植物从土壤中吸收铁元素的原理

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原创 赵占周

铁属于金属元素，通常有二价和三价两个化合价态，我们平时在一些潮湿的物体表面看到的红色铁锈是三氧化二铁的水合物，水稻根系通气组织表面常有棕红色的水膜是水合三氧化二铁。
铁是地壳上含量第二大金属元素，占所有元素含量的第四，约为地壳重量的5％。可以说，大多数土壤中的铁含量不算低，总铁浓度可以达到20微克每克。但能够被植物根系直接吸收的可利用性铁极少，往往低于0.5微克每克。有效态的铁少，这一点和许多植物矿质元素好像是一样的。但不一样的是，铁元素不像钾和钙那样溶解在土壤水溶液里通过离子交换吸附被吸收，土壤里以三价铁离子及其氧化物、氢氧化物和羟基铁为主，但它们的溶解度非常低，不能直接进入细胞，需要另外的途径进入根细胞。

这些途径是被逼出来的。考古研究发现，在蓝细菌具备光合能力之前，地球上所有的生物基本上都是不含光合色素的原核生物，当时空气中的氧含量很低，地壳上的铁大都是还原态的二价铁，原核生物可以直接吸收利用。但随着大气中氧气含量的增加，二价铁越来越少，三价铁随处可见，这无疑对这些生物来说是毁灭性的危机。适者生存，进化是硬道理。于是，经过漫长的进化以后，如今的生物，从细菌、真菌到植物、动物和人，都有了各自的能够应对三价铁的铁营养吸收和利用系统。

土壤溶液中的铁有Fe2+、Fe（OH）2+、Fe（OH）2+和Fe3+，其中Fe3+占主导地位。Fe3+是氧化态铁离子，Fe2+是还原态铁离子，并且，二者可以在不同的氧化还原条件下发生可逆的氧化或还原转化：

二价的亚铁是植物细胞的吸收形态，有一定的水溶性，但是三价铁极易发生这样的反应而形成不溶于水的沉淀物氢氧化三铁，三价铁也变得不自由了：

这个反应高度依赖于溶液中的PH值，在较高PH条件下，每升高一个单位的PH值，溶液中的铁活性就会降低1000倍。在PH值为7.4-8.5时，溶解度达到最低值。不溶性的Fe(OH)3 之类的铁化合物多了，游离态的三价铁自然就少了，那么，转化成容易被植物吸收的二价铁会更少。
什么样的条件会导致土壤溶液的PH值变成碱性的呢？

第一个是以石灰性土壤为代表的土壤，它本身就偏碱性。有人说，钙抑制铁的有效性，原因是在这里，但不是像钙通过离子交换竞争抑制镁那样的道理。至于磷，大量研究发现，它和缺铁的关系并不比碳酸氢根来的明显，增施硝态氮肥反而会加剧植物缺铁；
第二个原因是根据土壤通气情况或者说土壤含水情况。结合态的三价铁变成游离态的二价铁，这需要消耗氢离子也就是质子：
Fe(OH)3 + e- + 3H+ = Fe2+ + 3H2O
所以，需要土壤中有一定的含水量才能保证这个反应过程。这个是可逆的反应。在通气良好相对干燥的土壤里会发生这一反应的相反结果，更多的二价铁离子变成了难溶于水的三价结合态铁化合物。

因此，同一个土壤剖面上，上层土壤通气性好三价铁含量高，越往下的土壤二价铁含量逐渐增高。
石灰性土壤本来就偏碱，北方的石灰性土壤经常处于干旱状态，也就很容易看到植物缺铁表现了。但在夏季大雨或浇大水以后，花生等植物也出现了缺铁黄化表现，这又是为什么呢？

（图片来自LIVESTRONG.COM）
这和植物根系吸收铁的机制有关。
理论上，科学家们推算，为了使足够的铁离子运送到根的表面，铁的总溶解度至少要达到1毫摩尔每立方米，但这需要PH值为3的时候才能实现。这显然是不现实的。
植物已经进化出一套更加有效的策略。双子叶植物和大部分单子叶植物从土壤中得到铁的策略是根尖分泌质子，酸化含铁化合物产生更多的二价铁，但对于石灰性土壤来说要想把土壤酸化到偏低的水平是很难的。

聪明的植物通过根细胞质膜上的质子泵把质子分泌到根的质外体自由空间内，也就是根细胞质膜与细胞壁之间的空隙内，这个空间很小，在那里质子很容易把三价铁还原成二价铁，二价铁离子再从细胞膜上的特殊通道借助特异性的运输体被送达进入细胞质。
石灰性土壤中含有很多的碳酸钙，它会经常发生这样的反应：
CaCO3 + CO2+ H2O →Ca2+ + 2HCO3-
在通透性较好的时候，植物根与微生物呼吸释放出来的二氧化碳会从土壤中逸失到大气中去，土壤内不会积累太多的碳酸氢根，对土壤PH没有多大影响。
当突遇大雨或浇大水以后，高土壤湿度再加上土壤结构特点，土壤孔隙中就会积累很多的碳酸氢根，有时候会高达6-8摩尔每立方米的浓度。根据质子酸碱理论，碳酸氢根属于碱，这就造成环境中的PH值升高，从而抑制根细胞分泌质子，三价铁不能还原成二价铁离子。根细胞只能泡在三价铁的海洋里却得不到铁营养。

科学家通过一个实验证实了这一推理。他们用营养液法培养向日葵，当营养液PH值为4时，叶子是绿色的，叶中的铁浓度正常；当营养液PH值达到6.5的时候，叶片失绿，叶中的铁浓度明显偏少，但在根部的铁浓度却很高。营养液的高PH值限制了三价铁的还原，使根附近的铁离子富集。
也有其他科学家通过各种研究证实了上述营养液法发现的高PH在根质外体富集铁离子的现象也出现在土壤上生长的植物中。比如，石灰性土壤上的桃和葡萄尽管有失绿表现，但在其根部却有非常高的铁浓度。
禾本科植物的根不分泌质子，它有另一套获取铁的策略：分泌铁载体来捕获三价铁，待铁载体把铁运到根细胞释放到质膜上以后，再通过还原酶把它转化成二价铁，最后也是走特殊的通道穿过质膜进入细胞质。

和双子叶植物获取铁依赖于根表面以及土壤PH值不一样，禾本科植物所分泌的铁载体本领很大，它能够在很宽的PH范围内把土壤颗粒铁矿物中的三价铁拽过来并以扩散或质流的方式到达根的表面。可能是这个原因，日常很少见到石灰性土壤上生长的小麦、玉米和高粱等禾本科作物有缺铁黄化的表现（但科学家们在这些作物上已经发现了缺铁症）。
所谓的铁载体其实是一类能够和铁离子螯合的有机化合物，大都是含有六个末端基团的有机化合物，这六个末端基团相当于六个抓齿，对三价铁有着非常高的亲和力，但对二价铁不怎么感冒。禾本科植物可以产生，土壤中的一些真菌和细菌也能产生。而且根产生铁载体的位置是在根端往上几毫米的根尖，这和根对其它矿质元素的吸收部位不一样。目前已经发现了500多种铁载体。

（根据Oregon State University原图片修改标注）
几乎所有的生物都需要铁营养，土壤微生物也是。通过分泌铁载体获取铁营养在微生物中很常见。土壤中能够产生铁载体的微生物主要是假单胞菌，也有土壤杆菌和根霉等，在固氮根瘤菌中也发现了铁载体。有的微生物产生铁载体利于植物的铁营养，有的微生物则是为了自己获取到二价铁。那些本来就是植物病原菌的微生物产生铁载体的目的甚至是为了掠夺寄主的铁，或者作为毒力因子侵害寄主。

一些假单胞菌属于根际有益细菌，研究发现，它们不但可以产生铁载体利于植物吸收到铁，还同时刺激根系的生长，提高作物的产量，这可能全部或部分归因于它们与病原微生物对铁的竞争。
双子叶植物自己不分泌铁载体，但可以受益于微生物铁载体的活动。有科学家用具有荧光放射性的铁59做标记，研究土壤农杆菌分泌的农杆菌素铁载体，发现它可以促进处于缺铁胁迫下的豌豆对铁的吸收，提高叶绿素的合成。土壤农杆菌是许多林木和诸如桃、梨、苹果和葡萄等果树根癌病的病原菌。