植物铁营养iron in plant nutrition

植物对铁的吸收以及铁在植物体内的运输和代谢。铁是植物生长必需的一种微量营养元素。在正常土壤pH值条件下，无机离子态铁(Fe³⁺和Fe²⁺)的浓度非常低(10^-10摩尔/升或更低)。因此，三价铁（偶然也有二价铁的螯合物）是土壤和营养液中可溶性铁的主要形式。铁对各种配位体(如有机酸、无机磷酸盐等)都有很强的亲和力，铁亦以螯合形态在植物运输体系中存在，配位化合物的形成和它在可逆的氧化还原反应体系中的作用(Fe²⁺⇌Fe³⁺+e^-)构成了铁的主要代谢功能。
铁的吸收、运输 植物根系吸收的铁，以Fe²⁺为主，Fe³⁺是次要的，有时也可以吸收一定数量的螯合态铁。无机铁对植物根系的有效性决定于植物根系在根际范围内降低pH值和使Fe³⁺还原为Fe²⁺的能力。
与无机铁不同，螯合态铁是可溶性的，因而它对作物根系吸收是有效的。但是以完整螯合态铁分子而被吸收是很少的。植物为了提高对铁的吸收和利用，当螯合态铁补充到植物根系时，在根表螯合物中的Fe³⁺先被还原使之与有机配位体分离，分离出来的Fe²⁺被植物吸收。在铁的吸收过程中，根表Fe³⁺的还原作用很重要。一种电子源从细胞质经过细胞色素和黄素化合物调节质膜外Fe³⁺的还原作用。不同植物种对铁的吸收和利用能力不同。对铁利用能力高的植物能在铁不足的情况下降低生长基质中的pH值，提高根表还原铁的能力。根系分泌的质子和有机螯合物是植物吸收土壤中无机铁的重要机理。螯合物活化土壤中铁的作用如图1所示。根系分泌的螯合物，溶解土壤中的铁，形成可溶性铁螯合物，提高土壤溶液中铁的浓度，借质流和扩散作用移至根表，铁螯合物中的铁在根表先被还原，使铁离子与螯合剂分离，以Fe²⁺的形态进入根系。
许多植物缺铁与明显的根系形态变化相联系。缺铁时根的生长受阻，根尖部分直径增加，产生大量的根毛且在根的表皮细胞中含有明显的转移细胞。缺铁导致根表皮中转移细胞的形成，是植物增强对铁吸收能力的调节机制之一。这种情况只有在能酸化介质的某种植物的根上能够观察到。
转移细胞的特点是代谢活性强，并对溶质运输起重要作用（如韧皮部装载）。缺铁植物根表皮转移细胞很可能既是H⁺外溢泵，也是酚类化合物外泌的场所。恢复供铁后一二天内，转移细胞退化。同时，铁的吸收速率、H⁺外溢和酚类化合物的分泌都降至正常水平。
当铁的供应低于最佳量时，根的形态和根系诱发的介质pH值变化以及铁的吸收速率出现节奏性的变化，但茎叶的生长速度和叶绿素含量仍保持不变。
植物对缺铁的上述反应机制未在禾本科植物中观察到，因缺铁禾本科植物有另一种反应机制。禾本科植物对石灰引起的失绿症不如大多数双子叶植物敏感。在缺铁的禾本科植物根中有非蛋白质氨基酸累积并释放出来，其中麦根酸(mugencic acid)和燕麦酸(avenicacid)已被鉴定出来。这些氨基酸能与Fe³⁺形成稳定性高的复合体，并在高pH值条件下能极有效地溶解难溶性的水合氧化铁。这种化学性质与烟草胺的存在有密切关系。烟草胺广泛分布在高等植物体内，并且是Fe²⁺的有效螯合剂。由于缺铁反应，禾本科植物将烟草胺转变为燕麦酸类物质，并释放到根际中。这些氨基酸起着植物含铁载体的作用，靠其螯合作用活化Fe³⁺,Fe³⁺—螯合物被输入到根细胞中。
铁的吸收和运输受植物激素如生长素的控制。植物的铁营养状况可转变为一种“信号”，它使植株产生铁供应的细微调节。铁的吸收主要在能产生生长素的根尖，根尖与土壤的接触面是有限的。因此，植物对铁的吸收靠不断长出新的根尖来完成。
植物对铁的吸收也受其他阳离子的影响，Cu²⁺、Zn²⁺、Mn²⁺对铁的吸收有竞争作用，特别是锌和铜可从螯合物中置换铁，而形成相应的重金属螯合物。这些重金属离子在土壤中会影响铁螯合物向根表移动，也能影响植物体内铁的运输，从而影响铁的吸收和利用。在石灰性土壤的农田中，大量施用磷肥，也会诱导作物缺铁。在植物体内过多磷的存在会引起铁的沉淀，抑制铁的运输。可见元素间的平衡对防止缺铁失绿症很重要。
铁的生理功能 铁与其他重金属元素，主要是过渡金属元素，作为辅酶或活化剂参与许多酶反应，形成酶—底物—金属络合物，或者在金属—蛋白（酶）中作为活性基团，催化多种生化反应。这里起催化作用的是金属原子化合价的变化和电子的传递。如果基质中铁、锰、铜的供应不足，将直接影响光合作用和呼吸作用中的电子传递。

图1 螯合物活化铁的示意图

铁在酶系统中有铁—硫蛋白和铁—卟啉蛋白两大类。铁氧还蛋白(ferredoxin,Fd)属于铁—硫蛋白，存在于叶绿体中。叶绿体中有可溶性的铁氧还蛋白及膜结合态铁氧还蛋白。可溶态铁氧还蛋白的分子量为12 000。每1个分子含2个铁原子和2个无机硫原子。其氧化态的2个铁原子均为Fe³⁺，而还原态中有一个铁原子为Fe²⁺，从而铁氧还蛋白充当一个电子载体的作用(图2)。铁氧还蛋白具有很高的负氧还电位(-0.43伏特)，能还原多种物质，如NADP⁺、O₂、亚硝酸、硫酸盐和血红蛋白(图3)。

图2 铁氧还蛋白结构示意
Cys为半胱氨酸；P为蛋白质

图3 铁氧还蛋白的可能电子受体

在铁—卟啉蛋白中铁是作为高铁血红素(heam)或氧化血红素的辅基。铁的作用与存在于叶绿素的卟啉结构中镁的作用相似。这些高铁血红酶系统包括过氧化氢酶、过氧化物酶、细胞色素氧化酶以及各种细胞色素。过氧化氢酶和过氧化物酶催化下列反应：

H₂O₂+H₂O₂O₂+ 2H₂O

AH₂+H₂O₂A+2H₂O

细胞色素在电子传递中起重要作用，呼吸链末端也有细胞色素氧化酶的参与。当铁的供应不足时，所有这些酶的活性均降低。
在第二种类型的反应中，结合在细胞壁上的过氧化物酶催化酚类化合物聚合成木质素的反应。在根表皮和内皮层细胞壁中有大量的过氧化物酶，对铁的吸收具有调节作用。因为合成木质素的酚类化合物被释放到表皮细胞质外体中，在H₂O₂参与下合成木质素。H₂O₂由质膜上NADH氧化所产生，受另一种过氧化物酶催化，其原理如图4所示。
虽然铁血红素在植物代谢中极为重要，但血红素中的铁仅占叶子中全铁量的0.1%，大部分铁是以铁磷蛋白的形态贮存，称为植物铁蛋白(phytoferritin)。叶子中植物铁蛋白贮存作为形成质体(plastids)用，它是进行光合作用所必需。叶绿体中含有大量的植物铁蛋白，所含铁占植物体中全铁的80%。

图4 过氧化物酶作用与木质素合成间的关系

绿色植物铁的供应水平和叶绿素之间常有良好的相关性。植物铁素营养充足，叶绿素含量就高；植物缺铁时，含铁的酶如过氧化氢酶和过氧化物酶的活性减低(表1)。

表1 铁的供应对番茄中铁和叶绿素含量及酶活性的影响

处理	铁的含量 (μg/g，鲜重)		叶绿素含量 (mg/g，鲜重)	相对酶活性(%)
	HCl可 溶性铁	总 量		过氧化 氢酶	过氧化 物酶
铁充足 铁缺乏	10.3 4.3	18.5 11.1	3.52 0.25	100 20	100 56

铁的缺乏和中毒 叶片中缺铁的临界值在50～150毫克/千克干重范围内。缺铁是石灰性土壤上作物生产的全球性问题，它是所谓石灰引起的失绿症的主要原因。石灰性土壤约占全世界总面积的1/3，缺铁对农业生产影响巨大。农作物对缺铁的敏感程度有很大的差异，可分为三类(表2)。

表2 农作物对缺铁的敏感程度

敏 感	中度敏感	不敏感
果 树 大 豆 花 生 蔬 菜	玉 米 高 粱 苜 蓿 三叶草	大 麦 小 麦 水 稻 马铃薯 甜 菜

植物缺铁和缺镁时均会使叶绿素的合成遭到破坏。但缺铁失绿症总是从幼嫩叶开始出现，大部分品种缺绿症经常是在浅绿或黄的叶片衬托下更为明显。最幼嫩的叶子常为浅黄或白色，这反映铁在植物体内的移动性和再利用很差。
除一些土壤因子能导致植物铁供应异常外，其他营养元素往往影响铁的吸收，或者存在着颉颃作用。例如，植物缺铁失绿有时与施用较多的氮肥有关。施用硝态氮和铵态氮的情况又不相同，因为硝态氮和铵态氮控制着阳离子与阴离子间的平衡和根际pH值的变化。这两类氮肥对于植物摄取铁有相反的作用，施用多量的硝态氮肥易于发生缺铁失绿，而施用铵态氮肥时，根际酸化有利于使铁活化，促进铁的吸收。
当土壤或营养液中磷的浓度过高时，一些植物会出现缺铁失绿症状，这可能是由于形成磷酸铁而在根内和根表面沉淀下来。试验证明在根部的铁和磷的浓度要比地上部分高出8～10倍，高浓度的磷和铁在植物根部形成磷酸铁，使铁失去移动性。当pH值大于7时，这种情况更为严重。因此，植物的铁磷比值往往比铁含量更能反映铁的营养状况。在缺铁失绿的植株内铁的含量可能是正常的，但P/Fe比值往往较高。磷过多而导致磷铁比值失调，抑制植物吸收铁，且使铁的可溶性和移动性减弱。
铁锰之间也存在着颉颃关系，但这种颉颃关系是单方面的，土壤中锰过多时能导致植物缺铁失绿；铁过多并不一定能够诱发缺锰，这与Fe-Cu之间的关系不同。铁与铜之间也存在着颉颃关系，土壤和营养液中铜的浓度过高时会导致缺铁失绿，铁过多时也会导致缺铜。在中国南方长期渍水的水稻土中常因铁中毒而使水稻生长不良，产量下降。施用铜肥后水稻植株中铁铜比值下降，氧化还原电位升高，铁中毒现象减轻，产量相应提高。
在滞水稻田中，铁的毒害是一个特殊的问题。淹水几个星期可使可溶性铁从0.1毫克/千克上升到50～100毫克/千克。水稻受铁的毒害称为“青铜病”。这种生理失调首先是在叶片上表现出褐色的小斑点，然后发展成为均匀的褐色。当水稻叶片含铁量达300毫克/千克时经常出现这种现象。水稻田中铁的毒害与钾的缺乏往往是相联系的。当钾素营养不足时，水稻根系的氧化力降低，Fe²⁺氧化成Fe³⁺的能力受到损害。
植物缺铁的校正 施用含铁肥料或者使土壤酸化都有助于改善植物的铁营养。常用的铁肥有硫酸亚铁和螯合态铁。施无机铁盐于土壤以校正缺铁失绿症的效果不好。因为Fe²⁺很快被氧化成Fe³⁺，转变成难溶性的氧化物。即使用无机亚铁盐溶液喷洒叶面，效果也不太理想。如用铁的螯合物作肥料，无论是施入土中或叶面喷施的效果均较好。不过，EDTA铁盐在pH值为6以上时不稳定，因而在石灰性土壤上施用时效果不佳，一般多以其溶液用于叶面喷施。
施用铵态氮肥可使土壤酸化，尤其集中施于条沟时，能增加植物对铁的吸收。施用厩肥也能有效地校正植物缺铁失绿症。因为有机肥料分解时放出大量CO2和电子，具有很强的还原作用，在土壤中产生很多还原性很强的微区，有利于铁的溶解。另外，有机肥料分解产生的有机阴离子，特别是专性的铁载体，有利于土壤中铁的移动和植物对铁的吸收。