水稻木质部柠檬酸转运蛋白FRDL1的缺失通过外排机制赋予对过量非螯合亚铁离子的耐受性

这篇研究揭示了水稻中木质部定位的柠檬酸转运蛋白FRDL1在铁（Fe）毒性耐受中的关键作用。通过敲除FRDL1，研究者发现水稻对过量非螯合亚铁（Fe2+）的耐受性显著增强，表现为叶片铁积累减少和青铜化症状（LBS）减轻。这一发现为理解植物铁稳态调控提供了新视角，并为水稻铁毒性耐受育种提供了潜在靶点。研究还强调了铁源选择（FeSO4 vs Fe(III)-EDTA）在实验中的重要性。

　　

摘要

铁（Fe）毒性是限制东南亚和非洲水稻产量的重要因素。本研究聚焦于有机酸在铁毒性耐受中的作用，发现木质部柠檬酸转运蛋白FRDL1的缺失能显著降低水稻在过量FeSO₄条件下的叶片青铜化症状（LBS），但对Fe(III)-EDTA处理的耐受性无改善。这一效应与叶片铁浓度降低直接相关，揭示了通过调控柠檬酸依赖性铁转运实现外排耐受的新机制。

引言

作为全球主粮作物，水稻在铁过剩土壤中面临严重的铁毒性胁迫。铁毒性典型表现为叶片青铜化和生长抑制，其耐受机制可分为"包容型"和"排除型"。已知烟酰胺合成酶OsNAS3和铁感受器OsHRZ2参与耐受调控，但柠檬酸转运蛋白的作用尚不明确。

材料与方法

实验采用日本晴（Nipponbare）背景的FRDL1敲除突变体NC2637，通过水培体系比较不同铁源（FeSO₄和Fe(III)-EDTA）处理下的表型变化。关键检测指标包括：

1. 1.

   叶片青铜化评分（LBS）

2. 2.

   组织铁浓度测定（DCB法去除根表铁膜）

3. 3.

   柠檬酸回补实验

4. 4.

   遗传分离分析（与铁敏感品种Ciherang杂交）

结果

1. 1.

   FRDL1缺失减轻FeSO₄毒性

   NC2637在5.4 mM FeSO₄处理下LBS降低50%，而FRDL4突变体无此效应。补充1 mM柠檬酸可逆转NC2637的耐受表型，证实柠檬酸依赖性机制。

2. 2.

   铁源特异性响应

   Fe(III)-EDTA处理时NC2637反而表现更敏感，说明螯合铁与非螯合铁的转运途径存在本质差异。两种铁源处理下的pH动态监测显示溶液化学环境显著不同。

3. 3.

   铁分布模式改变

   NC2637的幼叶铁浓度在FeSO₄处理下降低30-40%，而茎和根中保持不变。遗传分离实验证实FRDL1突变与低叶铁浓度的共分离现象。

4. 4.

   生理机制解析

   FRDL1缺失导致木质部柠檬酸减少，限制Fe³⁺-柠檬酸复合物形成。FeSO₄吸收后可能在根中被氧化为Fe³⁺，进而依赖柠檬酸转运。

讨论

本研究首次阐明：

• •

  木质部柠檬酸转运通过调控Fe³⁺螯合影响铁毒性

• •

  铁源化学形态决定耐受机制的有效性

• •

  实际田间应用需平衡FRDL1功能与生殖发育的关系

这些发现为理解植物铁稳态提供了新视角，并为培育适应铁毒土壤的水稻品种提供了分子靶点。未来研究应关注自然变异中FRDL1表达调控的农艺价值。