梨缺鐵性黃化病研究進展

盧明艷閆興凱王強武春昊胡明玥張茂君

(1.吉林省農業科學院果樹研究所/農業部東北地區(吉林)果樹科學觀測試驗站，吉林 公主嶺 136100；2.延邊大學農學院，吉林 延吉 133000)

果樹以及林業的許多樹木在生長發育過程中，遭受有害生物侵染或不良氣候、土壤、人為等各種非生物因素脅迫后，導致葉片失綠的癥狀稱為黃化病。果樹黃化是生理性黃化，是由于生長在石灰性土壤上引起的缺素癥造成的。果樹對缺鐵非常敏感，梨樹是缺鐵敏感果樹種類之一，缺鐵脅迫時先表現為新梢先端的幼葉失綠，隨著脅迫加重，葉肉逐漸失綠變黃，嚴重時葉脈褪綠，全葉呈黃白色，葉片邊緣發生干枯斑塊，最后葉片干枯脫落，最終導致樹勢衰弱、果實品質下降甚至死亡，給種植者造成較大的經濟損失。

我國對梨缺鐵性黃化病的研究始于20世紀50年代，隨著科學技術水平的不斷發展，特別是分子生物技術的飛速發展，對梨缺鐵性黃化的研究取得了長足的進展。為了了解和掌握國內這一研究領域的最新進展，本文從土壤、葉片、分子等3個方面對梨缺鐵性黃化病的研究進行梳理，并在此基礎上對梨樹黃化病的矯治方法進行總結和未來的研究進行展望。

1 土壤

土壤是植物生長的介質，其營養物質的含量、營養水平和理化性質等對植物的鐵吸收、利用產生不同程度的影響。

1.1 土壤pH值

鐵在自然界中廣泛存在，土壤中含量豐富，一般含量在1%～20%，平均含量為3.2%，但大部分鐵是以難溶的Fe3+(Fe3O4、Fe2O3、Fe2S3)形式存在，而植物主要吸收利用的是Fe2+[1]，所以土壤中植物可吸收利用的鐵很少，尤其在pH值較高的石灰性土壤和濱海鹽土上，由于鐵易與OH-形成Fe(OH)3而被固定[2]，從而導致梨缺鐵性黃化病的發生。研究表明，在pH較高的堿性土壤上，每增加1個pH單位，土壤溶液中鐵的活性就減小1000倍[3]。黎秀麗[4]研究表明，土壤高pH值是庫爾勒香梨黃化病產生的因素。余存祖等[5]研究表明，我國北方黃土區有效鐵與土壤pH值呈顯著負相關，說明高pH值是影響鐵吸收利用的關鍵因子。但仝月澳等[6]對涿鹿果樹場黃化與正常梨樹土壤的pH值分析表明，二者并沒有很大差異，認為高pH值只是失綠的影響因素之一。周厚基等[7]認為，只有在低鐵的情況下，高pH值才會明顯失綠，如果鐵供應充足，即使pH值達到8.3，植株也不失綠或只有輕微失綠。張朝紅[8]對酥梨根際土研究也表明，高pH值不是引起失綠黃化的直接原因，可能是通過影響土壤其它元素的改變而引起的。何天明[9]也佐證了這一觀點。

1.2 土壤HCO3-

土壤中HCO3-是由CO2溶于水生成的H2CO3水解、CaCO3水解及其它碳酸鹽水解產生的，是果樹缺鐵失綠的主要土壤因子。張福鎖[10]、周厚基等[11]認為HCO3-主要影響鐵的向上運輸，從而降低葉片中鐵含量導致失綠現象產生。周厚基認為，土壤中即使有短暫時間的HCO3-濃度過高，也會引起果樹的失綠[7]。徐慶岫等[12]研究也發現，石灰性土壤中由植物根系和微生物呼吸作用產生的CO2，使碳酸鹽溶解而造成HCO3-聚積,從而導致梨樹黃化病的產生。張朝紅[8]也發現，高HCO3-含量導致酥梨黃化病加重。

1.3 土壤有機質

土壤有機質是反映土壤肥力的一個綜合指標，其含量多少能夠調節土壤中腐殖酸和其它有機酸含量和土壤pH值，從而影響鐵的溶解性。余存祖[8]發現，土壤有機質與有效鐵含量呈顯著正相關。周克昌[13]也發現，即使是在石灰性土壤上，增施有機肥可以減緩或抑制黃化病的發生。劉文國等[14]研究也發現，土壤有機質是引起獼猴桃黃化病的主要因素，正常獼猴桃園土壤有機質含量明顯高于黃化園。因此，增加土壤中有機質含量，提高土壤肥力是解決黃化失綠的有效途徑。

1.4 土壤營養元素

土壤中氮、磷、鉀及礦質養分含量大小對鐵的吸收利用也會產生影響。氮素是植物生長發育的重要大量元素，其形態不同對梨樹缺鐵失綠作用不同。一般認為，硝態氮能夠釋放HCO3-、OH-，增加土壤pH值，常導致梨樹缺鐵失綠。而銨態氮由于釋放H+，降低土壤pH值，而利于鐵的吸收利用。何天明[9]對庫爾勒香梨失綠研究表明，氮素對香梨的失綠影響不大；而張朝紅[8]研究表明，氮隨著酥梨黃化程度的加重，根際富集程度表現增大的趨勢。土壤中磷是以磷酸鹽形式存在，而磷酸根離子易與樹體內的鐵結合形成難溶性化合物，抑制了鐵在樹體內的運輸，從而影響鐵元素參與正常的生理代謝，造成缺鐵失綠癥的發生[15]。李立平等調查發現，黃化獼猴桃生長的土壤中有效鉀含量高于正常獼猴桃生長的土壤[16]，認為鉀可能拮抗獼猴桃對鐵的吸收，誘導獼猴桃黃化的產生[14]。土壤中的錳、銅、鋅、鈣、鎂等金屬離子，因易與鐵離子產生拮抗或促進作用，導致鐵含量的異常，從而使樹體內各養分間的平衡關系遭到破壞，造成營養失衡而產生失綠黃化。

2 葉片

2.1 葉片結構變化

梨樹缺鐵黃化在外觀上常表現為葉片顏色變黃，嚴重時變白，甚至焦枯死亡，還導致葉片葉面積和干鮮重增重減少[17]。葉片外部表現是由其內部細胞及組織結構變化控制的。對梨樹黃化葉片的解剖結構研究表明，缺鐵黃化使葉片厚度、葉肉厚度、柵欄組織厚度顯著降低，葉片上下表皮厚度均極顯著增加，柵欄組織與海綿組織界限模糊，柵欄組織/海綿組織的比值明顯下降；維管束細胞排列凌亂，導管嚴重變形，口徑變小[18]。葉片結構的變化直接影響了葉片葉綠素合成及光合作用，最終導致樹勢的衰弱和果實品質下降。

2.2 葉片葉綠素及光合特性變化

果樹體內90%以上的鐵存在于葉綠體中[19]，而葉綠體是制造光合產物的最主要單位，因此，鐵元素在果樹光化學反應中起著重要作用，缺鐵不僅影響葉綠體結構的合成，使葉綠體數量明顯減少甚至沒有，還會引起葉綠體片層結構解體，甚至整個細胞空泡化[4,20,21]。葉綠體結構的異常導致葉片光合色素含量降低，葉綠素a/b增大，葉綠素/類胡蘿卜素減小[22]。而在半根供鐵情況下，就能使杜梨葉片保持正常的光合能力，葉綠素含量比缺鐵條件下提高了55.5%，有效鐵含量提高了98.5%[23]。試驗證明，在葉綠素開始降低前其光合速率已明顯降低，說明缺鐵對葉綠體結構和功能的損傷比葉綠素含量的減少更為嚴重[24,25]。缺鐵還使葉片的類囊體解體，膜的結構和功能被破壞[10,26]，導致植物PSII反應中心受到傷害，從而引起光化學效率降低[27]，造成電子傳遞結構破壞[28]，致使凈光合速率、蒸騰速率等都下降[29,30]。

2.3 礦質元素變化

礦質營養是果樹生長發育、果實品質形成的重要基礎。由于礦質元素間存在拮抗和促進作用，這些元素的變化使葉片內元素間的平衡關系被破壞，造成營養失衡引起黃化癥的產生。盧明艷等[22]研究表明，野生秋子梨葉片黃化失綠可能是樹體內營養失衡所致。缺鐵脅迫下，各營養物質的表現不同，酥梨葉片隨著失綠黃化程度的增加，磷、鉀、銅、鋅、硼含量增多，活性鐵、鈣、錳元素減少，氮、鎂變化不明顯[28]。而鐘晨[21]研究表明，鐵的缺乏引起磷、鉀、鎂、硼、銅、錳含量下降。對杜梨幼苗礦質元素研究表明,隨著供鐵增加，磷、鉀、錳、鎂含量增加，鈣、鋅、銅含量下降[29]；而川梨葉內隨著供鐵濃度的增加，氮、磷、鉀、鈣、銅、錳含量減少；低鐵處理鎂、全鐵含量低于無鐵和正常供鐵處理，且無鐵處理含量維持最高；鋅在低鐵處理下含量高于無鐵和正常供鐵處理，且無鐵處理其含量高于正常供鐵處理[25]。缺鐵脅迫下營養元素含量反而比低鐵和正常供鐵處理更高的現象，在其它果樹上也曾有過報道[31,32]，這可能是因為缺鐵使植物光合作用減弱，干物質積累減少，產生濃縮效應[33]，而并非植株真正吸收了更多的營養元素。

3 分子機理研究

在植物必需的多種礦物質元素中，鐵是需求量最大的，其在多種生化反應中起重要作用，同時也是許多功能蛋白的重要輔助因子[34]。梨為機理Ⅰ型植物，在感受到缺鐵或低鐵脅迫時，H+-ATPase活性增加，分泌H+降低介質的pH值，從而增加根際可溶性鐵的含量。與此同時，Fe3+還原酶將難溶性Fe3+還原為Fe2+，二價鐵轉運基因將還原的Fe2+轉運到根尖細胞內，再由其它轉運蛋白輸送到植物體中的其它部位和細胞中去。參與這幾個過程的基因有H+-ATPase(HA)基因[35]、Fe3+還原酶基因(FRO)、二價鐵轉運基因ZIP和NRAMP 2個家族等。

潘海發[36]以不同黃化程度的“碭山酥梨”葉片為模板克隆出具有NRAMP金屬轉運蛋白家族基因典型特征的PbNramp1和PbNramp3兩個轉運蛋白基因，對其表達量分析表明，輕度缺鐵會提高PbNramp1和PbNramp3的表達量，隨著缺鐵程度的增加，表達量顯著下降。鐘晨[37]克隆了“碭山酥梨”鐵蛋白PbFer2，與“翠冠梨”葉片的Fer2蛋白和Fer4蛋白具有較高的相似性，表達量分析表明輕度缺鐵會提高PbFer2的表達量，隨著缺鐵程度增加，其表達量也顯著下降。蘇軍[38]等對“碭山酥梨”不同程度缺鐵葉片中生長素抑制蛋白ARP基因的表達量分析表明，隨著缺鐵程度的增加，ARP基因表達量顯著升高，同時葉片中內源IAA含量逐漸降低；據此推測，ARP基因可能負反饋調節缺鐵黃化葉片中IAA的水平，從而調控葉片的生長發育。金昕等[39]克隆了杜梨二價鐵轉運蛋白IRT1基因，表達分析表明，PbIRT1基因在葉片和莖中幾乎不表達，具有較強的根組織特異性；在根系中表達量隨缺鐵脅迫加劇呈逐漸上調趨勢，恢復供鐵又抑制其表達。因此表明，PbIRT1基因的表達受到缺鐵脅迫的誘導，參與了根系對二價鐵的吸收和轉運過程[29]。郭獻平等[40]研究也表明，缺鐵脅迫可誘導杜梨根系鐵吸收關鍵基因三價鐵還原酶(PbFRO2)基因和鐵轉運蛋白(PbIRT1)基因表達量升高，進而促進二價金屬離子轉運蛋白活性提高。

4 黃化病矯治

為了解決梨黃化病給梨生長發育、果實品質及產業發展帶來的影響，從研究黃化病致病機理的同時就開始了矯治方法的研究。通常采用的方法是施用各種鐵肥[41]，方式有葉面噴施[42-44]、土壤施用[45,46]及樹干注射[47,48]等。近些年，外源激素、納米氧化鐵、菌類等對黃化病的防治也有報道，賈兵、何家軒等[49,50]研究表明，外源激素GA3促進葉片內鐵的貯藏、還原與轉運相關基因的表達，能夠使黃化葉片復綠。王蒙[51]嘗試納米氧化鐵對失綠黃化的作用發現，低濃度的納米氧化鐵對于植物的缺鐵黃化有一定的矯治作用，而高濃度的納米氧化鐵則會抑制植物的生長。叢枝菌根真菌能促進鐵吸收，防治缺鐵性黃化病，且具有成本低、操作簡單、持效性長特點，但需要針對不同植物篩選出不同的高效功能菌種[52]。這些方式只是對失綠黃化的緩解，并不能從根本上解決黃化問題。因此，高效、經濟、安全的梨樹黃化病防治措施是亟待解決的問題，而選育耐缺鐵型砧木是提高果樹耐缺鐵的重要途徑[53]，能夠從根本上解決失綠黃化的問題。目前在對梨砧木的缺鐵脅迫反應機理研究基礎上，進行了耐缺鐵梨砧木的篩選[17,54,56]，認為杜梨是較為理想的耐缺鐵砧木。

5 展望

綜上所述，梨缺鐵性黃化的實質是梨根系對有效鐵的吸收、利用效率低所致，所以增加鐵的利用效率是提高防治梨缺鐵黃化效果的重要途徑。李培根等[57]認為，提高鐵利用效率的新型肥料在未來具有廣闊的發展前景。我國地域廣闊，是梨起源中心之一，具有豐富的梨種質資源，利用我國豐富的梨野生資源選育出鐵高效利用型砧木才是解決梨對鐵吸收利用效率低問題的根本途徑。但由于梨野生資源種內變異度較高，不同基因型個體間耐缺鐵性表現差異較大，加上地域、氣候、環境等因素的干擾，使得優異耐缺鐵型梨砧木類型的篩選工作費時耗工。利用組培無性快繁技術進行早期耐鹽堿性篩選，結合水培法對鐵利用效率進行二次篩選，可加速鐵高效型梨砧木的篩選進程。