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麦根酸类植物铁载体类似物 ➥ 作者：Motofumi Suzuki 通信作者：Kosuke Namba 期刊：中国农业科学 发表时间：2022.01.18
导读 在全球范围内，超过三分之一的土地为高pH值的碱性或钙质土壤，植物容易发生缺铁（Fe）黄化。尽管碱性土壤的总铁含量很高，但常以不溶于水的氢氧化铁或氧化铁的形式存在，导致大多数植物难以获取足够的铁。为了克服这一问题，禾本科植物通过向根际分泌麦根酸类植物铁载体（MAs），MAs与Fe(III)形成1:1水溶性配合物进而被质膜上YS1/YSL转运蛋白转运吸收。由于MAs合成成本高和稳定性较差，限制了其在农业领域的广泛应用。在这项工作中，作者基于2'-脱氧麦根酸（DMA）开发了一种更稳定、更便宜的类似物脯氨酸-2'-脱氧麦根酸（PDMA），其施用量低、持效期长、效果稳定，将有望成为传统铁肥的绿色替代品。
图1 禾本科植物吸收和转运铁的策略 水稻对缺铁胁迫特别敏感，因为其分泌的DMA很少，在碱性土壤上难以生长。作者将30 μM Fe-DMA施用到种植水稻的碱性土壤中，以柠檬酸铁、Fe-DFO（商业化的微生物铁载体）、以及人工铁螯合剂EDTA和EDDHA作为对照，评价DMA改善植物铁营养的效果。结果表明，未添加铁的水稻表现出严重缺铁，而添加Fe-DMA、Fe-EDDHA和Fe-EDTA均能适度改善水稻黄化，但柠檬酸铁和Fe-DFO无效。随后施用Fe-DMA的水稻SPAD值下降，但施肥Fe-EDDHA的水稻SPAD值提高（图2a）。这些差异可能是由于螯合剂在土壤中的可降解性不同，结果也初步证明施用Fe-DMA在克服碱性土壤中水稻缺铁方面效果有限。
图2 施用DMA对钙质土壤上植物生长的影响 由于DMA合成成本高，不稳定，作者合成了DMA类似物PDMA等（3a）。基于大麦HvYS1对底物的高选择性，作者将过表达HvYS1的Sf9昆虫细胞与55Fe(III)-DMA或55Fe(III)-PDMA共孵育，然后测量细胞对55Fe的吸收情况。结果显示，HvYS1对55Fe(III)-DMA和55Fe(III)-PDMA的吸收量一致（图3b），表明Fe(III)-DMA和Fe(III)-PDMA均能通过HvYS1转运至胞内。接着作者利用非洲爪蟾卵母细胞进行双电极电压钳分析，测定了其他禾本科植物转运蛋白（如玉米ZmYS1和水稻OsYSL15）转运PDMA的能力。结果表明多种禾本科植物的转运体都能够吸收PDMA（图3c）。此外，从水稻根部供应Fe-PDMA，在木质部汁液中检测到PDMA，证实了植物对PDMA的转运吸收（图3d）。
图3 DMA类似物的吸收转运 随后，作者又测定了施用Fe(III)-PDMA或PDMA对改善盆栽/大田水稻铁营养的效果。结果表明Fe(III)-PDMA或PDMA均能有效改善水稻铁营养。
图4 PDMA盆栽效果验证
图5 PDMA大田试验效果验证 另外，施用PDMA提高了叶片铁浓度和SPAD值（图6a，b），Zn-PDMA提高了Zn浓度（图6c）。由于土壤中铁含量高，部分供给的Zn-PDMA在土壤中转化为Fe-PDMA，因此水稻植株同时吸收Zn-PDMA和Fe-PDMA。PDMA、Fe-PDMA和Zn-PDMA可以降低Mn浓度（图6d），PDMA有提高Cu浓度的趋势（图6e）。这些数据表明SPAD值与铁浓度有关，而不是与其他微量元素有关，PDMA可能对植物转运吸收铁和锌发挥作用。
图6 PDMA对水稻新叶SPAD值和金属浓度的影响 在碱性/钙质土壤，缺铁是限制农业发展的问题之一，开发和应用螯合铁肥一直是土壤学和植物营养学研究的热点。在本研究中，作者基于植物源铁载体DMA人工合成其类似物PDMA，其结果展示了PDMA在碱性/钙质土壤中促进农业发展的巨大潜力。与传统人工合成的铁螯合物相比，PDMA能够直接螯合活化土壤难溶铁进而被植物吸收利用，且可以被土壤微生物降解，是传统人工合成铁螯合物的绿色替代品。 论文信息 题目：Development of a mugineic acid family phytosiderophore analog as an iron fertilizer 期刊：Nature Communications DOI：10.1038/s41467-021-21837-6 发表时间：2021.06.22 通讯作者：Motofumi Suzuki 通讯作者单位：日本德岛大学 论文链接：https:///10.1038/s41467-021-21837-6 |
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