ⅲ)形式與植酸結(jié)合。 小麥中鐵的累積與水稻中的類似,60%或更多的鐵在種子麩皮的糊粉層中積累,其次是鱗莖,胚乳中只有少量鐵積累[84-85]。

木質(zhì)部中的鐵主要以螯合物如Fe3+-檸檬酸復(fù)合物的形式存在[86-88]。 在缺鐵條件下,木質(zhì)部中的檸檬酸鹽、蘋(píng)果酸鹽和琥珀酸鹽的含量升高[89]。 鐵進(jìn)入胚胎組織需要經(jīng)歷韌皮部鐵釋放和胚胎鐵吸收2 個(gè)步驟。 在擬南芥等雙子葉植物中,鐵首先釋放到胚囊液中,再由胚胎吸收[84];擬南芥鐵還原酶缺陷3 基因FRD3、水稻體內(nèi)該基因同源基因FRDL1介導(dǎo)檸檬酸鹽和鐵向木質(zhì)部運(yùn)輸[90];鐵蛋白1(FPN1)負(fù)責(zé)擬南芥體內(nèi)鐵向木質(zhì)部裝載[91]。 葉片中的鐵可通過(guò)YSL 轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白從質(zhì)外體空間裝載到細(xì)胞中[92];AtYSL2 參與了鐵從木質(zhì)部到地上部細(xì)胞內(nèi)的分布[93],AtYSL1和AtYSL3 參與了Fe-煙堿酰胺復(fù)合物從衰老葉片向花序和種子中的轉(zhuǎn)移、韌皮部中鐵的運(yùn)輸。水稻YSL 轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白如OsYSL2,可能參與Fe(Ⅱ)-煙堿酰胺復(fù)合物向地上部和種子的轉(zhuǎn)移[94];OsYSL16 有助于Fe(Ⅲ)-脫氧麥根酸通過(guò)維管束鞘的運(yùn)輸[95];OsYSL18是Fe(Ⅲ)-脫氧麥根酸的轉(zhuǎn)運(yùn)載體基因,在花粉、花粉管、葉片和葉鞘接頭部位的韌皮部中表達(dá),說(shuō)明該基因很可能在水稻受精和韌皮部的鐵運(yùn)輸中起作用[96]。 寡肽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族OPT3 參與韌皮部中鐵的運(yùn)輸,介導(dǎo)地上部到根的信號(hào)傳導(dǎo)[97]。

4.2 鐵肥施用

通過(guò)施肥包括土壤施用、葉面噴施、種子包衣等農(nóng)藝措施,可提高作物籽粒中鐵的含量[98]。 當(dāng)前市場(chǎng)上主要的鐵肥品種有以硫酸亞鐵為主的無(wú)機(jī)鐵肥、螯合態(tài)鐵和一些有機(jī)物與鐵復(fù)合形成的鐵肥,各種鐵肥詳情可參見(jiàn)文獻(xiàn)[99]。 無(wú)機(jī)鐵肥穩(wěn)定性差,施入土壤中會(huì)迅速轉(zhuǎn)化為不溶形式;螯合態(tài)鐵肥可克服被土壤固定的缺點(diǎn),但成本高;有機(jī)復(fù)合鐵肥肥效較低。

土施鐵肥能夠顯著提高果樹(shù)作物的果實(shí)產(chǎn)量和品質(zhì)[100]。 Zulfiqar 等[101]通過(guò)2 年的田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),土施鐵肥處理的面包小麥籽粒產(chǎn)量提高了28%。 Gamble 等[102]于2010—2012 年在阿拉巴馬州的2 個(gè)高酸度土壤上開(kāi)展了田間試驗(yàn),結(jié)果表明在犁溝中施用Fe-EDDHA 4.5 kg/hm2的處理提高了大豆產(chǎn)量,但施用檸檬酸鐵和FeSO4的處理未能提高大豆產(chǎn)量。 世界上約1/3 的土壤呈堿性,土壤pH 較大,施入土壤中的鐵肥易被固定或氧化成植物難以利用的形式,總體來(lái)說(shuō)土施鐵肥對(duì)作物補(bǔ)鐵的效果不是十分理想[99,103]。 基于植物高鐵載體脫氧麥根酸(DMA)結(jié)構(gòu)合成了一種新型鐵螯合劑脯氨酸-2′-脫氧麥根酸(PDMA)[104]。 PDMA 比DMA 穩(wěn)定,合成成本較低。 PDMA 已被證實(shí)在水培和石灰基質(zhì)中改善了植物鐵營(yíng)養(yǎng)[104-105]。 盆栽試驗(yàn)結(jié)果表明,施用PDMA 可使花生根際不溶性鐵溶解,AhYSL1表達(dá)增強(qiáng),改善了花生植株的鐵營(yíng)養(yǎng);此外,缺鐵引起的黃化和生長(zhǎng)抑制顯著減弱。 值得注意的是,在田間條件下,施用PDMA 可提高花生產(chǎn)量和籽粒鐵含量,PDMA 具有作為新型鐵肥的潛力[106]。

葉面施肥可避免土壤對(duì)鐵的固定。 在特定生長(zhǎng)時(shí)期葉面噴施的鐵可以通過(guò)莖和葉組織內(nèi)韌皮部或木質(zhì)部運(yùn)輸[107],提高谷物鐵含量[108-109]。 缺鐵土壤上種植的豌豆在籽粒灌漿期間葉面噴施Fe-EDDHA 和FeSO4,可顯著提高籽粒中鐵的含量,開(kāi)花期間葉面噴施鐵肥是提高成熟谷物中鐵含量的合適時(shí)間[110]。 Fang 等[111]的田間試驗(yàn)結(jié)果表明:葉面噴施鐵肥(0.90 kg/hm2)不影響水稻產(chǎn)量、蛋白質(zhì)含量,可顯著提高鐵含量37.1%;與不進(jìn)行葉面噴施鐵肥的處理相比,最佳葉面施肥處理的精米中鐵含量增加了2.6 倍。 Zulfiqar等[101]的研究發(fā)現(xiàn):2017—2018 年和2018—2019 年葉面噴施0.5%鐵溶液處理的小麥籽粒鐵含量分別比對(duì)照提高了65%和58%。 Yuan 等[112]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn):與對(duì)照相比,葉面噴施鐵氨基酸(Fe-AA)肥料顯著提高了水稻糙米中的鐵含量,平均提高了14.5%;在Fe-AA 中添加1%煙酸(NA)時(shí),糙米中鐵含量平均提高了32.5%。

浸種、拌種、種子引發(fā)和種子包衣等處理也屬于鐵肥施用的方式。 種子引發(fā)技術(shù)主要作用于種子吸水膨脹階段,通過(guò)調(diào)控種子吸水狀態(tài),激活種子生理代謝過(guò)程,使種子質(zhì)量與植物抗逆能力得到提升。 Zulfiqar 等[101]的試驗(yàn)結(jié)果表明:以種子引發(fā)方式施用鐵肥,小麥籽粒產(chǎn)量提高了33%;通過(guò)種子包衣方式施用鐵肥,小麥產(chǎn)量增加21%。 Wei 等[113]在種子發(fā)芽過(guò)程中添加質(zhì)量濃度0.05～2 g/L 硫酸亞鐵,發(fā)芽糙米中鐵含量提高了1.1～15.6 倍。 采用不同質(zhì)量濃度(25～600 mg/L)氧化鐵納米顆粒浸泡引發(fā)小麥種子12 h,結(jié)果表明:400、200 mg/L 處理的高鐵基因型(IITR26)和低鐵基因型(WL711)小麥的發(fā)芽率和芽長(zhǎng)均顯著增加;25 mg/L 處理的IITR26 和WL711 的籽粒鐵含量分別顯著增加45.7%和26.8%[114]。

耕作措施如輪作或間作可以改善作物的鐵營(yíng)養(yǎng)。 雙子葉植物與禾本科單子葉植物間作促進(jìn)了雙子葉植物對(duì)鐵的吸收。 Zuo 等[115]觀察到,在中國(guó)河南省的石灰性土壤中,玉米/花生間作能明顯減輕花生的缺鐵黃化現(xiàn)象,可提高花生中鐵含量和產(chǎn)量。 Gunes 等[116]的田間試驗(yàn)結(jié)果表明,小麥和鷹嘴豆間作,可使小麥籽粒中的鐵含量、鷹嘴豆籽粒中的鐵和鋅含量增加。

施用氮肥和硫肥可提高谷物中微量元素的含量[117-118]。 在鷹嘴豆開(kāi)花期葉面噴施2%尿素400 L/hm2,可提高籽粒中鋅和鐵的含量[119]。 在大麥孕穗期施用尿素20 kg/hm2(折純),可提高籽粒中鋅和鐵的含量[120]。 水稻-小麥種植體系施用硫肥,可提高谷物中鋅、鐵等元素的含量[118]。

納米顆粒是指粒徑至少在一個(gè)維度上小于100 nm 的顆粒,具有小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)。 鐵納米顆粒已用于提高作物鐵含量[121];α-Fe2O3納米顆粒預(yù)處理豆科種子可促進(jìn)根系生長(zhǎng)[98];施用鐵納米顆粒改善了花生的營(yíng)養(yǎng)質(zhì)量、生物量、產(chǎn)量、氮磷代謝和鐵強(qiáng)化[122];施用γ-Fe2O3納米顆粒促進(jìn)了鐵從根部向植物其他部位運(yùn)輸,提高了南瓜中鐵的濃度,但Fe(Ⅱ)-EDTA 處理的效果較弱[123];南瓜葉面施用碳涂層鐵納米顆粒有助于將鐵從葉片轉(zhuǎn)移到其他部位,但不會(huì)影響植物生長(zhǎng)[124];鐵螯合納米肥料的應(yīng)用改善了羅勒植物[125]和水稻[126]產(chǎn)量;施用黃鐵礦(FeS2)納米顆粒預(yù)處理菠菜種子,可促進(jìn)菠菜生長(zhǎng)[127];施用螯合鐵納米肥料4 kg/hm2,菠菜葉片中的鐵和鉀的積累增加[128];鐵螯合納米肥料的施用改善了水稻品質(zhì),提高了對(duì)氮磷鉀的吸收[126]。 納米顆粒的復(fù)雜性和不確定性使得施用納米肥料進(jìn)行生物強(qiáng)化面臨挑戰(zhàn),一些研究報(bào)告了納米顆粒對(duì)植物的生理?yè)p傷。 Al-Amri等[129]的研究表明,Fe2O3納米顆粒會(huì)損傷小麥植株根尖細(xì)胞,這可歸因于活性氧的產(chǎn)生,破壞了細(xì)胞膜。 與非納米形式相比,納米顆粒被認(rèn)為對(duì)生物和環(huán)境系統(tǒng)具有毒性風(fēng)險(xiǎn),納米顆粒通過(guò)食物鏈轉(zhuǎn)移到可食用植物部位,進(jìn)而轉(zhuǎn)移給動(dòng)物和人類,但這一說(shuō)法仍需要更多毒理學(xué)證據(jù)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究,綜合生命周期來(lái)評(píng)估納米肥料對(duì)環(huán)境與人體健康的影響[130-133]。

5 結(jié)語(yǔ)

鐵與人體營(yíng)養(yǎng)健康關(guān)系密切,生物強(qiáng)化是改善發(fā)展中國(guó)家人群鐵營(yíng)養(yǎng)狀況的重要途徑(圖1)。 通過(guò)育種培育高鐵含量作物品種,采取葉面噴施、土壤施用不同類型的鐵肥等農(nóng)藝措施,改善作物鐵素營(yíng)養(yǎng),提高農(nóng)產(chǎn)品中鐵的含量,再通過(guò)食物鏈傳遞以增強(qiáng)人體鐵素營(yíng)養(yǎng)攝入。 建議在“醫(yī)學(xué)-營(yíng)養(yǎng)學(xué)-農(nóng)學(xué)”之間建立起跨學(xué)科體系,合作研究肥料-土壤-作物-人體系統(tǒng)中鐵的運(yùn)轉(zhuǎn)與利用效率,綜合解決人類鐵營(yíng)養(yǎng)健康問(wèn)題。

圖1 鐵肥施用、生物強(qiáng)化與人體鐵營(yíng)養(yǎng)健康