摘要(yào / yāo)
你知道(dào)嗎？鐵元素雖然是(shì)植物生長必不(bù)可少的(de)營養，但“過猶不(bù)及”，太多的(de)鐵反而(ér)會變成“毒藥”，損害植物組織，阻礙生長。幸運的(de)是(shì)，植物也(yě)有自己的(de)應對策略。煙草胺 (Nicotianamine, NA) 就(jiù)像植物體内一(yī / yì ／yí)位“金屬管家”，負責維持各種金屬離子(zǐ)的(de)平衡。水稻體内有三個(gè)基因負責制造這(zhè)位“管家”，分别是(shì) OsNAS1、OsNAS2 和(hé / huò) OsNAS3。有趣的(de)是(shì)，前兩個(gè)基因在(zài)缺鐵時(shí)特别活躍，幫助水稻吸收和(hé / huò)運輸鐵，而(ér) OsNAS3 在(zài)缺鐵時(shí)卻比較“沉默”。科學家們發現了(le／liǎo)一(yī / yì ／yí)個(gè)反常現象：當水稻面臨過量鐵的(de)“毒害”時(shí)，OsNAS3 基因，尤其是(shì)在(zài)老葉片中，會變得異常活躍！這(zhè)暗示它可能在(zài)幫助水稻“解毒”方面扮演着關鍵角色。
引言：鐵，天使還是(shì)魔鬼？
鐵元素，對于(yú)包括人(rén)類在(zài)内的(de)大(dà)多數生命來(lái)說(shuō)，都是(shì)不(bù)可或缺的(de)微量元素。在(zài)植物世界裏，鐵同樣扮演着至關重要(yào / yāo)的(de)角色，當環境中的(de)鐵含量過高，這(zhè)位“營養天使”就(jiù)會搖身一(yī / yì ／yí)變，成爲(wéi / wèi)可怕的(de)“健康殺手”。
特别是(shì)在(zài)一(yī / yì ／yí)些被水淹沒的(de)酸性土壤環境中 (比如南方的(de)許多稻田)，土壤中的(de)鐵更容易以(yǐ)溶解度更高的(de)亞鐵離子(zǐ) (Fe²⁺) 形式存在(zài) (Stumm and Lee, 1961)。這(zhè)種高濃度的(de)亞鐵離子(zǐ)一(yī / yì ／yí)旦被水稻大(dà)量吸收，就(jiù)會引發“鐵中毒”.最終嚴重影響水稻的(de)生長和(hé / huò)收成 (NRCS, 2005; von Uexküll and Mutert, 1995)。
面對鐵過量的(de)威脅，植物并非束手無策…它們發展出(chū)了(le／liǎo)一(yī / yì ／yí)套套精确而(ér)複雜的(de)調控機制來(lái)維持體内的(de)鐵平衡 (Hell and Stephan, 2003; Takahashi et al., 2003)。其中一(yī / yì ／yí)位重要(yào / yāo)的(de)“調控大(dà)師”就(jiù)是(shì)一(yī / yì ／yí)種叫做煙草胺 (Nicotianamine, NA) 的(de)小分子(zǐ)物質.它能牢牢抓住像鐵離子(zǐ) (Fe²⁺)、鋅離子(zǐ) (Zn²⁺) 這(zhè)樣的(de)金屬陽離子(zǐ) (Higuchi et al., 1994)。
在(zài)水稻中，科學家們發現了(le／liǎo)三個(gè)負責合成 NA 的(de)基因：OsNAS1、OsNAS2 和(hé / huò) OsNAS3 (Higuchi et al., 2001; Inoue et al., 2003)。有趣的(de)是(shì)，OsNAS1 和(hé / huò) OsNAS2 在(zài)“缺鐵”時(shí)活躍，而(ér) OsNAS3 在(zài)缺鐵時(shí)卻相對“低調” (Inoue et al., 2003)。
新發現：OsNAS3，應對鐵過量的(de)“幕後英雄”？
既然 OsNAS3 在(zài)缺鐵時(shí)不(bù)那麽重要(yào / yāo)，那它扮演着什麽角色呢？一(yī / yì ／yí)項轉錄組學 (transcriptomics) 的(de)研究帶來(lái)了(le／liǎo)一(yī / yì ／yí)個(gè)令人(rén)驚訝的(de)發現：當水稻遭遇“鐵過量”脅迫時(shí)，OsNAS3 基因的(de)表達量在(zài)水稻的(de)各個(gè)部位，尤其是(shì)老葉片中，會急劇上(shàng)升 (Aung et al., 2018)！
難道(dào) OsNAS3 是(shì)應對鐵毒性的(de)“幕後英雄”？它合成的(de) NA 在(zài)過量鐵條件下又起着什麽作用呢？爲(wéi / wèi)了(le／liǎo)解開這(zhè)些謎團，研究團隊展開了(le／liǎo)深入的(de)探索。
探尋 OsNAS3 的(de)“工作崗位”：顯微鏡下的(de)追蹤
爲(wéi / wèi)了(le／liǎo)弄清楚 OsNAS3 基因到(dào)底在(zài)水稻的(de)哪些部位“努力工作”，科學家們首先需要(yào / yāo)能夠“看見”基因的(de)活動…他(tā)們利用了(le／liǎo)一(yī / yì ／yí)種巧妙的(de)技術，給基因的(de)活動區域打上(shàng)“藍色标記”。…構建了(le／liǎo)特殊的(de)“報告水稻”…當 OsNAS3 基因的(de)“開關”被打開時(shí)，GUS 基因就(jiù)會表達，産生一(yī / yì ／yí)種酶，催化一(yī / yì ／yí)種無色底物變成醒目的(de)藍色沉澱。
但是(shì)，要(yào / yāo)讓這(zhè)種藍色标記清晰地(dì / de)顯現在(zài)細胞層面，需要(yào / yāo)先将組織制作成非常薄的(de)切片。研究人(rén)員首先取樣，然後用瓊脂 (agar) 固定。
然後他(tā)們用了(le／liǎo) DTK-1000N 振動切片機，将組織樣本切成隻有 100 微米 厚的(de)薄片。
DTK-1000N 的(de)作用： 能将新鮮組織切成幾十微米厚的(de)薄片，隻有這(zhè)種高質量的(de)薄片，後續染色才能均勻滲透，光線才能穿透，從而(ér)在(zài)顯微鏡下清晰觀察細胞結構和(hé / huò)藍色标記的(de)位置。沒有它，後續觀察就(jiù)無法準确進行。
切片制作完成後，進行 GUS 染色，最後在(zài)顯微鏡下觀察。結果非常清晰 (見 圖 1 和(hé / huò) 圖 2)：在(zài)過量鐵處理下，藍色幾乎遍布了(le／liǎo)水稻的(de)根系 (尤其在(zài)表皮、外皮層及維管束中)，莖稈和(hé / huò)老葉片中活性也(yě)顯著增強。
圖 1 & 2 (示意): OsNAS3 基因在(zài)過量鐵下的(de)活躍區域
圖一(yī / yì ／yí)
圖二
藍色區域代表 OsNAS3 基因表達活躍。
接下來(lái)，研究人(rén)員想看看水稻體内的(de)“金屬管家”NA 和(hé / huò)“幫手”DMA 在(zài)鐵過量時(shí)的(de)含量如何 (見 圖 6，)。結果發現，它們依然存在(zài)，但總量并未顯著升高，暗示 NA 的(de)主要(yào / yāo)使命可能不(bù)同。
圖 6
失去 OsNAS3 的(de)水稻：不(bù)堪一(yī / yì ／yí)擊
爲(wéi / wèi)了(le／liǎo)直接證明 O1sNAS3 的(de)重要(yào / yāo)性，科學家們研究了(le／liǎo) OsNAS3 基因被“敲除”的(de)水稻突變體 (Lee et al., 2009)。
▶ 結果顯示 (見 圖 7 & 圖 8)：在(zài)過量鐵脅迫下，敲除體水稻表現更差：植株矮小、根系受阻、幹重減少、葉片褐變嚴重。
圖7
圖8
▶ 更關鍵的(de)是(shì)，這(zhè)些 OsNAS3 缺失的(de)水稻葉片中積累了(le／liǎo)遠超正常水平的(de)鐵 (見 圖 9A)，且鐵中毒染色更明顯 (見 圖 10)。
圖9
圖10
這(zhè)說(shuō)明，沒有 OsNAS3 的(de)保護，水稻對過量鐵的(de)毒性異常敏感。
“富含”NA 的(de)水稻：從容應對
反過來(lái)，如果讓水稻生産更多的(de) NA 呢？研究團隊利用了(le／liǎo)一(yī / yì ／yí)種能多生産 15 倍 NA 的(de)轉基因水稻 (Masuda et al., 2009)。
▶ 結果發現：這(zhè)種“富含”NA 的(de)水稻在(zài)面對過量鐵時(shí)表現“從容”，展現出(chū)顯著的(de)耐受性。
OsNAS3 的(de)智慧：解毒而(ér)非運輸
綜合所有證據，科學家們得出(chū)結論：OsNAS3 基因是(shì)應對鐵過量脅迫的(de)關鍵。它生産的(de) NA 主要(yào / yāo)功能是(shì)緩解鐵毒性。NA 像“解毒劑”一(yī / yì ／yí)樣抓住過量的(de)鐵離子(zǐ)，阻止它們産生破壞性的(de)活性氧 (ROS) (von Wirén et al., 1999)，從而(ér)保護細胞。
這(zhè)與 OsNAS1/OsNAS2 在(zài)正常或缺鐵時(shí)促進鐵吸收運輸的(de)功能形成了(le／liǎo)鮮明對比。OsNAS3 是(shì)鐵過量時(shí)的(de)“應急防禦系統”。
更廣泛的(de)意義：緩解缺鋅？
研究還帶來(lái)了(le／liǎo)一(yī / yì ／yí)個(gè)額外啓示。鐵過量往往導緻植物“繼發性”缺鋅 (Aung et al., 2018)。NA 也(yě)是(shì)運輸鋅的(de)重要(yào / yāo)分子(zǐ) (Clemens et al., 2013)。OsNAS3 缺失影響了(le／liǎo)鋅的(de)運輸，且 OsNAS3 在(zài)缺鋅時(shí)也(yě)會被誘導 (Suzuki et al., 2008)。
▶ 這(zhè)暗示 OsNAS3 合成的(de) NA 可能還肩負着維持鋅穩态、緩解缺鋅問題的(de)“雙重任務”。
文章來(lái)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.
結語：來(lái)自水稻的(de)啓示
OsNAS3 基因扮演着鐵過量誘導的(de)“解毒”基因角色。這(zhè)一(yī / yì ／yí)發現爲(wéi / wèi)我們改良作物品種提供了(le／liǎo)新的(de)思路和(hé / huò)基因工具，有望培育出(chū)更能适應不(bù)良土壤環境的(de)水稻新品種，爲(wéi / wèi)全球糧食安全貢獻力量。
