摘要
你知道嗎？鐵元素雖然是植物生長必不可少的營養(yǎng)，但“過猶不及”，太多的鐵反而會變成“毒藥”，損害植物組織，阻礙生長。幸運的是，植物也有自己的應(yīng)對策略。煙草胺 (Nicotianamine, NA) 就像植物體內(nèi)一位“金屬管家”，負(fù)責(zé)維持各種金屬離子的平衡。水稻體內(nèi)有三個基因負(fù)責(zé)制造這位“管家”，分別是 OsNAS1、OsNAS2 和 OsNAS3。有趣的是，前兩個基因在缺鐵時特別活躍，幫助水稻吸收和運輸鐵，而 OsNAS3 在缺鐵時卻比較“沉默”。科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一個反常現(xiàn)象：當(dāng)水稻面臨過量鐵的“毒害”時，OsNAS3 基因，尤其是在老葉片中，會變得異?；钴S！這暗示它可能在幫助水稻“解毒”方面扮演著關(guān)鍵角色。
引言：鐵，天使還是魔鬼？
鐵元素，對于包括人類在內(nèi)的大多數(shù)生命來說，都是不可或缺的微量元素。在植物世界里，鐵同樣扮演著至關(guān)重要的角色，當(dāng)環(huán)境中的鐵含量過高，這位“營養(yǎng)天使”就會搖身一變，成為可怕的“健康殺手”。
特別是在一些被水淹沒的酸性土壤環(huán)境中 (比如南方的許多稻田)，土壤中的鐵更容易以溶解度更高的亞鐵離子 (Fe2?) 形式存在 (Stumm and Lee, 1961)。這種高濃度的亞鐵離子一旦被水稻大量吸收，就會引發(fā)“鐵中毒”.最終嚴(yán)重影響水稻的生長和收成 (NRCS, 2005; von Uexküll and Mutert, 1995)。
面對鐵過量的威脅，植物并非束手無策…它們發(fā)展出了一套套精確而復(fù)雜的調(diào)控機制來維持體內(nèi)的鐵平衡 (Hell and Stephan, 2003; Takahashi et al., 2003)。其中一位重要的“調(diào)控大師”就是一種叫做煙草胺 (Nicotianamine, NA) 的小分子物質(zhì).它能牢牢抓住像鐵離子 (Fe2?)、鋅離子 (Zn2?) 這樣的金屬陽離子 (Higuchi et al., 1994)。
在水稻中，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了三個負(fù)責(zé)合成 NA 的基因：OsNAS1、OsNAS2 和 OsNAS3 (Higuchi et al., 2001; Inoue et al., 2003)。有趣的是，OsNAS1 和 OsNAS2 在“缺鐵”時活躍，而 OsNAS3 在缺鐵時卻相對“低調(diào)” (Inoue et al., 2003)。
新發(fā)現(xiàn)：OsNAS3，應(yīng)對鐵過量的“幕后英雄”？
既然 OsNAS3 在缺鐵時不那么重要，那它扮演著什么角色呢？一項轉(zhuǎn)錄組學(xué) (transcriptomics) 的研究帶來了一個令人驚訝的發(fā)現(xiàn)：當(dāng)水稻遭遇“鐵過量”脅迫時，OsNAS3 基因的表達(dá)量在水稻的各個部位，尤其是老葉片中，會急劇上升 (Aung et al., 2018)！
難道 OsNAS3 是應(yīng)對鐵毒性的“幕后英雄”？它合成的 NA 在過量鐵條件下又起著什么作用呢？為了解開這些謎團(tuán)，研究團(tuán)隊展開了深入的探索。
探尋 OsNAS3 的“工作崗位”：顯微鏡下的追蹤
為了弄清楚 OsNAS3 基因到底在水稻的哪些部位“努力工作”，科學(xué)家們首先需要能夠“看見”基因的活動…他們利用了一種巧妙的技術(shù)，給基因的活動區(qū)域打上“藍(lán)色標(biāo)記”。…構(gòu)建了特殊的“報告水稻”…當(dāng) OsNAS3 基因的“開關(guān)”被打開時，GUS 基因就會表達(dá)，產(chǎn)生一種酶，催化一種無色底物變成醒目的藍(lán)色沉淀。
但是，要讓這種藍(lán)色標(biāo)記清晰地顯現(xiàn)在細(xì)胞層面，需要先將組織制作成非常薄的切片。研究人員首先取樣，然后用瓊脂 (agar) 固定。
然后他們用了?DTK-1000N?振動切片機，將組織樣本切成只有 100 微米 厚的薄片。
DTK-1000N 的作用：?能將新鮮組織切成幾十微米厚的薄片，只有這種高質(zhì)量的薄片，后續(xù)染色才能均勻滲透，光線才能穿透，從而在顯微鏡下清晰觀察細(xì)胞結(jié)構(gòu)和藍(lán)色標(biāo)記的位置。沒有它，后續(xù)觀察就無法準(zhǔn)確進(jìn)行。
切片制作完成后，進(jìn)行 GUS 染色，最后在顯微鏡下觀察。結(jié)果非常清晰 (見 圖 1 和 圖 2)：在過量鐵處理下，藍(lán)色幾乎遍布了水稻的根系 (尤其在表皮、外皮層及維管束中)，莖稈和老葉片中活性也顯著增強。
圖 1 & 2 (示意): OsNAS3 基因在過量鐵下的活躍區(qū)域
圖一
圖二
藍(lán)色區(qū)域代表 OsNAS3 基因表達(dá)活躍。
接下來，研究人員想看看水稻體內(nèi)的“金屬管家”NA 和“幫手”DMA 在鐵過量時的含量如何 (見 圖 6，)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，它們依然存在，但總量并未顯著升高，暗示 NA 的主要使命可能不同。
圖 6
失去 OsNAS3 的水稻：不堪一擊
為了直接證明 O1sNAS3 的重要性，科學(xué)家們研究了 OsNAS3 基因被“敲除”的水稻突變體 (Lee et al., 2009)。
▶ 結(jié)果顯示 (見 圖 7 & 圖 8)：在過量鐵脅迫下，敲除體水稻表現(xiàn)更差：植株矮小、根系受阻、干重減少、葉片褐變嚴(yán)重。
圖7
圖8
▶ 更關(guān)鍵的是，這些 OsNAS3 缺失的水稻葉片中積累了遠(yuǎn)超正常水平的鐵 (見 圖 9A)，且鐵中毒染色更明顯 (見 圖 10)。
圖9
圖10
這說明，沒有 OsNAS3 的保護(hù)，水稻對過量鐵的毒性異常敏感。
“富含”NA 的水稻：從容應(yīng)對
反過來，如果讓水稻生產(chǎn)更多的 NA 呢？研究團(tuán)隊利用了一種能多生產(chǎn) 15 倍 NA 的轉(zhuǎn)基因水稻 (Masuda et al., 2009)。
▶ 結(jié)果發(fā)現(xiàn)：這種“富含”NA 的水稻在面對過量鐵時表現(xiàn)“從容”，展現(xiàn)出顯著的耐受性。
OsNAS3 的智慧：解毒而非運輸
綜合所有證據(jù)，科學(xué)家們得出結(jié)論：OsNAS3 基因是應(yīng)對鐵過量脅迫的關(guān)鍵。它生產(chǎn)的 NA 主要功能是緩解鐵毒性。NA 像“解毒劑”一樣抓住過量的鐵離子，阻止它們產(chǎn)生破壞性的活性氧 (ROS) (von Wirén et al., 1999)，從而保護(hù)細(xì)胞。
這與 OsNAS1/OsNAS2 在正常或缺鐵時促進(jìn)鐵吸收運輸的功能形成了鮮明對比。OsNAS3 是鐵過量時的“應(yīng)急防御系統(tǒng)”。
更廣泛的意義：緩解缺鋅？
研究還帶來了一個額外啟示。鐵過量往往導(dǎo)致植物“繼發(fā)性”缺鋅 (Aung et al., 2018)。NA 也是運輸鋅的重要分子 (Clemens et al., 2013)。OsNAS3 缺失影響了鋅的運輸，且 OsNAS3 在缺鋅時也會被誘導(dǎo) (Suzuki et al., 2008)。
▶ 這暗示 OsNAS3 合成的 NA 可能還肩負(fù)著維持鋅穩(wěn)態(tài)、緩解缺鋅問題的“雙重任務(wù)”。
文章來源：Aung MS, Masuda H, Nozoye T, Kobayashi T, Jeon JS, An G, Nishizawa NK. Nicotianamine Synthesis by?OsNAS3?Is Important for Mitigating Iron Excess Stress in Rice. Front Plant Sci. 2019 Jun 4;10:660. doi: 10.3389/fpls.2019.00660. PMID: 31231401; PMCID: PMC6558524.
結(jié)語：來自水稻的啟示
OsNAS3 基因扮演著鐵過量誘導(dǎo)的“解毒”基因角色。這一發(fā)現(xiàn)為我們改良作物品種提供了新的思路和基因工具，有望培育出更能適應(yīng)不良土壤環(huán)境的水稻新品種，為全球糧食安全貢獻(xiàn)力量。
