Physiological Function of Iron and Its Effect on Rice Yield and Quality

doi:10.3969/j.issn.1006-8082.2022.01.009

Abstract

Abstract:

Iron is an essential trace element for plant growth and development, as well as one of the indispensable trace elements for human growth. Rice is the staple food of more than 50% of the world's population, and it can effectively absorb iron from the soil for human consumption, which helps to improve the status of human iron deficiency. In this paper, the physiological function of iron and the regulation mechanism of iron uptake and transport in rice were summarized. The effects of iron deficiency and iron excess on rice growth, yield and quality were emphatically elaborated. And the future research direction in this field was proposed. It was expected to provide theoretical basis for iron bio-fortification and high yield and quality cultivation of rice.

Key words: iron, rice, transport mechanism, signal transduction, yield, quality

摘要：

铁是植物生长发育必需的微量元素,也是人体生长不可缺少的微量元素之一。稻米是世界上50%以上人口的主食,水稻可有效从土壤中吸收铁元素供人类食用,改善人类铁缺乏的现状。本文综述了水稻中铁的生理功能和水稻对铁的吸收及转运调控机制,重点阐述了缺铁和铁过量对水稻生长发育、产量和品质的影响,并提出了未来该领域的研究方向,以期为水稻铁生物强化和水稻高产优质栽培提供理论依据。

关键词: 铁, 水稻, 转运机制, 信号转导, 产量, 品质

CLC Number:

S511

QIU Yuanyuan, LIU Kun, ZHUO Xinxin, YU Feng, LI Siyu, HUANG Jian, ZHU An, WANG Hao, LIU Lijun. Physiological Function of Iron and Its Effect on Rice Yield and Quality[J]. China Rice, 2022, 28(1): 43-47.

邱园园, 刘昆, 卓鑫鑫, 余锋, 李思宇, 黄建, 朱安, 汪浩, 刘立军. 铁的生理功能及其对水稻产量和品质影响的研究综述[J]. 中国稻米, 2022, 28(1): 43-47.

References 60

[1]	陈琳. 水稻幼苗铁吸收与转运的基因型差异及生理机制研究[D]. 南京:南京农业大学, 2014.
[2]	刘凯, 张祥喜, 魏本华, 等. 铁的生理功能与富铁水稻的研究进展[J]. 江西农业学报, 2008, 20(9):26-30.
[3]	白红红. 水稻亚铁毒害的铁吸收与调控机理研究[D]. 太原:山西农业大学, 2013.
[4]	周晓今, 陈茹梅, 范云六. 植物对铁元素吸收、运输和储存的分子机制[J]. 作物研究, 2012, 26(5):605-610.
[5]	金亚波, 韦建玉, 王军. 植物铁营养研究进展Ⅰ:生理生化[J]. 安徽农业科学, 2007, 35(32):10 215-10 219.
[6]	孟凡花, 魏幼璋. 水稻中铁的含量及其生物有效性研究进展[J]. 西北农林科技大学学报(自然科学版), 2004, 32(2):73-77.
[7]	何念祖. 植物的铁营养[J]. 土壤学进展, 1986(1):21-25.
[8]	白亚君, 母树宏. 植物对铁的吸收运转及铁与叶绿素的关系[J]. 河北农业大学学报, 1994, 17(suppl1):121-125.
[9]	冯双华, 贾凌辉, 苏以荣. 不同浓度亚铁培养液对水稻生长发育及产量构成的影响[J]. 农业现代化研究, 1992, 13(6):361-365.
[10]	FLUHR R, HAREL E, KLEIN S, et al. Control of delta-aminolevulinic acid and chlorophyll accumulation in greening maize leaves upon light-dark transitions[J]. Plant Physiology, 1975, 56(4):497-501.
[11]	李佳佳, 于旭东, 蔡泽坪, 等. 高等植物叶绿素生物合成研究进展[J]. 分子植物育种, 2019, 17(18):6 013-6 019.
[12]	张赓. 还原性铁、锰对水稻生长影响及其在冷浸田中毒害的消减措施研究[D]. 武汉:华中农业大学, 2013.
[13]	王贵民, 陈国祥, 杨艳华, 等. 亚铁对杂交水稻幼苗生长和部分生理生化特性的影响[J]. 南京师大学报(自然科学版), 2003, 26(2):56-60.
[14]	齐冰. 铁在水稻中的生理作用以及NRAMP基因的表达研究[D]. 北京:首都师范大学, 2002.
[15]	LOBREAUX S, MASSENET O, BRIAT J F. Iron induces ferritin synjournal in maize plantlets[J]. Plant Molecular Biology, 1992, 19(4):563-575.
[16]	王威, 张联合, 李华, 等. 水稻营养吸收和转运的分子机制研究进展[J]. 中国科学(生命科学), 2015, 45(6):569-590.
[17]	吴慧兰, 王宁, 凌宏清. 植物铁吸收、转运和调控的分子机制研究进展[J]. 植物通报, 2007, 24(6):779-788.
[18]	郭明欣, 郑玲, 赵旭升. 水稻铁吸收、转运及调控的分子机制研究进展[J]. 遗传, 2017, 39(5):388-395.
[19]	ROBERTS L A. Yellow Stripe1.expanded roles for the maize iron-phytosiderophore transporter[J]. Plant Physiology, 2004, 135(1):112-120.
[20]	郭振清, 郭晓强. 缺铁状态下水稻铁吸收机制及应用[J]. 生命的化学, 2008, 28(4):412-414.
[21]	NEGISHI T, NAKANISHI H, YAZAKI J, et al. cDNA microarray analysis of gene expression during Fe-deficiency stress in barley suggests that polar transport of vesicles is implicated in phytosiderophore secretion in Fe-deficient barley roots[J]. The Plant Journal, 2002, 30(1):83-94.
[22]	刘士平, 郑录庆, 寿惠霞. 高等植物中铁的代谢机制[J]. 植物生理学报, 2011, 47(10):967-975.
[23]	BASHIR K, NOZOYE T, ISHIMARU Y, et al. Exploiting new tools for iron bio-fortification of rice[J]. Biotechnology Advances, 2013, 31(8):1 624-1 633.
[24]	申红芸, 熊宏春, 郭笑彤, 等. 植物吸收和转运铁的分子生理机制研究进展[J]. 植物营养与肥料学报, 2011, 17(6):1 522-1 530.
[25]	沈宏, 杨旭健, 傅友强. 一个水稻铁转运基因(OsFRDL1)参与缺氧诱导根系铁膜形成的调节过程[J]. 科学通报, 2014, 59(9):787-795.
[26]	CURIE C, CASSIN G, COUCH D, et al. Metal movement within the plant: contribution of nicotianamine and yellow stripe 1-like transporters[J]. Annals of Botany, 2009, 103(1):1-11.
[27]	KOIKE S, INOUE H, MIZUNO D, et al. OsYSL2 is a rice metal-nicotianamine transporter that is regulated by iron and expressed in the phloem[J]. The Plant Journal, 2004, 39(3):415-424.
[28]	LEE S, CHIECKO J C, KIM S A, et al. Disruption of OsYSL15 leads to iron inefficiency in rice plants[J]. Plant Physiology, 2009, 150(2):786-800.
[29]	GIANPIERO V, KHURRAM B, YASUHIRO I, et al. Knocking down mitochondrial iron transporter (MIT) reprograms primary and secondary metabolism in rice plants[J]. Journal of Experimental Botany, 2016, 67(5):1 357-1 368.
[30]	叶凌霄. 植物缺铁诱导乙烯合成机理及水稻铁还原酶OsFRO1功能研究[D]. 杭州:浙江大学, 2016.
[31]	吴娇娇. 乙烯在水稻缺铁信号途径中的功能研究[D]. 杭州:浙江大学, 2010.
[32]	金崇伟. 机理Ⅰ植物缺铁响应机制和信号调控途径[D]. 杭州:浙江大学, 2008.
[33]	GRAZIANO M, LAMATTINA L. Nitric oxide accumulation is required for molecular and physiological responses to iron deficiency in tomato roots[J]. The Plant Journal, 2007, 52(5):949-960.
[34]	陈娜, 廖敏, 张楠, 等. Fe²+对水稻生长及土壤微生物活性的影响[J]. 植物营养与肥料学报, 2014, 20(3):651-660.
[35]	梁志君. 锌铁胁迫对水稻生长的影响及籽粒累积锌铁差异的研究[D]. 武汉:华中农业大学, 2016.
[36]	朱青, 卢松, 陈正刚, 等. 亚铁对水稻分蘖期生长发育的影响[J]. 耕作与栽培, 2012(6):1-2.
[37]	蔡妙珍, 林咸永, 罗安程, 等. 过量Fe²+对水稻生长和某些生理性状的影响[J]. 植物营养与肥料学报, 2002, 8(1):96-99.
[38]	赵燕, 项华, 熊娜, 等. 亚铁胁迫对水稻生长及矿质元素积累的影响[J]. 中国稻米, 2018, 24(3):30-38.
[39]	胡彬, 祝金明, 吴运荣, 等. 过氧化物酶在水稻亚铁毒害中的作用[J]. 浙江农业大学学报, 1997, 23(5):75-78.
[40]	邵邻相, 黄伯钟, 丁淑静. 锌、锰、铁和铜离子对水稻幼苗生长及SOD活性的影响[J]. 种子, 2001(6):16-17.
[41]	杨小飞, 张训涧, 徐大彬, 等. 过量铁胁迫下NO对水稻幼苗的保护作用[C]// 2007年全国植物生长物质研讨会论文摘要汇编,北京:中国植物生理学会, 2017: 81.
[42]	崔宏浩, 陈正刚, 朱青, 等. 亚铁对水稻分蘖期植株性状变化分析[J]. 耕作与栽培, 2014(1):1-3.
[43]	吕倩, 吴良欢, 徐建龙, 等. 叶面喷施氨基酸铁肥对稻米铁含量和营养品质的影响[J]. 浙江大学学报(农业与生命科学版), 2010, 36(5):528-534.
[44]	姚人勇, 沈玥, 刘英. 稻米的品质评价及展望[J]. 粮食与饲料工业, 2009(1):4-5.
[45]	徐庆国. 稻米品质概念及评价指标（2）[J]. 湖南农业, 1995(3):16.
[46]	付文英, 邢诒旺. 稻米品质评价方法研究现状及其展望[J]. 海南大学学报(自然科学版), 1996, 14(3):269-271.
[47]	唐湘如, 吴密. 施用锌、铁、镧肥对香稻米质和产量的影响[J]. 杂交水稻, 2007, 22(2):69-72.
[48]	李彬青. 水稻垩白对稻米品质的影响及其改良研究[J]. 安徽农学通报, 2017, 23(6):56-58.
[49]	李梅, 郭泽建, 陆韵, 等. 喷施铁肥对铁蛋白转基因水稻的稻米增铁效应研究[J]. 科技通报, 2008, 24(5):653-657.
[50]	唐湘如, 吴密. 施用锌、铁、镧肥对香稻糙米香气和剑叶脯氨酸含量的影响[J]. 杂交水稻, 2006, 21(6):69-72.
[51]	付力成, 王人民, 孟杰, 等. 叶面锌、铁配施对水稻产量、品质及锌铁分布的影响及其品种差异[J]. 中国农业科学, 2010, 43(24):5 009-5 018.
[52]	张进, 吴良欢, 王敏艳. 铁氮配施对稻米中铁、锌、钙、镁和蛋白质含量的影响[J]. 农业环境科学学报, 2007, 26(1):122-125.
[53]	张进. 叶面喷施高效铁肥及田间养分综合管理对水稻籽粒铁富集的调控研究[D]. 浙江:浙江大学, 2007.
[54]	赵霏, 任三娟, 郭泽建, 等. 外源铁蛋白基因(Pea-Fer)对稻米品质性状的影响[J]. 中国粮油学报, 2011, 26(7):1-5.
[55]	AWAS C P, 周清明. 硫化铁及氮磷钾对稻米营养品质的影响[J]. 农业科技译丛, 1990, 19(1):31.
[56]	ARMSTRONG W. Oxygen diffusion from the roots of some british bog plants[J]. Nature, 1964, 204:801-802.
[57]	KUO S. Concurrent sorption of phosphate and zinc, cadmium, or calcium by a hydrous ferric oxide[J]. Soil Science Society of America Journal, 1986, 50(6):1412-1419.
[58]	刘文菊, 张西科, 张福锁. 根表铁氧化物和缺铁根分泌物对水稻吸收镉的影响[J]. 土壤学报, 1999, 36(4):463-469.
[59]	谷建诚, 郭彬, 林义成, 等. 根表铁膜对水稻镉吸收的影响[J]. 浙江农业学报, 2020, 32(6):963-970.
[60]	史锟, 张福锁, 刘学军, 等. 不同时期施铁对水稻根表铁胶膜中铁镉含量及根系含镉量的影响[J]. 农业环境科学学报, 2004, 23(1):6-12.