通过基因重编程作物和根瘤菌以实现营养铁的生物强化

《ACS Synthetic Biology》：Genetically Reprogramming Crops and Rhizobacteria for Nutritional Iron Biofortification

铁是植物和人类健康的关键微量营养素，但其生物利用度受土壤pH和矿物形态影响，导致全球25%人口面临缺铁性贫血。本文提出通过合成生物学策略优化植物和根际微生物的铁获取与转运机制，包括设计细菌铁还原电路、增强植物铁载体分泌（如FRO2、VIT1基因调控）、开发抗微生物降解的合成铁载体（如PDMA）等。研究强调整合植物-微生物基因回路，开发模块化铁活化系统，并探讨其在作物产量提升和营养强化中的协同作用。

　　铁是植物和人类生命活动中不可或缺的微量元素，然而，农业系统中铁含量的下降正威胁着全球粮食安全和健康。通过生物强化（biofortification）策略来增强作物中铁的获取和吸收，已成为解决铁缺乏和贫血问题的有希望的方法。这一策略结合了作物育种和微生物群落的改良，旨在提升铁的动员和吸收效率。近年来，植物和细菌的合成生物学技术取得了显著进展，使得对铁稳态和获取机制进行精确编程成为可能，从而为不同物种和环境提供定制化的解决方案。本文旨在探讨一些关键的生物分子、基因和生物合成与运输通路，这些都可能是合成生物学在提升作物铁获取方面的潜在目标。我们还强调了通过调整基因表达强度、组织特异性以及跨宿主通路转移来优化铁的螯合和还原过程，以增强土壤中铁的溶解度和植物吸收能力。此外，我们还讨论了开发植物-微生物-金属执行器作为基因电路设计中的模块化组件的重要性，并探讨了其在多种植物和微生物底盘中的应用如何加速农业生物强化并改善全球营养状况。

铁对于所有生命领域都是关键的微量营养素，但其在人类饮食和农业土壤中的丰富度和生物可利用性正面临风险。全球约有25%的人口受到贫血的困扰，其中铁缺乏是主要原因之一。同时，植物的健康也与铁含量密切相关，特别是在铁获取困难的环境中，作物产量会显著下降。碱性土壤（pH > 6）覆盖了全球约30%的土地，这类土壤虽然含有丰富的总铁，但倾向于形成低溶解度、不可生物利用的Fe3?物种，如氧化铁矿物。在这种条件下，无法有效获取铁的植物会出现光合作用活动减弱，导致叶绿素合成受损和铁依赖的电子传递系统（如光系统1）紊乱，从而引发黄化、植物生长抑制和繁殖问题。此外，多种非生物因素（如干旱和盐碱）和生物因素（如微生物病原体和微生物群落失衡）都可能进一步影响植物的铁生物可利用性和吸收能力。主要受铁胁迫影响的作物包括大豆、柑橘、高粱以及十字花科植物。尽管植物本身已经具备一定的铁获取机制，但这些机制往往效率低下，导致铁缺乏问题依然存在。因此，通过化学肥料补充铁含量虽然在一定程度上缓解了铁限制，但这种方法受到农业操作的物流、经济成本和环境风险（如肥料流失）的限制。由于饮食中的铁最终来源于作物和以作物为食的动物，因此，确保农业植物中铁含量的高水平是保障食品安全和人类健康的关键。

生物基铁强化为化学肥料提供了一种可持续的替代方案，通过针对铁获取和吸收的特定机制，改善作物中铁的可利用性。例如，根际微生物群落可以调节植物的铁获取，微生物生物接种剂能够促进铁的溶解和吸收。此外，作物育种计划也已将重点放在开发具有铁积累能力和铁相关胁迫抗性的优质基因型上。然而，一个尚未充分开发的策略是应用合成生物学技术，包括设计的基因回路和代谢工程，以精确编程植物和其根际微生物的铁稳态和获取通路。这些通路中的基因编码了关键功能，如铁螯合物和还原酶的生物合成、铁的溶解和运输进入植物组织。目前，这些基因主要通过简单的过表达或基因组敲除进行操作，但精细调控基因表达、扩展其时空表达模式（包括细胞类型、组织和发育阶段）以及将其转移到非原生植物物种或微生物宿主中，仍然是未被充分探索的方向。通过整合合成生物学方法，可以构建更加耐受铁缺乏、高产且富含生物可利用铁的作物系统。

在植物中，铁获取可以分为两种主要策略：策略I和策略II。策略I主要用于双子叶植物，涉及根际的酸化、铁的还原以及铁离子的运输进入根细胞。策略II则主要见于单子叶植物（如禾本科作物），依赖于根系合成并分泌的植物铁载体（phytosiderophores），这些载体能够扩散到土壤中，螯合低溶解度的Fe3?，并随后被植物重新吸收为铁-载体复合物。这些策略所涉及的基因和调控机制为植物合成生物学提供了宝贵的靶点，通过重新编程其表达和时空活动，可以实现铁获取与原生调控的解耦，从而培育出铁缺乏耐受、铁超积累的作物。然而，当前的研究主要集中于直接优化铁从土壤中提取的限制步骤，而较少关注如何通过基因回路提高植物组织中的铁储存。对于策略I和策略II植物，铁储存相关的基因如VIT1（一种液泡铁转运蛋白）在种子发育过程中发挥重要作用，通过过表达VIT1可以显著提升作物（如木薯）中的铁含量。这种简单的基因操作表明，更复杂的回路设计可能进一步增加植物中不可食用部分（如玉米青贮）的铁储存，或者通过使用环境诱导型启动子（如pDEX）在作物生长的不同阶段实现铁储存的适时表达，从而最大化收获时的铁生物可利用性。通过这些方法，可以优化铁的获取和转运，使其与原生调控机制脱钩，从而系统地提升作物的铁含量，同时减少自由铁引发的活性氧（ROS）生成。

在微生物方面，特别是根际细菌（rhizobacteria），它们在铁获取和植物健康调节中扮演着重要角色。植物促生长细菌（Plant Growth-Promoting Bacteria, PGPB）已被广泛研究作为氮和磷肥料的替代品，但它们同样可以增强植物的铁积累、提高金属耐受性并减少有毒金属的吸收。这些细菌通过螯合和还原机制在根际中自然地动员铁，为植物吸收提供条件。例如，一些模型铁还原细菌如Shewanella和Geobacter物种，通过多血红素细胞色素网络实现铁的还原和溶解，形成可生物利用的Fe2?。尽管这些铁还原细菌在作物根际中的定植能力尚未完全表征，但通过实验进化方法，可以适应这些细菌以增强其根际定植能力，从而提高铁动员的效率。此外，将铁还原通路（如Shewanella的MtrCAB或Geobacter的Omc）移植到已知具有高根际丰度和稳定性的PGPB底盘中，可能成为一种有效策略。这种移植不仅能够增强铁的可利用性，还可能通过条件性表达减少代谢负担，提高微生物在复杂根际微生物群落中的适应性和稳定性。

为了进一步提高铁的生物可利用性，微生物群落中的铁载体分泌和铁还原机制是关键的靶点。铁载体是一类高亲和力的分泌化合物，能够有效螯合土壤中的Fe3?，促进其溶解和植物吸收。例如，假单胞菌（Pseudomonas）分泌的铁载体如pyoverdine和ferrioxamine B，具有极高的Fe3?螯合能力，其解离常数低至10?32 M。这些铁载体的生物合成途径（如pvd基因簇）可以通过合成基因回路进行过表达，以提高其在根际中的产量。此外，铁还原机制中的关键蛋白如MtrC和OmcZ，也具有重要的潜力。这些蛋白能够将Fe3?还原为Fe2?，从而增强其溶解性和生物可利用性。然而，由于这些机制的复杂性和环境依赖性，如何在不同土壤类型和作物品种中实现其有效表达，仍然是一个挑战。

除了直接优化铁获取，提高植物组织中的铁储存也是生物强化的重要方向。VIT1作为一种液泡铁转运蛋白，在策略I和策略II植物中都具有重要作用，能够将铁运输并储存于液泡中，从而提高植物整体的铁含量。例如，在木薯中，VIT1被靶向到储存根中，通过Solanum tuberosum类型I patatin启动子实现了显著的铁积累。这种简单的基因操作表明，更复杂的回路设计可能进一步提高植物中不可食用部分的铁储存，或者通过使用环境诱导型启动子在作物生长的不同阶段实现铁储存的适时表达，从而最大化收获时的铁生物可利用性。通过这些方法，可以优化铁的获取和转运，使其与原生调控机制脱钩，从而系统地提升作物的铁含量，同时减少自由铁引发的活性氧（ROS）生成。

此外，合成生物学方法还可能用于增强铁载体的生物合成和分泌能力，以提高其在土壤中的浓度和有效性。例如，通过合成基因回路驱动特定的铁载体合成酶（如scopoletin羟化酶S8H或cytochrome P450 CYP82C4）的表达，可以调控根际铁载体的种类和产量。同时，通过表达已知的转运蛋白（如PDR9）来增强铁载体的分泌，可以进一步提高其在土壤中的可利用性。然而，这些回路的设计和应用需要考虑微生物在根际环境中的定植能力和生存策略，以确保其在复杂微生物群落中的稳定性和有效性。

在未来的展望中，铁获取和储存的合成生物学策略可能不仅限于植物和微生物，还可能扩展到更广泛的生物系统。例如，通过整合植物和微生物的铁获取机制，可以开发出具有协同作用的生物强化系统，从而更高效地提升作物的铁含量。此外，随着合成生物学工具的不断发展，如纳米颗粒介导的基因传递或无组织培养的切-浸-嫁接方法，这些技术可能为非模式植物的基因工程提供新的可能性。同时，通过机器学习或人工智能指导的细胞类型工程和蛋白质工程方法，可以更精确地调控植物和微生物中的铁相关基因，从而实现更高效的铁获取和储存。这些技术的应用将不仅限于农业，还可能拓展到生物修复和关键矿物生物开采等领域。通过这些综合策略，植物-微生物-铁合成生物学有望为全球粮食系统带来更高的产量和更优质的营养，从而改善食品安全和人类健康。