玉米/花生间作促进花生铁吸收和体内转运的分子生态机制

以华北当前生产中应用面积较大且间作优势明显的玉米/花生间作能够改善花生铁营养的现象为主题,多年系统研究表明间作不仅促进花生对根际铁的吸收,初步发现间作促进了控制铁在根细胞内平衡和向地上部转移的基因表达，并克隆获得了花生根系这些新基因（AhYSL1,AhNRAMP1,AhFRDL1）,以此为依据进一步从分子功能和生理过程相结合证明间作中玉米所产生Fe3+-PS在花生根际是被花生优先还原吸收或是能够直接运输进入根细胞，同时证明所发现的花生新基因对促进铁在根细胞内平衡和向地上部运移的分子功能以及间作对其时空表达的影响，从而阐明间作促进花生对铁的吸收和体内转运同步进行，而且这两个过程所涉及的分子和生态的系统协调反应机制对玉米改善花生铁营养具有重要作用，这对如何利用模式植物资源研究田间作物的基因功能和间作高效利用养分资源的分子生态效应提供可靠的理论和技术依据，对于理解基因与环境作用具有重要的科学价值

本研究以华北平原当前生产中应用面积较大，且间作优势明显的玉米/花生间作能够改善花生铁营养和促进生态资源优势的现象为主题，多年系统研究表明在石灰性土壤条件下，从生理生化水平而言铁高效的机理II植物玉米植物铁载体合成和分泌这一生态优势不仅能够满足其自身对铁的需求，更为重要的是能够明显地促进铁低效的机理I植物花生根系对铁的吸收和体内运输，本研究以此为依据和切入点进一步从分子水平研究玉米根系分泌的麦根酸所螯合的铁如何被花生吸收利用以及间作调控作物吸收转运铁的生物学机制和生态适应规律，其研究结果主要包括：1.从分子水平突破性地证明了石灰性土壤条件下玉米分泌的麦根酸对改善花生铁营养具有重要的作用。通过将花生与玉米不能分泌麦根酸的突变体间作，表明石灰性土壤上的间作体系中玉米根系分泌的麦根酸在改善花生铁营养方面发挥了关键的作用；2.运用分子和生理水平证据开创性地阐明了间作根际机理II植物玉米所产生的麦根酸铁复合物可能被机理I植花生直接吸收利用。通过高效液相色谱/电喷雾电离-飞行时间质谱联用技术证明间作花生根系中不仅存在麦根酸，而且其浓度达到130 -240 nmol/g FW，表明铁高效的机理II植物所活化的麦根酸铁复合物可能被花生直接吸收利用；同时首次发现并证明了未测序完全的花生根系存在能够吸收麦根酸铁复合物的YSL基因，存在于花生根系表皮细胞中的AhYSL1 基因能够专一性的吸收转运麦根酸铁复合物；3.首次证明了花生中克隆获得AhNRAMP1基因参与了铁的吸收，研究表明AhNRAMP1基因是一个位于花生根系表皮细胞能够跨膜运输铁的转运蛋白，该基因能够明显提高植物的抗缺铁能力，间作可能通过调控该基因的表达而影响花生对铁的的吸收和运输；4. 从蛋白组的水平阐明玉米/花生间作这一生产调控措施不仅改善花生铁营养提高作物光合效率，单作花生和玉米胁迫相关蛋白都表达上调，表明单作处于相对胁迫状态。茉莉酸合成途径中两个关键基因蛋白都在间作玉米根系检测到较高的表达，暗示茉莉酸作为信号物质通过根际相互作用在间作系统中发挥重要的作用,而且间作体系提高了作物的抗逆适应性。.上述研究成果对于从分子、生理和生态层面理解利用不同植物生物学特性的互惠作用改善根际生态环境、活化和提高作物铁营养和资源高效利用的效应与机制提供重要的理论和技术依据。