[知识分享]Nature Communications | 解开水稻“营养运输”的一大谜题: 铁元素如何精准送到最需要的地方?

铁是植物生长发育所必需的微量元素，在植物的多个器官和组织中发挥关键作用。然而，铁在根部吸收后如何向上部分配的分子机制尚不清楚。本研究鉴定了一个在水稻节点中高表达的基因OsIET1，其编码一个质膜定位的蛋白，具有亚铁外排转运活性。该基因主要在扩散维管束的木質部区域表达，且其表达在高铁条件下上调。敲除OsIET1会破坏铁的分配，减少铁向发育组织（如幼叶和籽粒）的运输，同时增加铁在节点和老叶中的积累。这种分配异常导致幼叶出现萎黄病，并降低产量，尤其在缺铁条件下更为明显。此外，我们在节点的扩散维管束木質部周围观察到过量铁的沉积。鉴于节点在矿物质分配中的关键作用，我们的结果表明，OsIET1通过促进铁向扩散维管束木質部的装载，介导了维管间的铁转移，从而确保铁优先供应给发育组织，促进植物的最佳生长和产量。

图1：OsIET1的表达模式

a.不同生育期各器官中OsIET1的表达量：在节点中表达最高，尤其是在生殖生长期的NodeI。

b.金属缺乏处理下OsIET1的表达：仅在缺铁条件下显著下调。

c.铁浓度梯度实验：表达量随铁浓度升高而上调。

d.时间梯度实验：铁诱导表达在2小时内出现并持续至24小时。

结论：OsIET1在节点中高表达，且受铁供应正调控。

GFP-OsIET1信号位于细胞外周（质膜），而GFP对照组分布于细胞质和细胞核。

与DsRed（细胞质/核标记）共表达进一步确认其质膜定位。

结论：OsIET1是一个质膜定位蛋白，不同于大多数VIT家族成员。

图3：OsIET1的组织与细胞特异性表达

使用pOsIET1::GFP转基因株系进行免疫染色：

在营养生长期：在DVB/RVB的木質部、EVB的木質部-韧皮部边界表达。

在生殖生长期：主要在NodeI的DVB木質部表达。

与LMD-RNA-seq结果一致。

结论：OsIET1在节点的扩散维管束木質部特异性表达。

图4：OsIET1的转运活性

a.纯化的OsIET1蛋白条带与Western验证。

b.在pH7.5条件下，OsIET1蛋白脂质体表现出显著的Fe(II)转运活性，且依赖于质子梯度（CCCP抑制）。

c.转运活性对Fe(II)高度特异，不受其他二价金属离子竞争抑制。

结论：OsIET1是一个质子偶联的Fe(II)外排转运蛋白。

图5：iet1突变体在营养生长期的表型

a.在低铁条件下，突变体幼叶出现萎黄病。

b.SPAD值（叶绿素含量）在低铁条件下显著降低。

c.根部铁含量无差异。

d.地上部总铁含量在高铁条件下反而升高。

结论：突变体虽整体铁含量不低，但出现缺铁症状，提示铁分配异常。

图6：iet1突变体中铁的分布变化

突变体节点区域铁含量显著升高，而幼叶中铁含量降低。

铁向幼叶的分配比例下降，向节点和老叶的比例上升。

结论：OsIET1缺失导致铁在节点中滞留，无法向幼叶有效运输。

图7：节点中铁的沉积定位（Perls’blue染色）

在突变体节点的薄壁细胞桥区域出现明显蓝色信号（铁沉积）。

说明铁在节点中积累，无法被有效装载至DVB木質部。

突变体在节点中积累更多新吸收的57Fe，而幼叶中较少。

进一步证实OsIET1参与铁向发育组织的优先分配。

图9：iet1突变体在生殖生长期的表型（水培）

突变体生长受阻，旗叶和第二叶出现萎黄病。

节点中铁含量升高，而旗叶和穗中铁含量降低。

图10：

iet1突变体在田间成熟期的表型