EISENNÄHRSTOFFMANAGEMENT IN PFLANZEN

  • Theodor Keller
  • Werner Koch

Topfpappeln (Stämme marilandica, serotina und Flachslanden von Populus euramericana), bei denen Eisenmangelsymptome auftraten (Chlorose der oberen Blätter, Wintersterben des Vorfachs, Erröten der Seitenknospen), wurden mit einer Bodenapplikation mit Eisenchelat behandelt, um die Wirkung der Eisenernährung auf die CO zu untersuchen2-Aufnahme, Eisen- und Pigmentgehalt der Blätter und Blattgröße einer Baumart. Der Blattgehalt von Eisen, Chlorophyll, β-Carotin, Lutein und Violaxanthin war durch die Behandlung signifikant erhöht. Chlorophyll b erwies sich als besonders empfindlich gegenüber der Eisenversorgung und das Q a / b war ebenfalls signifikant verändert.

CO2-Aufnahme in gedüngten und nicht gedüngten Blättern mit zunehmendem Licht bis zu 40.000 Lux erhöht, aber gedüngte Blätter mehr CO assimiliert2 als nicht gedüngte Blätter, insbesondere bei Lichtstärken ab 5.000 Lux. Die Assimilationszahl wurde durch die Eisenapplikation verringert, da größere Mengen Chlorophyll in gedüngten Blättern vorhanden waren. Wenn CO2-Aufnahme basiert auf einer Flächeneinheitsbasis, der Düngeeffekt wurde sogar bei 500 Lux deutlich. Somit ist CO2-Aufnahme ist ein schnelles und wertvolles Maß für die Reaktion von Düngemitteln.

In schweren Fällen wirkt sich ein Eisenmangel auch auf die Blattgröße aus und verringert somit indirekt die photosynthetische Aktivität. Eine Chelatapplikation während der Vegetationsperiode beeinflusst die Größe der bereits gebildeten Blätter nicht, kann jedoch die Größe der nach der Behandlung gebildeten Blätter erheblich erhöhen.

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EISENVERFÜGBARKEIT FÜR PFLANZEN

Obwohl der größte Teil des Eisens auf der Erdkruste in Form von Fe 3+ vorliegt, ist die Fe 2+ -Form für Pflanzen physiologisch bedeutsamer. Diese Form ist relativ löslich, wird jedoch leicht zu Fe 3+ oxidiert, das dann ausfällt.

Fe 3+ ist in neutralem und hohem pH-Wert unlöslich, so dass Pflanzen in alkalischen und kalkhaltigen Böden kein Eisen mehr zur Verfügung haben. Darüber hinaus verbindet sich Eisen in diesen Bodentypen leicht mit Phosphaten, Carbonaten, Calcium-, Magnesium- und Hydroxidionen. In solchen Böden wird empfohlen, Eisenchelate zu verwenden

EISENAUFNAHME DURCH PFLANZEN

Pflanzen nehmen Eisen in seiner oxidierten Form, Fe 2+ (Eisenform) oder Fe 3+ (Eisenform), auf.

Pflanzen nutzen verschiedene Eisenaufnahmemechanismen. Einer davon ist der Chelatbildungsmechanismus - die Pflanze setzt Verbindungen frei, die Siderophore genannt werden, die Eisen binden und dessen Löslichkeit verbessern. An diesem Mechanismus sind auch Bakterien beteiligt.

Ein weiterer Mechanismus ist die Freisetzung von Protonen (H +) und Reduktionsmitteln durch die Pflanzenwurzeln, um den pH-Wert in der Wurzelzone zu senken. Das Ergebnis ist eine erhöhte Eisenlöslichkeit.

In dieser Hinsicht ist die Wahl der Form des Stickstoffdüngers von Bedeutung. Ammoniumstickstoff erhöht die Protonenfreisetzung durch Wurzeln, senkt den pH-Wert und erleichtert die Eisenaufnahme.

Nitratstickstoff erhöht die Freisetzung von Hydroxidionen, die den pH-Wert in der Wurzelzone erhöhen und einer effizienten Eisenaufnahme entgegenwirken.

Neue Wurzeln und Wurzelhaare sind bei der Eisenaufnahme aktiver, daher ist es unerlässlich, ein gesundes aktives Wurzelsystem aufrechtzuerhalten. Jeder Faktor, der die Wurzelentwicklung stört, stört die Eisenaufnahme.

EISEN-DÜNGEMITTEL

Eisen kann als Eisen (II) -sulfat oder in chelatierter Form angewendet werden.

Eisensulfat (FeSO4) Enthält ca. 20% Eisen. Dieser Dünger ist preiswert und wird hauptsächlich zum Besprühen von Blättern verwendet. Im Boden ist es oft unwirksam, insbesondere bei einem pH-Wert über 7,0, da sich sein Eisen schnell in Fe3 + umwandelt und als eines der Eisenoxide ausfällt.

Eisenchelate. Chelate sind Verbindungen, die Metallionen (in diesem Fall Eisen) stabilisieren und vor Oxidation und Ausfällung schützen.
Eisenchelate bestehen aus drei Komponenten:

    Fe3 + -Ionen Ein Komplex wie EDTA, DTPA, EDDHA, Aminoac> Natrium (Na +) oder Ammonium (NH4 +) Ionen

Verschiedene Chelate halten Eisenionen in unterschiedlichen Stärken bei unterschiedlichen pH-Werten. Sie verzögern auch ihre Anfälligkeit für Eisenersatz durch kompetitive Ionen. Beispielsweise können in hohen Konzentrationen Calcium- oder Magnesiumionen das chelatisierte Metallion ersetzen.

Fe-EDTA - Dieses Eisenchelat ist bei pH-Werten unter 6,0 stabil. Ab einem pH-Wert von 6,5 sind fast 50% des Eisens nicht mehr verfügbar. Daher ist dieses Chelat in alkalischen Böden unwirksam. Dieses Chelat hat auch eine hohe Affinität zu Kalzium. Es wird daher empfohlen, es nicht in kalziumreichen Böden oder Gewässern zu verwenden.

Beachten Sie, dass EDTA ein sehr stabiles Chelat von anderen Mikroelementen als Eisen ist, selbst bei hohen pH-Werten.

Fe-DTPA - Dieses Eisenchelat ist bei pH-Werten von bis zu 7,0 stabil und ist weniger anfällig für Eisenersatz durch Calcium.

Fe-EDDHA - Dieses Chelat ist bei pH-Werten von bis zu 11,0 stabil, aber es ist auch das teuerste verfügbare Eisenchelat.


In erdlosen Medien und in der Hydrokultur ist die pH-Überwachung von Wasser und Medien relativ einfacher als in Böden. Wenn regelmäßige Tests durchgeführt werden und die pH-Kontrolle ausreichend ist, ist es möglich, die billigen, weniger stabilen Eisenchelate zu bevorzugen.

Andererseits wird in alkalischen Böden, in denen es schwierig ist, den pH-Wert wirksam zu senken, empfohlen, stabilere Eisenchelate wie EDDHA zu verwenden.

Was ist Chelat-Eisen?

Dies ist ein löslicher Eisenkomplex, der in erster Linie dazu dient, Eisen für landwirtschaftliche Zwecke in Wasser löslich zu machen.

In den meisten Fällen handelt es sich um ein dunkelbraunes Pulver, das je nach Person eine leichte Reizwirkung auf Haut, Augen und Atemwege haben kann.

EIN Chelat-Eisendünger ist eine der beliebtesten und effizientesten Methoden zur Behandlung von Chlorose.

Im Gartenbau wird als chelatisierter Eisendünger bezeichnet gebundenes Eisen und dient als Pflanzenstärkungsmittel, wo es mit anderen pflanzlichen Nahrungsmitteln und Nährstoffen gemischt wird.

Für diejenigen, die Ziergartenbau betreiben, wird Eisenchelat häufig empfohlen, um Pflanzen wie Rhododendren zu füttern, wenn der Boden kalkhaltig ist.

Ursachen der Eisenchlorose

Eisenmangel in Pflanzen wird selten durch Eisenmangel im Boden verursacht, da er in der Regel im Boden häufig vorkommt.

Eine Vielzahl von Bodenbedingungen kann jedoch die Nährstoffaufnahme einer Pflanze einschränken, um Eisen aus dem Boden zu gewinnen. Hier sind einige der Ursachen der Eisenchlorose:

  • Zu viel Lehm im Boden
  • Ein sehr hoher pH-Wert für den Boden
  • Hoher Phosphorgehalt im Boden
  • Zu nasser oder verdichteter Boden

Der erste Schritt bei der Diagnose von Chlorose ist die Durchführung eines Bodentests. Ihr lokales landwirtschaftliches Beratungszentrum sollte Ihnen dabei helfen.

Denken Sie daran, dass sie auch Blattproben testen können, um genau festzustellen, welcher Nährstoff, Mikronährstoff oder Mineralstoff fehlt.

Obwohl Sie möglicherweise feststellen, dass Ihr Boden Eisenmangel aufweist, kann das Problem eine der oben aufgeführten Ursachen haben.

Die Blätter färben sich gelb mit einem Eisenmangel an Hydrangea macrophylla-Blättern - Eisenchlorose

Umgang mit Eisenchlorose

Wie fügt man dem Boden Eisen hinzu?

Nach der Diagnose eines Eisenmangels können Sie einen Eisenmangel mit einem Eisen-Blatt-Spray behandeln. Denken Sie jedoch immer daran, dass die beste Lösung die Prävention ist.

In diesem Fall sollten Sie die zugrunde liegende Ursache des Mangels ermitteln und sich auf die Behandlung konzentrieren, um zu verhindern, dass dasselbe Problem später auftritt.

Durch die Bewertung und Behebung der verschiedenen Ursachen für Eisenmangel sparen Sie viel Zeit und Geld für unnötige und ineffektive Eisenanwendungen.

Im Allgemeinen kann Eisen in Chelatform oder als Eisensulfat angewendet werden. Eisensulfat oder Eisen (III) bestehen zu etwa 20% aus Eisen. Es ist ein recht billiger Dünger mit Eisen, der hauptsächlich zum Besprühen von Blättern verwendet wird.

Bei einem pH-Wert von über 7,0 kann es unwirksam sein, wenn es als Bodenanwendung angewendet wird, da Eisen sich schnell in Fe3 umwandelt, das wie Eisenoxide ausfällt.

Eisenchelate sind viel besser, da die Verbindung Eisenionen stabilisiert hat, was idealerweise verhindert, dass sie oxidieren und wiederum ausfallen. Die Chelate enthalten drei Komponenten in ihrer Formel:

  • Fe3-Ionen
  • Ammonium (NH4) - oder Natrium (Na) -Ionen
  • Ein Komplex wie DTPA, EDTA, EDDHA, Zitronensäure, Aminosäure oder Huminsäure-Fulvinsäure

Im Wesentlichen halten verschiedene Eisenchelatbildner je nach den angegebenen pH-Werten unterschiedliche Stärken.

Darüber hinaus unterscheiden sie sich in ihrer Anfälligkeit für den Ersatz von Eisenionen durch andere Konkurrenzionen. In hohen Konzentrationen können Magnesium- oder Calciumionen die Eisenionen im Chelat ersetzen.

Chelatiertes Eisen EDTA: Diese Verbindung ist bei einem pH-Wert von unter 6,0 stabil, und bei Gehalten über 6,5 sind fast 50% des Eisens nicht verfügbar. Dies bedeutet, dass dieser Chelatbildner in alkalischen Böden unwirksam ist.

Darüber hinaus weist dieses Chelat eine hohe Affinität für Calcium auf und sollte nicht in Böden (oder Gewässern) verwendet werden, die reich an Calcium sind.

Eisen-DTPA-Chelat: Stabil bei pH-Werten unter 7,0. Es ist auch nicht so anfällig für Eisenersatz durch Kalzium wie das ETDA.

Eisen-EDDHA-Chelat: In der Regel stabil bei pH-Werten bis zu 11,0. Es ist jedoch eines der teuersten verfügbaren Chelate.

Stellen Sie sicher, dass Sie im Frühjahr Chelate verwenden, bevor das Wachstum mit den richtigen Aufwandmengen beginnt.

Streuen Sie etwas trockenes Chelateisen für Pflanzen auf den Boden und bewässern Sie es oder lösen Sie es in Wasser auf und tragen Sie das chelierte flüssige Eisen auf die Basis der Pflanzen auf.

Eisenchelate können auch in die Löcher rund um die Tropflinie der betroffenen Pflanzen eingebracht werden.

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1. EINLEITUNG

Fe ist wichtig für das Pflanzenwachstum. Gleichzeitig ist Fe über die Fenton-Reaktion hochreaktiv und toxisch. Folglich kontrollieren Pflanzen die Fe-Homöostase streng und reagieren auf Fe-Mangel sowie Fe-Überladung. Die Fähigkeit der Pflanzen, auf die Verfügbarkeit von Fe zu reagieren, wirkt sich letztendlich auf die menschliche Ernährung aus, sowohl im Hinblick auf den Ernteertrag als auch auf die Fe-Konzentration von essbaren Geweben. Daher ist die Aufklärung der Mechanismen der Fe-Aufnahme und des Fe-Transports für die Züchtung von Pflanzen, die nährstoffreicher und toleranter gegenüber Fe-begrenzten Böden sind, von wesentlicher Bedeutung.

Diese Übersicht befasst sich mit dem Fe-Transport und der Homöostase in Pflanzen und konzentriert sich auf die in den letzten fünf Jahren veröffentlichten Forschungsergebnisse. Da Fe-Transporter häufig ein breites Spektrum an Substraten aufweisen, untersuchen wir auch die Beziehung zwischen Fe und den toxischen Metallen, die häufig mit der Fe-Aufnahme einhergehen, nämlich Cd, Co und Ni. Wir besprechen zunächst die Aufnahme von Fe in die Wurzel, dann den Weitertransport zum Trieb und schließlich das Laden von Fe in die Samen. Da Fe für den Metabolismus der Mitochondrien und Chloroplasten von wesentlicher Bedeutung ist, betrachten wir auch die jüngsten Entdeckungen im Bereich des Fe-Transports und der Homöostase auf intrazellulärer Ebene. Wir decken die Vorschriften für diese Transporter nicht ab, da dieses Thema kürzlich besprochen wurde. 1

2. FE UPTAKE

Pflanzen nehmen hauptsächlich Fe aus der Rhizosphäre auf. Obwohl Fe eines der am häufigsten vorkommenden Metalle in der Erdkruste ist, ist seine Verfügbarkeit für Pflanzenwurzeln sehr gering. Die Verfügbarkeit von Fe wird durch das Redoxpotential und den pH-Wert des Bodens bestimmt. In aeroben Böden oder Böden mit höherem pH-Wert wird Fe leicht oxidiert und liegt überwiegend in Form unlöslicher Eisenoxide vor. Bei einem niedrigeren pH-Wert wird das Eisen (III) -Fe vom Oxid befreit und steht für die Aufnahme durch Wurzeln besser zur Verfügung. Da 30% der weltweiten Anbauflächen für ein optimales Pflanzenwachstum zu alkalisch sind2 und einige Grundnahrungsmittel wie Reis besonders anfällig für Fe-Mangel sind3, konzentrierten sich viele Forschungen darauf, wie Pflanzen mit einer Fe-Begrenzung umgehen.

Die Reaktionen auf Fe-Mangel umfassen Veränderungen in der Wurzelmorphologie, 2 und eine Hochregulation der Gene, die an der Fe-Aufnahme beteiligt sind. 4, 5 In der Tat, in Arabidopsis thalianaBis zu 85% der in bestimmten Regionen der Wurzel exprimierten Gene werden durch Fe unterschiedlich reguliert. 4 Diese Transkriptomanalyse wurde durch die Isolierung von Zellen aus spezifischen Wurzelschichten, die GFP unter der Kontrolle von zellspezifischen Promotoren exprimierten, mittels fluoreszenzaktivierter Zellsortieranalyse ermöglicht. 6 Die Transkriptionsniveaus innerhalb jeder Schicht wurden dann mittels Microarray-Analyse gemessen. Auf diese Weise können unterschiedliche Expressionsprofile zwischen bestimmten Zelltypen ermittelt werden, die bei der Untersuchung der gesamten Wurzel nicht sichtbar sind. Es wurden große Transkriptionsunterschiede zwischen Schichten als Reaktion auf einen Fe-Mangel identifiziert, was auf schichtspezifische Rollen hinweist (Abbildung 1). Die Expression von Genen, die mit Metalltransport und Chelatbildung zusammenhängen, war in der Epidermis erhöht, während Gene, die mit Wurzelhaarmorphogenese zusammenhängen, herunterreguliert wurden, während in der Stele Gene, die mit Signal- und Stressreaktionen assoziiert waren, hochreguliert wurden. Diese Ergebnisse legen nahe, dass die Messung des Fe-Spiegels und die Kontrolle der Fe-Mangelreaktion im Gefäßsystem erfolgt, während die Regulierung des Fe-Spiegels in der Wurzel durch Modulation der Aufnahme in die Epidermis erleichtert wird.

(A) Wurzelschichten markiert durch Propidiumiodidfärbung der Zellwand (rot) und Expression von GFP in der Stele und Endodermis. Epi - Epidermis, Korkortex, End - Endodermis, Ste - Stele, QC - Ruhezentrum, Cei - Kortex / Endodermis initial. 153 (B) Angereicherte Gen-Ontologie-Kategorien. miRNA, microRNA, RNase, Ribonuklease, GTPase, Guanosintriphosphatase. 4 Nachdruck mit freundlicher Genehmigung, Copyright 2001 Nature Publishing Group, 2008 The American Association for the Advancement of Science.

Wenn diese durch Fe-Mangel verursachten Veränderungen mit der Reaktion auf Salzstress verglichen wurden, wurde festgestellt, dass die überwiegende Mehrheit des Transkriptoms durch Umweltstress verändert wird und dass diese Veränderungen in der Wurzelepidermis am dramatischsten sind. Interessanterweise gibt es auch einen kleinen Satz von Genen, die nicht von Stress betroffen sind. Dieser Kern kann die wesentlichen Merkmale jedes Zelltyps definieren und die geeigneten Transkriptionsreaktionen auf Umweltstress vermitteln. Von den Veränderungen in der Epidermis wurden zwei spezifische Strategien der Fe-Aufnahme in Pflanzen identifiziert. Nichtgraminöse Pflanzen reduzieren Fe 3+ über eine membrangebundene Reduktase, um es für die Aufnahme durch einen Fe 2+ -Transporter zugänglich zu machen, während Gräser Phytosiderophore (PS) absondern, die Fe 3+ leicht binden, und die Fe-PS-Komplexe werden dann transportiert zurück in die Wurzeln.

2.1 Reduktionsstrategie

Komponenten der Reduktionsstrategie wurden bei vielen nichtgramatischen Arten beschrieben (7 - 10), am besten jedoch bei Arabidopsis (Abbildung 2). In Reaktion auf einen Fe-Mangel werden Protonen durch in der Epidermis exprimierte AHA H + -ATPasen in die Rhizosphäre freigesetzt. 11, 12 Dies senkt den pH-Wert des Bodens und macht Fe löslicher. Während AHA1, AHA2 und AHA7 alle in der Wurzelepidermis als Reaktion auf Fe-Mangel hochreguliert sind, ist 4, 5 AHA2 die primäre Wurzel-H + -ATPase in der Fe-Mangelantwort. 13 Die Ausdrucksstärke von AHA2 ist unter den drei am höchsten, und nur der Verlust von AHA2 verringert die Versauerung der Rhizosphäre während eines Fe-Mangels. 13

In Reaktion auf einen Fe-Mangel bei nicht-graminösen Spezies werden Protonen in die Rhizosphäre abgegeben, höchstwahrscheinlich durch die AHA2 H + -ATPase. Die Eisen (III) -Chelat-Reduktase FRO2 wird exprimiert und reduziert Fe (III) zu Fe (II), das dann vom zweiwertigen Metalltransporter IRT1 in die Wurzelepidermis transportiert werden kann. Innerhalb der Epidermis wird der zweiwertige Metalleffluxer FPN2 während eines Fe-Mangels auf der Vakuolarmembran exprimiert und kann dazu dienen, die Fe-Aufnahme zu puffern, indem überschüssiges freies Fe in der Vakuole gebunden wird. Das Fe kann in der Vakuole durch Phytat oder NA gebunden sein. Fe bewegt sich vermutlich über die Plasmodesmen aus der Epidermis.

Die NADPH-abhängige Eisenchelatreduktase AtFRO2 reduziert dann Fe 3+ zu Fe 2+. Elektronen werden von NADH + über vier Hämgruppen auf Fe in der Rhizosphäre übertragen. 14 Dies scheint der geschwindigkeitsbegrenzende Schritt bei der Fe-Aufnahme bei Arabidopsis zu sein. Tatsächlich hat die transgene Überexpression von Eisen (III) -Chelat-Reduktasen in den Wurzeln von Reis, Tabak und Sojabohnen die Toleranz gegenüber Fe-limitierenden Bedingungen erhöht. 16 - 18

Einmal reduziert, kann Fe (II) dann durch den zweiwertigen Metalltransporter AtIRT1 in die Wurzelepidermiszellen transportiert werden. 19 - 21 AtIRT1 transportiert auch Zn, Mn, Cd, Co, 22, 23 und Ni. 24 Zusätzliche Wurzelepidermis-Transporter für diese Metalle wurden noch nicht identifiziert, aber in der irt1-1 Der Verlust der Mutantenfunktion, die Ansammlung von Fe, Mn, Zn und Co in den Sprossen nimmt signifikant ab, und die Pflanzen werden Cd-tolerant, 20, 25 was darauf hindeutet, dass AtIRT1 ein primärer Transporter für diese Metalle mit Fe-Mangel ist. Ein ähnlich breites Spektrum von Metallen wurde von den Tomatenorthologen LeIRT1 und LeIRT2 transportiert, die Hefemutanten ergänzen, die hinsichtlich der Aufnahme von Fe, Zn, Mn und Cu defekt sind. 7 Somit führt die Reaktion auf Fe-Mangel auch zur Aufnahme anderer Metalle als Fe, die alle potentiell toxisch sind.

2.1.1 Giftige Metalle und Fe-Mangel

Es wurde gezeigt, dass das Vorhandensein von Cd und Co den Fe-Mangel verschlimmert. Cd stört die Bewegung von Fe von der Wurzel zum Trieb, als Cd-Behandlung von Brassica napus erzeugt einen dramatischen Anstieg der Fe-Anreicherung in den Wurzeln, während die Triebe an Fe hungern. 26 Der Gehalt an Fe in den Xylem- und Phloemsäften nahm ebenfalls signifikant ab, während der Gehalt an Cd zunahm. Dies deutet darauf hin, dass das Vorhandensein von Cd den Zugang zu dem Phloem beeinträchtigt und nicht die Aufnahme, zumindest in B. napus. Ein ähnlicher Phänotyp wurde bei Mungobohnensämlingen beobachtet, die mit einer erhöhten Co: Fe-Aufnahme behandelt wurden, aber Fe war nicht in der Lage, sich von der Wurzel zum Trieb zu bewegen. 27 Zusätzlich ist die Fe-Mangelreaktion bei Arabidopsis bei mitbehandelten Pflanzen hochreguliert (Morrissey und Guerinot, unveröffentlichte Daten).

Die Aufnahme von Cd während eines Fe-Mangels ist von besonderem Interesse, da Cd als einer der giftigsten Schadstoffe für Nutzpflanzen gilt. Cd hat im Vergleich zu Fe das entgegengesetzte Bioverfügbarkeitsprofil: Unter aeroben Bedingungen, bei denen Fe oxidiert und unlöslich ist, wird Cd löslicher. 28 Die Bodenbedingungen, die die IRT1-Expression auslösen, verbessern somit auch die Verfügbarkeit von Cd für die Aufnahme durch IRT1. Da die Aufnahme von Pflanzen der primäre Weg der Cd-Exposition bei Nichtrauchern ist, wurden 29 Anstrengungen unternommen, um die Selektivität von IRT1 zu verstehen und zu modifizieren. Die Expression von mutagenisiertem IRT1 in Hefe ergab, dass Aminosäuresubstitutionen im ersten Drittel des Proteins, insbesondere in der ersten extrazellulären Schleife, die Selektivität von Fe, Zn, Mn und Cd modulieren könnten. 30 Mutationen, die die IRT1-Funktion zerstören, wurden fast ausschließlich in den beiden Alpha-Helices gefunden, aus denen sich die vierte und fünfte Transmembrandomäne zusammensetzt. Es wird angenommen, dass diese Region eine Metallbindungstasche bildet, die die Ionenbewegung über die Membran erleichtert. Letztendlich zeigt dies, dass das breite Substratspektrum der Fe-Transporter angepasst werden kann, wodurch Varianten entstehen, die für die Biofortifizierung von Pflanzen optimiert sind und toxische Kontaminanten ausschließen.

2.1.2 Sequestrierung und Pufferung des Metallzuflusses

Der Zufuhr von toxischen Metallen über IRT1 wird teilweise durch die Expression des Metallausflusses FPN2 (IREG2) bei Fe-Mangel entgegengewirkt.FPN2 ist in der Vakuolenmembran 24 in den beiden äußersten Wurzelschichten von Arabidopsis lokalisiert und scheint Metalle in der Vakuole zu binden. In Hefe exprimiertes FPN2 verleiht Toleranz gegenüber Ni 24 und Co (Morrissey und Guerinot, unveröffentlichte Daten). Das Fe-regulierte Expressionsmuster und die Wurzellokalisation von FPN2 legt nahe, dass es als Anpassung an den Zustrom von Ni und Co während eines Fe-Mangels dient, dementsprechend führt der Verlust von FPN2 zu einer erhöhten Empfindlichkeit gegenüber Ni und Co (Morrissey und Guerinot, unveröffentlichte Daten). Eine ähnliche Rolle wurde für MTP3 beschrieben, das ebenfalls Fe-reguliert ist, sich an der Vakuolenmembran befindet und vermutlich Zn in der Vakuole während eines Fe-Mangels bindet. 31

Fe selbst ist hochreaktiv und potentiell toxisch. Es ist unklar, welche Liganden Fe nach dem Transport binden, aber die Pufferung der Fe-Aufnahme ist eindeutig wichtig. In der Tat wurde festgestellt, dass ein Phänotyp, der lange Zeit einem Phosphormangel zugeschrieben wurde, durch Fe-Toxizität verursacht wurde. 32 Es war bekannt, dass die Hemmung der Wurzeldehnung im Arabidopsis-Ökotyp Col-0 während der Phosphorlimitierung auftritt, und es wurde angenommen, dass dies auf einen Phosphor-Sensing-Regulationsweg zurückzuführen ist. Stattdessen wurde kürzlich gezeigt, dass das Wurzelwachstum während eines Phosphormangels wiederhergestellt wird, indem einfach Fe aus dem Wachstumsmedium entfernt wird. Die Hemmung wurde tatsächlich durch die toxischen Wirkungen von Fe verursacht, das wahrscheinlich nicht mehr mit Phosphat komplexiert war und dessen Bioverfügbarkeit stark erhöhte. Der Zufluss von Fe über IRT1 kann in den äußeren Wurzelschichten durch die Expression von FPN2 gepuffert werden, das Fe transportiert (unveröffentlichte Daten) und vermutlich überschüssiges Fe in der Vakuole bindet. Eine ähnliche Pufferfunktion wurde für IRT2 vorgeschlagen, das Fe und Zn 33 transportiert und in Vesikeln in der Epidermis lokalisiert ist. 34

2.1.3 Aufnahme von apoplastischem Fe

Ein weiterer Aspekt der Fe-Mangelreaktion bei nichtgramatischen Pflanzen ist die Sekretion von Phenolverbindungen in die Rhizosphäre 2 und die Aufnahme von apoplastischem Fe. Es wurde beobachtet, dass bis zu 75% des Fe in den Wurzeln an den Apoplasten gebunden sind, 35 da die negativ geladenen Carboxylgruppen der Zellwände als Kationensenke dienen. 2 Dieser Pool nimmt ab, wenn eine Pflanze einen Fe-Mangel aufweist, was auf eine Mobilisierung in das Symplast hindeutet. Es ist unklar, wie dieses Fe aufgenommen wird, aber kürzlich wurde festgestellt, dass Phenole, die von der Wurzel als Reaktion auf einen Fe-Mangel abgesondert werden, die Verwendung von apoplastischem Fe und die Erholung von einem Fe-Mangel erleichtern. Es wurde gezeigt, dass 37 Phenole, die von Rotkleewurzeln abgesondert werden, Fe effizient von gereinigten Zellwänden entfernen. Um festzustellen, ob dies ein wesentlicher Bestandteil der Fe-Mangelreaktion ist, wurden Phenole durch ständige Rückführung durch eine Harzsäule aus dem flüssigen Wachstumsmedium abfiltriert. Unter normalen Wachstumsbedingungen wurde festgestellt, dass der Gehalt an apoplastischem Fe als Reaktion auf die Fe-Begrenzung abnahm, und obwohl die Blätter anfänglich chlorotisch waren, begannen sie wieder grün zu werden. Die Filterung von Phenolen führte jedoch zu keiner Abnahme des apoplastischen Fe, während die Fe-Konzentration im Spross niedriger wurde. Dies erzeugte Pflanzen, die viel chlorotischer waren und sich nicht von einem Fe-Mangel erholen konnten. Die Eisen (III) -Chelat-Reduktase-Aktivität und die Protonenextrusion nahmen ebenfalls zu, was jedoch allein der schweren Chlorose nicht entgegenwirken konnte. Daher ist die phenolvermittelte Mobilisierung von apoplastischem Fe ein wesentlicher Bestandteil der Fe-Mangelreaktion (zumindest bei Rotklee), obwohl unklar ist, wie Phenole die Aufnahme erleichtern. Möglicherweise vermitteln Phenole die Extraktion von Fe aus den negativ geladenen Zellwänden und ermöglichen den Transport in das Wurzelsymplast. Ob ein Fe-Phenol-Komplex direkt in die Wurzel transportiert wird, ist unklar, da potenzielle Fe-Chelat-Transporter in der Wurzelepidermis von Nicht-Gräsern noch nicht charakterisiert wurden. Ein Kandidat wäre der Fe-Nicotianamin (NA) -Transporter AtYSL3, der in der Wurzelepidermis unter Fe-Mangel hochreguliert ist 4, obwohl er nicht auf Fe-Phenol-Transport getestet wurde.

2.2 Chelatbasierte Strategie

Gräser hängen von der Aufnahme von Fe ab, das von löslichen Siderophoren mit einer hohen Affinität für Fe 3+ chelatisiert wird. 2 In Reaktion auf einen Fe-Mangel wird PS aus der Muginsäurefamilie (MA) aus L-Methionin synthetisiert und aus der Wurzelepidermis freigesetzt (Abbildung 3), möglicherweise über anionische Kanäle oder Vesikel. 38 In Gerste werden die für die Schwefelaufnahme, Methioninsynthese und PS-Synthese erforderlichen Gene in den ersten 24 Stunden des Fe-Mangels drastisch hochreguliert. 39 In Reis, Ausdruck der OsIRO2 Der Transkriptionsfaktor steigt im Verlauf der ersten fünf Tage des Eisenmangels dramatisch an und es wird angenommen, dass er die Expression von Genen aktiviert, die mit der PS-Synthese und der Eisenaufnahme zusammenhängen. 40

In Reaktion auf einen Fe-Mangel wird PS synthetisiert und in die Rhizosphäre sekretiert. Das PS chelatiert leicht Fe 3+ und der PS-Fe (III) -Komplex wird von Mitgliedern der YS / YSL-Familie (YS1 in Mais und Gerste und OsYSL15 in Reis) in die Wurzel transportiert.

Die resultierenden Fe (III) -PS-Komplexe werden leicht über ein hochaffines Aufnahmesystem in die Wurzelepidermis transportiert. 41 Die Chelatisierungsstrategie reagiert weniger empfindlich auf den pH-Wert als die Reduktionsstrategie, und es besteht eine starke Korrelation zwischen dem freigesetzten PS-Volumen und der Beständigkeit gegen fe-begrenzende Böden. Zum Beispiel setzt Gerste, die an alkalische Böden angepasst ist, ein viel größeres PS-Volumen frei als die meisten Reisarten, 39 die für den Anbau in anaeroben Böden geeignet sind, in denen Fe löslicher ist. In der Tat, in Oryza sativa var. japonicaDie Überexpression von Enzymen im Gersten-PS-Syntheseweg, der auf kalkhaltigen Böden schlecht wächst, hat die PS-Sekretion stark erhöht. 3 Dies führte zu einer Vervierfachung des Getreideertrags durch Reis, der auf fe-begrenztem Boden angebaut wurde.

2.2.1 Gelbstreifen 1

Der am besten charakterisierte PS-Fe-Transporter ist das Mitglied der Familie der Mais-Oligopeptid-Transporter (OPT), ZmYS1. ZmYS1 wird in Wurzeln als Reaktion auf Fe-Mangel exprimiert, und sein Verlust führt zu einer verminderten Fe-Aufnahme und einer konstitutiven Fe-Mangel-Reaktion im Blatt, wobei die Abnahme von Eisen, das Proteine ​​enthält, die Chlorophyll-Synthese beeinträchtigt, was zu einer Gelbfärbung zwischen den Venen führt, oder Zwischenzeitliche Chlorose. 42, 43 Der Transport von Fe-PS durch ZmYS1 scheint für Lösungen mit hohem pH-Wert gut geeignet zu sein - die Art von Umgebung, die für Pflanzen eine Fe-Begrenzung darstellt. Während die Reduktion von Fe 3+ aufgrund des pH-Optimums der Reduktase mit steigendem Boden-pH-Wert schwieriger wird, zeigte die Expression von ZmYS1 in Oozyten, dass der Transport von Fe-PS bei sehr hohem pH-Wert immer noch effizient ist. 44

2.2.2 Chelatbildung und toxische Metalle

Die Mais-PS-Desoxymuginsäure (DMA) chelatisiert auch leicht andere Metalle, und es wurde gezeigt, dass ZmYS1 mit Zn, Cu und Ni komplexiertes PS mit der gleichen Geschwindigkeit wie Fe-PS transportiert. 44 ZmYS1 transportierte auch Ni, Fe (II) und Fe (III), die mit dem PS-Vorläufer NA komplexiert waren. So dient ZmYS1 wie IRT1 in nichtgramatischen Spezies auch als Zugang für eine breite Palette von Metallen, einschließlich solcher, die für Pflanzen und Menschen toxisch sind. Interessanterweise transportiert HvYS1, das zu 95% ZmYS1 ähnelt, nur Fe-PS 45. Domänenaustausch zwischen den beiden Transportern zeigte, dass die extrazelluläre Schleife zwischen der sechsten und siebten Transmembranregion die Selektivität lieferte. 46 Als die Loops synthetisiert wurden in vitroDas HvYS1-Peptid bildete in Lösung eine Alpha-Helix, während das ZmYS1-Peptid flexibel blieb, was darauf hindeutet, dass dieser strukturelle Unterschied die Substratspezifität bestimmt.

Mais-DMA scheint auch Cd im Boden zu binden, und während Cd die Fe-Homöostase im Mais stört, wird der Cd-PS-Komplex von ZmYS1 nicht leicht transportiert. Das Vorhandensein von Cd in Wachstumsmedien reguliert jedoch die Fe-Mangelreaktion in Mais nach oben und führt zu verringerten Fe-Gehalten im Xylemsaft. Gleichzeitig war der Grad der Cd-Aufnahme in Mais bei Wildtyp und ähnlich ys1 Mutanten, die darauf hindeuten, dass Cd hauptsächlich über einen anderen Transporter, vielleicht einen Ca-Transporter oder -Kanal, oder einen zweiwertigen Metalltransporter ähnlich dem IRT1 in die Wurzeln gelangt. Kürzlich wurde ein IRT1-Ortholog in Gerste identifiziert, und eine heterologe Expression in Hefe zeigt an, dass es Fe, Mn, Zn und Cd transportieren kann. 48 Wie AtIRT1 wird HvIRT1 als Reaktion auf einen Fe-Mangel hochreguliert, die gewebespezifische Lokalisation muss jedoch noch bestimmt werden. Es ist daher verfrüht zu sagen, ob Gerste wie Nichtgräser freies Fe in die Wurzelepidermis transportiert. HvIRT1 wird auch unter Mn-Mangel und höherer Expression von HvIRT1 hochreguliert, was mit einer erhöhten Mn-Aufnahme durch einen Mn-effizienten Genotyp von Gerste korreliert. 48

2.3 Kombination von Reduktions- und Chelatbildungsstrategien

Eine andere gramatöse Spezies, Reis, kombiniert Komponenten der Reduktionsstrategie, die bei nichtgramatösen Pflanzen mit der Aufnahme von Fe-PS beobachtet werden. Von den 18 gelben Streifen wie (YSL) In Reis ist OsYSL15 der Haupttransporter, der für die Aufnahme von Fe-PS aus der Rhizosphäre verantwortlich ist. 49, 50 OsYSL15 wird als Reaktion auf Fe-Mangel hochreguliert und auf der Plasmamembran in der Wurzelepidermis zusätzlich zu Stele, Blüten und sich entwickelnden Samen exprimiert. Zwei osysl15 Insertionsmutanten zeigten unter Fe-Mangel chlorotische Phänotypen und hatten verringerte Fe-Konzentrationen in ihren Sprossen, Wurzeln und Samen. Die Verringerung der OsYSL15-Expression mit RNAi führte zu schweren Keimungsdefekten, was auf eine wichtige Rolle bei der Fe-Homöostase hinweist, obwohl diese mehr mit der Fe-Beladung von Samen zusammenhängen könnten als mit der Fe-PS-Aufnahme durch Wurzeln. 49

Wie oben erwähnt, produziert Reis jedoch viel weniger PS als Mais und Gerste, wodurch er weniger kalkhaltige Böden verträgt. Reis kompensiert dies, indem er die zweiwertigen Metalltransporter OsIRT1 und OsIRT2 in der Wurzelepidermis als Reaktion auf einen Fe-Mangel exprimiert. Beide sind AtIRT1 ähnlich und transportieren Fe, wenn sie in Hefe exprimiert werden. 51 Tatsächlich wurde festgestellt, dass diese Fe (II) -Transporter in Reismutanten, die kein PS synthetisieren können, in den Wurzeln dramatisch hochreguliert sind: 30-fach für OsIRT1 und 64-fach für OsIRT2. 52 Dies kompensierte die Fe-Aufnahme in feuchten Böden, in denen Fe 2+ leicht verfügbar ist. Überraschenderweise sammelten die mutierten Pflanzen unter diesen Bedingungen sogar mehr Fe in Wurzeln und Sprossen als im Wildtyp. In aeroben Böden (in denen Fe einschränkt) und in hydroponischen Lösungen, in denen nur Fe 3+ zugeführt wurde, starben diese mutierten Pflanzen. Daher ist die Reduktionsstrategie allein unter Fe 2+ -beschränkten Bedingungen unzureichend.

Die erhöhte Expression von OsIRT1 und OsIRT2 in Reismutanten, denen PS fehlt, führte auch zu erhöhten Konzentrationen von Zn, Cu, Mn und Cd im Spross, 52 während die ektopische Expression von OsIRT1 erhöhte Anreicherung von Fe, Zn und Cd. 53 Dies deutet darauf hin, dass diese Transporter ein ähnliches Substratspektrum aufweisen wie AtIRT1. In Hefe exprimiert, transportieren sowohl OsIRT1 als auch OsIRT2 Cd, und eine Fe-Begrenzung in Reis erhöht die Cd-Aufnahme und -Translokation, 28 wie bei Arabidopsis.

Trotz der Verwendung von Fe 2+ -Transportern weisen Reiswurzeln eine sehr geringe Aktivität der Eisenchelatreduktase auf. 16 Dies liegt wahrscheinlich daran, dass viele Reissorten an die anaerobe Reisumgebung angepasst sind, in der Fe 2+ leicht verfügbar ist. Um das Reduktasestrategiesystem wiederherzustellen, das in nichtgramatischen Pflanzen gefunden wurde, wurde Reis mit einer Eisenchelatreduktase transformiert. 16 Das Gen für die Hefe-Eisen (III) -chelat-Reduktase FRE1, die unter sauren Bedingungen eine optimale Aktivität aufweist, wurde mutagenisiert und auf erhöhte Aktivität in Umgebungen mit hohem pH-Wert selektiert. Eine häufige Mutation bei Allelen, die einen hohen pH-Wert tolerieren, war die Substitution von Methionin durch Arginin an Position 312 in der Nähe einer der vier Häm-koordinierenden Stellen. Es wäre interessant, die strukturelle und funktionelle Bedeutung dieser Änderung zu bestimmen. Die resultierende codierende Sequenz für Eisen (III) -chelatreduktase wurde mit der fusioniert OsIRT1 Promotor, um sicherzustellen, dass die Expression des modifizierten Gens Fe-reguliert war und im gleichen Gewebe wie der Fe 2+ -Transporter exprimiert wurde. Dies führte zu Pflanzen, die auf Böden mit hohem pH-Wert im Vergleich zum Wildtyp gedieh und einen 7,9-fach höheren Getreideertrag produzierten. Interessanterweise nahm die Konzentration an Sproß Fe nur geringfügig zu, während die Keimgehalte überhaupt nicht zunahmen. Dies weist auf eine enge Regulierung der Fe-Homöostase in Reis hin, und diese Aufnahme wird sofort herunterreguliert, sobald die erforderliche Menge an Fe aufgenommen wurde. 16 Dies zeigt auch, dass Komponenten der Reduktionsstrategie in Grasarten eingearbeitet werden können, um die Fe-Aufnahme zu steigern und die Ernte zu verbessern.

In ähnlicher Weise könnte die Einbeziehung der Komponenten der Chelatbildungsstrategie die Fe-Aufnahme in Nicht-Graspflanzen erhöhen, obwohl dies noch nicht erfolgreich nachgewiesen wurde. Es wurde gezeigt, dass alle Pflanzen den PS-Vorläufer NA synthetisieren und eine konstitutive Überexpression des PS-Syntheseenzyms Nicotianamin-Aminotransferase (NAAT) in Tabak NA verbraucht, was zu intervenierender Chlorose und Sterilität führt. Dies legt nahe, dass die Einführung der PS-Synthese in Nicht-Gräser möglich ist, wir jedoch immer noch nicht verstehen, wie PS aus Wurzeln abgesondert wird, sodass dies möglicherweise einen weiteren Schritt darstellt, der geplant werden muss.

3. LANGE ENTFERNUNG ZUM TRANSPORT

Nach dem Eintritt in die Epidermis wird Fe aufgrund seiner möglichen Reaktivität wahrscheinlich von unbekannten Chelatoren oder Chaperonen gebunden. Fe bewegt sich symplastisch durch das miteinander verbundene Zytoplasma der Wurzel und diffundiert möglicherweise entlang des Konzentrationsgradienten. 2 Am Pericyclus strömt Fe in das Xylem und bewegt sich durch den Transpirationsstrom in Richtung des Triebs. Obwohl Cu-Chaperone in vielen Organismen, einschließlich Pflanzen, identifiziert wurden, 56 ist die Existenz eines cytosolischen Fe-Chaperons in Pflanzen nicht bewiesen. Interessanterweise wurde kürzlich das erste zytosolische Fe-Chaperon beim Menschen identifiziert: PCBP1, ein ubiquitär exprimiertes RNA-Bindungsprotein, das auch die Fe-Beladung von Ferritin erleichtert. 57 Wenn menschliches Ferritin in Hefe exprimiert wird, enthält es sehr wenig Fe, was auf die Notwendigkeit eines Chaperons hinweist. Wenn PCBP1 mitexprimiert wird, füllt sich das Ferritin mit Fe. PCBP1 ist in vivo auch komplexiert mit Ferritin und in vitro in der Lage, Fe zu binden PCBP1 erhöht den zytosolischen Fe-Spiegel in kultivierten Zellen. Somit liefert PCBP1 wahrscheinlich zytosolisches Fe an Ferritin, was die Fe-Beladung erleichtert. Im Arabidopsis-Genom wurden die Gene, die HsPCBP1 am ähnlichsten sind, hinsichtlich ihrer Rolle bei der Bindung von viraler RNA (BTR1) und der Regulation der Blütenentwicklung (HEN4 und FLK) charakterisiert. PCBP1 wurde jedoch erstmals auch als RNA-Bindungsprotein charakterisiert, 58 und seine Fe-Funktion wurde erst 2008 identifiziert.

In den Gefäßen ist Fe wahrscheinlich chelatiert, um eine Ausfällung zu verhindern. Die Chelatoren, von denen angenommen wird, dass sie Fe binden, haben Eigenschaften, die für ihre jeweilige Umgebung geeignet sind: Citrat bindet leicht Fe bei einem Xylem-pH von 5,5, während NA die Ausfällung von Fe bei einem pH von Phloemsaft von 7,5 verhindert. 59 Der Austausch von Fe von Citrat zu NA wird voraussichtlich bei pH 5,5 stattfinden. 60

Wenn Fe in das Xylem eintritt, wird angenommen, dass es mit Citrat komplexiert. 59 Bei Arabidopsis wird Citrat über FRD3, das im Wurzelgefäßsystem exprimiert wird, in das Xylem abgegeben. 61 FRD3 gehört zur Familie der Multidrug- und Toxic Compound-Extrusionsprodukte (MATE), von denen mehrere andere Mitglieder zur Minderung der Aluminiumtoxizität ebenfalls Effluxcitrat verwenden. 62 - 64 In der Tat erhöht eine Überexpression von FRD3-GFP die Aluminiumtoleranz bei Arabidopsis. 65 Während FRD3 mRNA wird unter Fe-Mangel nachgewiesen, sie wird in Reaktion auf Fe-Mangel zweifach hochreguliert. Der Verlust von FRD3 führt zu schwerer Chlorose und einer konstitutiven Fe-Mangelreaktion. 66 Xylem-Exsudat von oben gesammelt frd3 Mutantenwurzeln enthielten fast 50% weniger transloziertes Fe, während Perls-Färbung eine signifikante Anreicherung von Fe 3+ im Wurzelgefäßsystem aufwies. 65 Die Triebe von frd3 Pflanzen haben gezeigt, dass sie etwas weniger Fe als Wildtyp akkumulieren. 61, 65, 67 Ohne Citrat bewegt sich Fe nicht effizient durch das Xylem und wird vom Spross nicht genutzt, sondern fällt wahrscheinlich an den Wänden der Apoplasten aus. Dementsprechend wurde durch Zugabe von Citrat zu dem Wachstumsmedium die Pflanzen wieder grün, die Fe 3+ -Akkumulation im Wurzelgefäßsystem aufgehoben und die Fe-Mangelreaktion auf Wildtyp-Niveaus verringert. 65 Trotz des schweren Phänotyps kommt es im Xylem nur zu einer Abnahme von 40% an Citrat, was auf eine Rolle für andere Citrat-Effluxer schließen lässt.

Die konstitutive Fe - Mangelantwort der frd3 Mutante führt zu erhöhter IRT1-Expression und Fe-Aufnahme. Wenn Pflanzen jedoch die IRT1-Expression erhöhen, steigt auch die Aufnahme von Zn, Mn und Co sowie von Cd über IRT1. In dem Spross ist das Wachstum an die Verfügbarkeit von Fe gebunden, folglich bleibt die Konzentration von Fe unter Einschränkungen relativ konstant, da das Wachstum verzögert wird. Die Sprosskonzentrationen von Zn, Mn, Co und Cd steigen jedoch mit zunehmender IRT1-Expression weiter an. Gleichzeitig sinken die Mo-Konzentrationen, da die Versauerung der Rhizosphäre die Verfügbarkeit im Boden verringert. Dieses einzigartige Muster bei Pflanzen mit Fe-Mangel wurde weiter untermauert, indem die Sprossmetallprofile von über 70.000 Arabidopsis-Pflanzen analysiert wurden, die in Purdue Ionomics Information Management System (PiiMS) 68 mit unterschiedlichen Mengen an Fe-Supplementierung gezüchtet wurden. Es wurde als ionomische Signatur für Fe-Mangel beschrieben69 und könnte als Biomarker zur Identifizierung von Pflanzen mit Fe-Mangel verwendet werden.

Das Ortholog von FRD3 wurde kürzlich in Reis identifiziert. Es wurde gefunden, dass OsFRDL1 Citrat transportiert, wenn es in exprimiert wird, obwohl es nicht Fe-reguliert ist Xenopus Eizellen und der Verlust von OsFRDL1 führt zu chlorotischen Pflanzen mit Fe-Ausfällung im Xylem. 70 Und wie atfrd3, das osfrdl1 Der Mutantenverlust bei der Insertion von Funktionen hat zugenommen OsIRT1 Ausdruck und sammelt mehr Zn und Mn im Trieb. Ebenso der erhöhte Ausdruck von OsIRT1 und OsIRT2 in MA-freien Reismutanten führten auch zu erhöhten Konzentrationen von Zn, Cu, Mn und Cd im Spross. 52 Dies deutet darauf hin, dass die Signatur des Arabidopsis-Fe-Mangels an Reis angepasst werden könnte, da die Substratspezifität der Aufnahme und Translokation zum Trieb nicht zwischen diesen beiden Arten oder möglicherweise sogar zwischen Nicht-Gräsern und Gräsern abweicht. Interessanterweise verringerte der Verlust von OsFRDL1 die Konzentration von Fe 3+ im Xylemsaft, jedoch nicht von Fe 2+. 70 Dies deutet darauf hin, dass es neben Citrat einen zusätzlichen Chelator gibt, der an der Fe-Bewegung im Xylem beteiligt ist.

3.2.1 NA und YSL

Die Arabidopsis-Orthologen von ZmYS1 und HvYS1 transportieren kein Fe-PS aus dem Boden, spielen jedoch eine wichtige Rolle bei der Verteilung von Fe, höchstwahrscheinlich über das Phloem. Die acht Arabidopsis Wie gelber Streifen Es wird vorgeschlagen, dass (YSL-) Transporter Fe, das durch den PS-Vorläufer NA chelatiert ist, in das Phloem hinein und aus diesem heraus transportieren. 59 Das Expressionsmuster der Reis-YSL deutet auch auf eine Rolle für den Ferntransport von Fe-Komplexen hin, einschließlich der Abgabe an die Samen. 49 OsYSL15 und OsYSL2 sind beide als Reaktion auf einen Fe-Mangel hochreguliert und können den Fe-Ferntransport von der Wurzel zum Spross über das Phloem koordinieren des Triebs. 49, 71 Interessanterweise zeigte die Expression in Eizellen, dass OsYSL2 Fe-NA, aber nicht Fe-PS transportiert, 71 während OsYSL15 Fe-PS, aber nicht Fe-NA transportiert.49 OsYSL18 transportiert wie OsYSL15 auch Fe-PS, scheint jedoch nicht an der Aufnahme aus der Rhizosphäre beteiligt zu sein. Vielmehr kann es aufgrund seines Expressionsmusters an der DMA-vermittelten Fe-Verteilung in Fortpflanzungsorganen, Lamina-Gelenken und Phloemzellen an der Basis der Scheide beteiligt sein. 72

3.2.2 Nikotianamin

NA ist eine nicht-proteogene Aminosäure, die in höheren Pflanzen allgegenwärtig ist und durch Kondensation von 3 Molekülen S-Adenosylmethionin in einer durch Nicotianaminsynthase (NAS) katalysierten Reaktion synthetisiert wird. NA-Komplexe mit Fe 2+ und Fe 3+ weisen eine höhere Affinität für Fe 3+ auf, bilden jedoch mit Fe 2+ einen stabileren Komplex. 73 NA bindet auch leicht Cu 2+, Ni 2+, Co 2+, Zn 2+ und Mn 2+ in abnehmender Affinitätsreihenfolge. 59

Die Immunmarkierung von NA in Tomatenwurzel- und Sprossschnitten zeigte einen NA-Anstieg in den Zellen als Reaktion auf steigende Fe-Spiegel. 74 Dies ist im Gegensatz zu Gerste, wo NAS1 Die Expression in Wurzeln wird durch Fe-Mangel hochreguliert, 75 da NA als Vorstufe für MA verwendet wird. Ebenso alle drei Reis NAS Gene wurden in den Wurzeln als Reaktion auf Fe-Mangel, insbesondere im Gefäßsystem, hochreguliert. 76 Während Gerstenwurzeln höhere MA-Spiegel anreichern (und absondern), reichert Reis in seinen Wurzeln sowohl unter Fe-Mangel als auch unter Fe-Mangel viel mehr NA an. Dies legt nahe, dass der NAS-Ausdruck in Reis verwendet wird, um NA hauptsächlich für den Ferntransport von Fe zu produzieren. NA- und MA-Spiegel waren auch in Fe-defizienten Reisblättern sehr hoch, während in Gerste nur Spurenmengen nachgewiesen wurden. 75 Dies deutet darauf hin, dass NA im Vergleich zu Gerste eine wichtigere Rolle für den Fe-Ferntransport in Reis spielt und dass MA möglicherweise eine Rolle für die Fe-Translokation spielt. Der niedrige NA-Gehalt in Gerste wirft die Frage auf, welche Chelatbildner Gerste für den Ferntransport von Fe verwendet. Es ist interessant, dass es eine solche Divergenz zwischen den gramatösen Arten gibt und dass Reis offenbar Bestandteile verwendet, die in nichtgramatösen Arten sowohl für die Fe-Aufnahme als auch für den Ferntransport zu finden sind.

In Arabidopsis gibt es vier NAS Gene. Bei Fe-Mangel NAS2 und NAS4 wurden in der Wurzel hochreguliert, 77 was auf eine Rolle bei der Fe-Translokation zum Trieb hindeutet. NAS3 Die Expression erhöhte sich nach dem Übergang vom vegetativen zum reproduktiven Wachstum um das Vierfache, was darauf hindeutet, dass NA auch die Fe-Bewegung auf die Blüten vermittelt. Trotz der unterschiedlichen Muster und der Fe-Regulation wiesen alle Einzelmutanten Wildtyp-NA-Spiegel auf, was auf funktionelle Redundanz hinweist, vermutlich, weil NA mobil ist. Tatsächlich wurden eine intervenierende Chlorose und Sterilität nur beobachtet, wenn die Vierfachmutante erzeugt wurde. 77

3.2.3 NA-Spiegel und Fe-Lokalisierung

NA-Spiegel haben einen signifikanten Einfluss auf die Metallhomöostase. Die Überexpression von NAS in Tabak und Arabidopsis erhöht die NA-Spiegel, was zu einer erhöhten Akkumulation von Fe, Zn, Mn und Ni in den Trieben führt. 54, 78, 79 Es ist unklar, ob diese Veränderungen auf eine größere Translokation von Wurzeln zu Trieben zurückzuführen sind, die durch NA erleichtert wird, oder auf eine erhöhte Metallaufnahme in den Wurzeln, die durch die Bildung neuer Fe-Senken in den Trieben verursacht wird. In ähnlicher Weise verändert eine Erhöhung des NA-Spiegels in Reis und Arabidopsis die Lokalisierung von Fe. Reispflanzen mit gestörter PS-Synthese akkumulierten in Fe-ausgehungerten Wurzeln bis zu 43-mal mehr NA als Wildtyp. Diese dramatische Änderung der NA erhöhte den Fe-Ferntransport, was dazu führte, dass Samen signifikant mehr Fe als Wildtyp akkumulierten. 52 Die erhöhte Bewegung von Fe-NA zu den Samen betraf höchstwahrscheinlich OsYSL2, das signifikant hochreguliert war. In Arabidopsis akkumulierte eine NAS-Überexpressionslinie das 100-fache der NA, was zu einer verringerten Fe-Expression der Wurzeln und einer konstitutiven IRT1- und FRO2-Expression führte. 80 Diese Pflanzen reicherten sowohl in den Wurzeln als auch in den Sprossen unter Fe-Mangelbedingungen signifikant mehr Fe an, blieben jedoch im Vergleich zum Wildtyp chlorotisch. Dies deutet darauf hin, dass allgegenwärtige NA die Fe-Translokation erhöht, aber die effiziente Nutzung von Fe im Spross beeinträchtigt.

Umgekehrt führt der Verlust von NA entweder durch Verlust der NAS-Funktion bei Tomaten und Arabidopsis oder die Erschöpfung von NA durch Überexpression des NA-verzehrenden NAAT zu Symptomen eines Fe-Mangels wie Chlorose in den Eingängen, vermindertem Wachstum und Sterilität. 54, 77, 81 Wenn NA durch NAAT-Überexpression an Tabak abgereichert wurde, sammelte sich Fe nur in den Adern des Blattes an, die Zugabe von exogenem NA führte jedoch zu einer Fe-Bewegung im gesamten Blatt. Dies legt nahe, dass NA für die Mobilisierung von Fe aus dem Gefäßsystem in das Zwischengewebe wesentlich ist. Basierend auf dem, was über den Fe-NA-Transport in Arabidopsis bekannt ist, dürften die YSLs eine Rolle bei dieser Mobilisierung spielen. 59

3.2.4 NA- und Ni-Toleranz

NA spielt auch eine bedeutende Rolle bei der Ni-Toleranz und -Lokalisierung. Bei Arabidopsis induziert die Exposition gegenüber Ni die Expression aller vier NAS Gene, 79 und Überexpression von NAS verleihen Resistenz gegen Ni. 79, 82 Umgekehrt wurde festgestellt, dass die NAS-Vierfach-Knockdown-Mutante gegenüber Ni hochempfindlich ist. 77 Im Ni-Hyperakkumulator Thlaspi caerulescens, das hohe Expressionsniveau von NAS Gene in den Trieben (relativ zu Arabidopsis thaliana) scheint eine Schlüsselkomponente der Ni-Toleranz und des Langstreckentransports zu sein. 83 Bei der Behandlung mit Ni wurde die NAS-Expression nur in den Trieben festgestellt, während sich NA in den Wurzeln ansammelte. Gleichzeitig wurde Ni-NA im Xylem nachgewiesen und Ni reicherte sich schnell in den Trieben an. Dies legt nahe, dass in T. caerulescensWird NA vom Spross zur Wurzel transloziert, um Ni zu binden, und die Ni-NA wird dann zumindest teilweise über den Xylemsaft zurücktransloziert. Zusätzlich zeigen drei Mitglieder der TcYSL-Familie eine viel höhere Expression als ihre Arabidopsis-Orthologen, und obwohl TcYSL3 nicht durch Ni reguliert wird, kann es Ni-NA leicht transportieren, wenn es in Hefe exprimiert wird. 84 Möglicherweise teilen sich Ni-NA und Fe-NA Transporter und Translokationswege.

3.2.5 YSLs und Ferntransport von Fe auf Arabisch> Von den acht Mitgliedern der Arabidopsis-YSL-Familie wurden drei Mitglieder - YSL1, YSL2 und YSL3 - charakterisiert. Alle außer YSL3 transportieren Fe-NA, wenn sie in Hefe exprimiert werden, und es wurde gefunden, dass alle in einem breiten Bereich von Geweben exprimiert werden, insbesondere im Gefäßsystem. 41, 85 - 88 Es wird häufig vorgeschlagen, dass die YSLs dazu dienen, Fe aus dem Xylem in das Phloem zu verlagern, so dass es sich in junge, wachsende Gewebe bewegen kann. Es wird auch angenommen, dass die YSL Fe aus seneszenten Blättern für den Ferntransport zur Blume zum Laden in den sich entwickelnden Samen laden. Curie et al. 59 haben kürzlich die YSLs überprüft.

Von besonderem Interesse ist die ysl1 ysl3 Doppelmutante, die sowohl in Blättern als auch in Samen niedrigere Fe-Spiegel aufwies. 88 Blüten und Samen waren besonders betroffen, was im Abschnitt Samen weiter unten (Abschnitt 4.1) erörtert wird. Die Doppelmutante wies auch eine sogenannte intervenierende Chlorose auf, ähnlich der Chlorose, die bei der NA-freien Tomatenmutante beobachtet wurde Chlornerva. 81 Trotz der Chlorose blieb die Reaktion auf Fe-Mangel unverändert, 88 im Gegensatz zur NA-freien Tomatenmutante. Es ist interessant, dass der Eisenmangel in den Zwischenräumen des Blattes nicht ausreicht, um die Reaktion auf Eisenmangel auszulösen. Dies deutet auf eine gewebespezifische Komponente des Fe-Sensings bei Arabidopsis hin, bei der die Venen möglicherweise wichtiger sind als das Zwischengewebe. Eine ähnliche Rolle wurde für das Wurzelgefäßsystem vorgeschlagen, basierend auf der stelespezifischen Hochregulation von Signalgenen während eines Fe-Mangels. 4

3.2.6 OsIRT1

In Reis OsIRT1-GUS Ausdruck wurde im Phloem der Wurzeln und der Triebe ermittelt. Die Expression wurde als Reaktion auf Fe-Mangel, insbesondere in Begleiterzellen, hochreguliert. Es wird vorgeschlagen, dass OsIRT1 Fe (II) in das Phloem transportiert, wo es dann von NA chelatiert wird. Diese Rolle scheint nicht für AtIRT1 zu gelten, da ihr Ausdruck in der Wurzel nur in der Epidermis festgestellt wurde. 20

Zusätzlich zu NA wurde im Phloemsaft von 7 Tage alten Rizinussprossen ein Fe-bindendes Protein identifiziert. 89 Das Eisentransportprotein (ITP) ist ein Dehydrin, das in den Trieben sowohl von Sämlingen als auch von erwachsenen Pflanzen exprimiert wird. Wenn radioaktiv markiertes Fe auf die Keimblätter aufgebracht wurde, wurde fast alles im Phloemsaft gewonnen, der mit dem 17-kD-ITP-Protein assoziiert ist, was darauf hinweist, dass sich Fe schnell zum Phloem bewegt und fast alles durch ITP gebunden ist. Es wurde gefunden, dass das gereinigte ITP-Protein vorzugsweise Fe 3+, jedoch nicht Fe 2+ bindet. Leider ist es schwierig, große Mengen Phloemsaft aus Pflanzenmodellorganismen zu gewinnen, und es wird weiterhin nur über ITP in Rizinusbohnen berichtet. Die ähnlichsten Gene in Arabidopsis weisen Anmerkungen in Bezug auf Stress auf, und einige sind als Reaktion auf einen Fe-Mangel in der Wurzel (BTI1, BTI2, At1G54410, At2G44060) hochreguliert, obwohl keine für die Stele spezifisch sind. 4 Unter der Annahme, dass ein ITP in anderen Pflanzenarten vorhanden ist, wurde vorgeschlagen, dass NA als Shuttle dient, das die Bewegung von Fe in das und aus dem Phloem (über die YSLs) erleichtert, während die tatsächliche Bewegung von Fe innerhalb des Phloem tritt über ITP auf.

3.3 Kontrolle des Fe-Ferntransports in Gerste

In Gerste wurde ein Fe-Diskriminierungszentrum (DC) im Basalspross identifiziert, indem die Dynamik der Fe-Aufnahme und -Translokation mit einem Positronen emittierenden Tracer Imaging System (PETIS) überwacht wurde. 90 PETIS ermöglicht die zerstörungsfreie Visualisierung von Metallbewegungen in lebenden Pflanzen in Echtzeit. Sowohl in Fe-ausreichenden als auch in Fe-mangelhaften Gerstenpflanzen lagerte sich 52 Fe zunächst an einer zentralen Stelle im basalen Teil des Sprosses an (Abbildung 5), das Fe wurde jedoch nur auf die Blätter der Fe-mangelhaften Pflanzen übertragen, was dies nahelegt Diese Region reguliert die Fe-Verteilung in Gerste. Sie fanden auch heraus, dass die Schädigung des Phloems die Fe-Bewegung junger Blätter, aber nicht alter Blätter beeinträchtigte. Dies liefert mehr Hinweise darauf, dass junge Blätter Fe hauptsächlich vom Phloem erhalten, während ältere Blätter Fe vom Xylem erhalten. PETIS wurde auch zur Visualisierung und Quantifizierung der Aufnahme und Translokation von radioaktiv markiertem 52 Fe und 62 Zn in Reispflanzen eingesetzt. 16, 91

(A) Bruttobild von Fe-Mangel (links) und Fe-ausreichender (rechts) Gerste, analysiert unter Verwendung von PETIS. Der gleiche Rahmen wurde für B- und C-Bilder verwendet. (B) PETIS-Bilder von 52 Fe-Akkumulation nach 6 Stunden. (C) Mit PETIS analysierter zeitlicher Verlauf der Radioaktivitätsakkumulation. Die Bilder werden in Intervallen von 15 und 30 Minuten angezeigt (0–60 bzw. 60–360 Minuten). Die Daten wurden alle 3 Minuten ausgewertet. Pfeilspitzen zeigen die erste Erkennung von DC (Diskriminierungszentrum) an (linke Pfeilspitze - Fe, rechte Pfeilspitze + Fe). Diese Figur ist aus 90 Creative Commons reproduziert.

4. Fe und Samen

Fe bewegt sich zu den Samen, höchstwahrscheinlich über das Phloem, da der Fluss des Xylems durch Transpiration angetrieben wird und Samen nicht transpirieren 92. Sich entwickelnde Samen erhalten Fe von den Wurzeln und von seneszenten Blättern. Der Grad der Remobilisierung vom Spross zum Samen variiert je nach Art: Reis transportiert nur 4% des Fe-Sprosses zu den Samen, 93% gegenüber Weizen, der 77% des Fe-Sprosses zu den Samen transportiert. Es wurde gezeigt, dass der Zeitpunkt und die Regulierung der Seneszenz einen signifikanten Einfluss auf die Fe-Anreicherung in den Samen haben. Bei Weizen wurde festgestellt, dass der Abbau der NAC-Familie von Transkriptionsfaktoren mit RNAi die Seneszenz um mehr als drei Wochen verzögert und das Fe des Samens um mehr als 30% verringert. 95 Wie Entwicklungsänderungen, Photosystemdekonstruktion und Fe-Remobilisierung zusammenwirken, ist noch unklar. Es ist anzumerken, dass die Pflanzenzüchtung häufig auf eine verbesserte Getreidereifezeit abzielt, jedoch die Anreicherung von Nährstoffen im Getreide als wünschenswertes Merkmal ignoriert. Infolgedessen sind viele Grundnahrungsmittel landwirtschaftlich produktiv, enthalten jedoch nur geringe Mengen an Nährstoffen wie Fe im Saatgut.

Getreidesamen machen mehr als 50% der weltweiten Energieaufnahme aus, 96 und sind in vielen Entwicklungsländern ein wichtiger Bestandteil der Ernährung. Da die pflanzliche Ernährung relativ wenig bioverfügbares Fe enthält, leiden große Teile der Entwicklungsländer an Fe-Mangel, darunter über 60% aller Kinder in Afrika und Südostasien. In Reaktion darauf konzentrierte sich die Forschung darauf, zu verstehen, wie Nährstoffe zu Samen transportiert werden und wie dies gesteigert werden kann. Die Überexpression von Fe-verwandten Genen führt jedoch häufig eher zu Einbrüchen in den Blättern als in den Samen. 98 Dies zeigt, wie wichtig es ist, zu bestimmen, wie Fe-Spiegel auf Gewebe- und intrazellulärer Ebene gemessen werden und wie sich dies letztendlich auf die Fe-Verteilung auf das Saatgut auswirkt.

4.1.1 NA, YSL1 und YSL3

Fe-NA ist essentiell für die Blüten- und Samenentwicklung. Der Verlust oder die Erschöpfung von NA führt zu deformierten Blüten und Sterilität sowie zu einer signifikanten Abnahme der floralen Fe-Akkumulation. 54, 81 Dies passt gut zum beobachteten NAS-Expressionsmuster in Tabak, wobei der höchste Ausdruck in Blumen, insbesondere in Staubbeuteln und Pollen, zu sehen ist. 54 Interessanterweise stellte das Aufpfropfen von NA-verarmten Tabaksprossen auf NAS-überexprimierende Sprosse die Fe-Mobilisierung in der Blatt- und Blütenentwicklung wieder her, konnte jedoch das beeinträchtigte Saatgut nicht vollständig retten. 54 Somit scheint der Fe-NA-Bedarf für eine normale Samenentwicklung besonders hoch zu sein. Die Arabidopsis NAS-Vierfach-Knockdown-Mutante wird auch zu Beginn des Fortpflanzungswachstums chlorotisch und reichert während der Blüte deutlich mehr Fe in den Blättern an (+ 216%). 77 Gleichzeitig nahm der Fe-Gehalt im Samen nur um 46% ab, während die IRT1-Expression in der Blüte zunahm, was auf eine Kompensation hindeutet. Als eine zweite Vierfachmutante mit vollständig aufgehobener NA-Synthese erzeugt wurde, war das Ergebnis Sterilität. Es sollte auch beachtet werden, dass die IRT1-Expression in der Blume auch ausschließlich in der Anthere stattfindet, 20 was eine Rolle sowohl für Fe-NA als auch für Fe (II) bei der Blütenentwicklung anzeigt.

Da Fe-NA für die Samenentwicklung von entscheidender Bedeutung ist, spielen die YSLs eine wichtige, wenn nicht sogar wesentliche Rolle bei der Abgabe von Fe-NA an das sich entwickelnde Saatgut. Bei Arabidopsis wurde die YSL1-Expression in und um Blattvenen, insbesondere in seneszenten Blättern, zusätzlich zur Expression der Blume, des Pollens, der jungen Schoten und des Embryos gefunden. 87 Dies deutet auf eine Rolle bei der Fe-Beladung von alternden Blättern für den Transport zum sich entwickelnden Saatgut hin. In der Tat sind die Samen der ysl1 Funktionsverlust Mutantenlinien enthielten 30–65% weniger Fe und keimten langsamer auf Fe-Mangelmedium. Bewässerung von Pflanzen mit exogenem Fe konnte die Fe-Anreicherung in den Samen nicht wiederherstellen, was darauf hinweist, dass YSL1 eine Rolle bei der Samenbeladung spielt, die von anderen Transportern oder Chelatoren nicht kompensiert werden kann. Das Expressionsmuster von YSL3 ähnelt etwas dem von YSL1: im Gefäßsystem von Trieben sowie in Pollen und Staubbeuteln. 88 Als die beiden Mutanten mit Funktionsverlust gekreuzt wurden, war die resultierende Doppelmutante chlorotisch und die meisten Blüten produzierten keine Schoten. Die wenigen entstehenden Samen waren klein und unregelmäßig und 80% weniger keimfähig als der Wildtyp. Diese Phänotypen ähneln der floralen Deformität und Sterilität von Pflanzen ohne NA, 54, 81, was darauf hinweist, dass die Samenentwicklung nicht nur die Verfügbarkeit von NA, sondern auch spezifischer Fe-NA-Transporter erfordert.

OPT3, ein Mitglied der Familie, zu der ZmYS1 und die AtYSLs gehören, spielt eine wesentliche Rolle bei der Fe-Beladung des Samens. OPT3 wird in Pollen, dem Silique-Gefäßsystem und dem sich entwickelnden Embryo exprimiert. Außerdem wird die Expression im Wurzel- und Sprossgefäßsystem als Reaktion auf Fe-Mangel hochreguliert. 99, 100 Im Gegensatz zu den ysl Mutanten, die opt3 Die Nullmutante ist embryo-letal, was auf eine wesentliche Rolle von AtOPT3 bei der Samenentwicklung hinweist. Ein opt3 zerschlagen linie, opt3-2erlaubte die Embryonenbildung in Samen, aber diese sammelten signifikant weniger Fe an. 101 Die opt3-2 Pflanzen zeigen auch eine konstitutive Expression von Genen, die an der Wurzel-Fe-Mangelantwort beteiligt sind, unabhängig von der exogenen Fe-Versorgung. Dies führt zu einer Anreicherung von sehr hohem Fe-Gehalt in den Blättern, was zu braunen nekrotischen Flecken führt, insbesondere während der Samenfüllphase. Das Substrat von OPT3 ist unbekannt, aber seine Phänotypen und seine Beziehung zu den YSL lassen vermuten, dass es chelatiertes Fe oder einen Fe-Chelator transportiert. Es gibt acht weitere Mitglieder der Arabidopsis-OPT-Unterfamilie, und viele sind im Gefäßsystem und in den Fortpflanzungsorganen exprimiert. Es wurden jedoch keine Phänotypen gemeldet, die höchstwahrscheinlich auf funktionelle Redundanz zurückzuführen sind. 100

4.2 LAGERUNG VON FE

Bei Arabidopsis wurde beobachtet, dass sich entwickelnde Samen Mn und Zn speichern, die mit Phytat in den Vakuolen des Embryos und des Endosperms und vorübergehend in der ER komplexiert sind. 102 Der Lagerungszustand von Fe in Arabidopsis-Samen war unbekannt, obwohl lange angenommen wurde, dass es im Plastid in Ferritin gelagert wird. Dies beruhte auf früheren Experimenten mit Hülsenfrüchten, bei denen bis zu 90% Fe in Ferritin gefunden wurden. 103 Neuere Arbeiten bei Arabidopsis haben ergeben, dass nur sehr wenig Ferritin in Samen enthalten ist 104, was die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass bei Arabidopsis der größte Teil des Fe-Samens durch Phytat oder einen anderen Chelator in der Vakuole gebunden ist.

Bei Arabidopsis transportiert VIT1 Fe 2+ in die Vakuole und wird im Gefäßsystem exprimiert, insbesondere während der Embryo- und Samenentwicklung. 105 Während der Verlust und die Überexpression von VIT1 den Gesamt-Fe-Spiegel in Samen nicht beeinflusst, ist Fe beim Verlust der Funktionsmutante stark fehllokalisiert. Die Visualisierung der Fe-Verteilung durch Synchrotron-Röntgenfluoreszenzmikrotomographie 106 zeigte, dass Fe in Wildtyp-Samen in provaskulären Strängen des Embryos konzentriert war, während in der vit1 Die Fe-Mutante war nicht mit dem Gefäßsystem assoziiert, sondern wurde im gesamten Hypokotyl und Radikel beobachtet und in einer Zellschicht direkt innerhalb der abaxialen Epidermis der Keimblätter konzentriert (Abbildung 6). 105 Diese Fehllokalisierung von Fe führte zu einer verminderten Lebensfähigkeit der Sämlinge auf Fe-begrenztem Boden. Daher ist die vakuoläre Fe-Beladung über VIT1 für die ordnungsgemäße Fe-Verteilung im Embryo von entscheidender Bedeutung, was wiederum die Lebensfähigkeit der Sämlinge unter Bedingungen mit niedrigem Fe-Gehalt bestimmt. Das in den Vakuolen des Gefäßsystems gespeicherte Fe kann in der Fe 3+ -Form vorliegen, da die Perl-Färbung von Fe in Embryonen 101 der durch SXRF nachgewiesenen Gefäßlokalisation von Fe stark ähnelt. 105

(A) Dreidimensionale Darstellung der gesamten Röntgenabsorption eines Wildtyp-Arabidopsis-Samens. (B und C) Dreidimensionale Darstellung der Fe Kα-Röntgenfluoreszenz in Col-0 und vit1-1jeweils mit beiden Samen identisch orientiert. 105 Nachdruck mit freundlicher Genehmigung, Copyright 2006 The American Association for the Advancement of Science.

4.2.2 NRAMP3 und NRAMP4

In Arabidopsis lokalisieren NRAMP3 und NRAMP4 auch die Vakuolen im Gefäßsystem, transportieren jedoch Fe aus der Vakuole heraus. Mögen vit1, das nramp3 nramp4 Samen mit Doppelmutanten enthalten den gleichen Gehalt an Fe wie Wildtyp, produzieren jedoch Keimlinge, die auf fe-begrenztem Boden schlecht wachsen. 107 Die elektronenmikroskopische Visualisierung von Wildtyp-Samen ergab, mit welcher Wahrscheinlichkeit Fe-Phytat-Globoide in der Vakuole vorhanden waren, die mit fortschreitender Keimung verschwanden. Aber im Doppelpack nramp3 nramp4 Bei der Mutante blieben die Globuli während der Keimung, was darauf hinweist, dass Fe nicht aus der Vakuole mobilisiert wurde, was die Keimungsdefekte verursachte, die auf Fe-limitierten Medien zu sehen waren. Da der Fe-Aufnahmetransporter IRT1 erst am dritten Keimungstag exprimiert wird, beruhen die ersten beiden Wachstumstage auf der Mobilisierung vakuolarer Fe-Speicher über NRAMP3 und NRAMP4, daher die Keimungsphänotypen von vit1 und nramp3 nramp4 Mutanten. Interessanterweise zeigte dies auch, dass die primäre Speicherform von Fe in Arabidopsis-Samen nicht Ferritin ist, wie dies aufgrund früherer Arbeiten in Hülsenfruchtsamen angenommen worden war. Stattdessen scheinen die vakuolären Globoide, bei denen es sich um mit Phytat komplexierte Ionen handelt, 108 eine primäre Fe-Speicherform in Arabidopsis-Samen zu sein. Es wäre daher interessant, die Fe-Speicherform in der reduzierten Phytat-Arabidopsis-Mutante zu bestimmen. 109 Vielleicht erhöhen sich die Ferritinspiegel, um dies zu kompensieren, oder ein anderer Chelator (z. B. NA) kann Fe in der Vakuole binden.

Daher sind sowohl die Beladung der Samenvakuole mit Fe über VIT1 als auch die Freisetzung von Fe während der Keimung über NRAMP3 und NRAMP4 für die Lebensfähigkeit der Samen unter Fe-beschränkten Bedingungen wesentlich und implizieren die Vakuole als integralen Bestandteil der Fe-Lagerung in Samen.

Neben Vakuolen kommt Fe in den mit Ferritin gebundenen Plastiden vor. Arabidopsis hat vier Ferritin-Gene, von denen nur FER2 wird in sich entwickelnden Samen und während der Keimung ausgedrückt. 110 Dementsprechend FER2 ist das einzige Ferritin, das als Reaktion auf das Pflanzenhormon Abscisinsäure (ABA) hochreguliert ist. Das fer2 Der Verlust der Funktionsmutante beeinflusst nicht die Fe-Akkumulation oder die Lebensfähigkeit des Samens unter normalen Bedingungen. Tatsächlich wurde geschätzt, dass Ferritin nur 5% des gesamten Samen-Fe ausmacht. 104 Als die anderen drei Ferritin-Gene ausgeschaltet wurden, sammelten sich die Blüten mehr Fe an und reagierten sehr empfindlich auf die Zugabe von Fe. Dies führte zu deformierten, weniger funktionellen Blüten und erhöhtem oxidativem Stress. Daher dient Ferritin wahrscheinlich eher als Fe-Puffer und bindet freies Fe, um oxidativen Stress zu verhindern.

4.3 BIOVERFÜGBARKEIT FÜR MENSCHEN

Die Samen von Grundnahrungsmitteln enthalten große Mengen des Antinährstoffs Phytat im Maisembryo und die Aleuronzellen von Weizen, Reis und Gerste 111. Phytat besteht aus einem phosphorylierten myo-Inositolring und stark chelatisierende Metallkationen, einschließlich Fe, Zn und Mn 112, reichern sich diese Salze wie oben erwähnt als Kügelchen in der Vakuole an. Da Phytat etwa 1–2% des Trockengewichts der Getreidesamen 113 ausmacht, ist dies ein ernstes Hindernis für die Aufnahme von Fe aus der Nahrung. In den Entwicklungsländern wird angenommen, dass die Verbreitung von Phytat in der pflanzlichen Ernährung zu der hohen Rate an Fe-Mangel und Anämie beiträgt. Tatsächlich ist gezeigt worden, dass ballaststoffreiche Diäten bei gesunden Frauen einen Fe-Mangel hervorrufen, 115 da Phytat vermutlich Fe aus anderen Nahrungsmitteln im Darm bindet und somit für die Aufnahme nicht verfügbar ist. Umgekehrt wird angenommen, dass in Ferritin gespeichertes Fe sicher ist und eine hohe Bioverfügbarkeit aufweist. Es wurden verschiedene Strategien angewendet, um die Menge an Phytat in Samen zu verringern und gleichzeitig die Menge an Ferritin zu erhöhen.

Ein naheliegender Ansatz besteht darin, die Phytatbiosynthese zu unterbrechen. Frühe Versuche, die Phytinsäure in der gesamten Pflanze zu reduzieren, reduzierten erfolgreich die Ansammlung von Samen, aber diese Pflanzen keimten oft schlecht und waren anfälliger für Stress. 117 Kürzlich wurde bei Arabidopsis festgestellt, dass die für die späteren Schritte der Phytatsynthese erforderlichen Inositpolyphosphatkinasen AtIPK1 und AtIPK2 Samen mit 93% weniger Phytat produzieren. 109 Während diese Mutationen weder die Samenausbeute noch die Keimung beeinflussten, veränderte der Verlust der Phytatvorläufer den Phosphatnachweis. Die Autoren stellten fest, dass dies durch die Verwendung von für die Samen spezifischen Promotoren überwunden werden könnte. Dementsprechend wurden Samen von Mais und Sojabohnen mit niedrigem Phytatgehalt durch die samenspezifische Unterdrückung eines ABC-Transporters erzeugt. 118 Obwohl unklar ist, auf welcher Membran sich der Transporter befindet oder was er transportiert, verhindert sein Verlust, dass sich Phytat im Samen ansammelt, ohne die Lebensfähigkeit des Samens zu beeinträchtigen. Es wurde noch nicht untersucht, wie sich die Reduktion von Phytat in Samen auf die Fe-Homöostase auswirkt. Es wäre jedoch interessant, das Zusammenspiel zwischen vakuolären und plastiden Fe-Pools in diesen Mutanten zu untersuchen.

Ein zweiter Ansatz ist die Überexpression von Ferritin in Samen. Obwohl der Mechanismus der Ferritinaufnahme über die Nahrung im menschlichen Darm unbekannt ist, wird angenommen, dass das in Ferritin komplexierte Fe leicht absorbiert wird und eine gut zugängliche Fe-Quelle ist. 116 Infolgedessen wurde Ferritin als Mittel zur Erhöhung der Bioverfügbarkeit von Fe in Grundnahrungsmitteln angesehen. Tatsächlich führte die Überexpression von Sojabohnen- und Bohnenferritinen in Reissaatgut zu einer zweifachen bis dreifachen Erhöhung des Fe-Gehalts im Saatgut, wobei 119 bis 121 Ratten mit Ferritin gefüttert wurden, das den aus Fe-Mangel gewonnenen Reis überexprimierte, was darauf hinweist, dass das Fe bioverfügbar ist. Natürlich hat eine Überexpression von Ferritin Konsequenzen für die Pflanze. Die Überexpression von Sojabohnenferritin in Tabak führte zu einer konstitutiven Fe-Mangelreaktion, die eine stärkere Fe-Aufnahme und -Akkumulation verursachte, aber auch zu einer zweifachen Zunahme von Cd, wenn es auf kontaminiertem Boden gezüchtet wurde. Gleichzeitig führte die Zunahme von gebundenem Fe zu einer verbesserten Resistenz gegen oxidativen Stress. 98, 123 Eine Überexpression von Alfalfa-Ferritin in Tabak führte zu einer erhöhten Resistenz gegen Fe-Überladung, oxidativen Stress und Erregerinvasion. 124 Die Überexpression von Ferritin mit stärkeren Promotoren führte zu der gleichen Erhöhung des Fe-Gehalts wie bei Transgenen mit schwächeren Promotorenkonstrukten, was darauf hindeutet, dass die weitere Erhöhung der Fe-Anreicherung durch die Aufnahme und den Transport von Fe und nicht durch den Ferritinspiegel begrenzt ist. 125

Schließlich wurde eine Kombination der beiden Ansätze vorgenommen. Transgene Maispflanzen wurden erzeugt, um sie ektopisch zu exprimieren Aspergillus Phytase und Sojabohnenferritin im Endosperm. 126 Dies erhöhte den gesamten Fe-Gehalt in Samen um 20–70% und führte zum Abbau fast aller endogenen Phytate. Wenn Paste aus den resultierenden Samen an kultivierte menschliche Zellen verfüttert wurde, war die Fe-Aufnahme im Vergleich zu denen, die mit Wildtyp-Samenpaste verfüttert wurden, signifikant höher. Daher werden Versuche, das bioverfügbare Fe in Samen zu erhöhen, erfolgreicher.

5.1 PLAST> Es wird angenommen, dass Chloroplasten fast 90% des Fe in einem Blatt enthalten. 127 In der Tat wird Fe für die Photosynthese, die Häm-Biosynthese und den Fe-S-Clusteraufbau benötigt, die alle im Chloroplasten stattfinden. Es ist jedoch nur sehr wenig bekannt, wie Fe in diese Organelle hinein und aus dieser heraus transportiert wird. Transporter dienen wahrscheinlich als Gateway für Fe und regulieren dessen Spiegel innerhalb der Plastide als Reaktion auf die zelluläre Nachfrage außerhalb der Plastide.

Die Expression der Eisen (III) -Reduktase FRO7 auf der Chloroplastenmembran zeigt an, dass ein Teil des Fe in Eisen (III) -form auf den Chloroplasten übertragen wird und reduziert werden muss, um in den Chloroplasten einzutreten. 128 Frühere Experimente mit gereinigten Erbsenchloroplasten zeigten, dass Fe wahrscheinlich im Eisenzustand über die innere Hülle transportiert wurde. 129, 130 Die Chloroplasten der fro7 Mutanten enthalten 33% weniger Fe, was zu einer verringerten Photosyntheseeffizienz und weniger gesunden Photosystemen 128 führt. Darüber hinaus ist der FRO7-erleichterte Import von Eisen-Fe in das Plastid für das Keimlingswachstum unter Fe-begrenzten Bedingungen wesentlich. Während nramp3 nramp4 Die Doppelmutante wächst schlecht, wenn sie auf fe-begrenztem Boden gekeimt wird fro7 Funktionsverlust Mutante stirbt. Somit sind sowohl die Mobilisierung von Fe aus der Vakuole als auch der Fe-Import in das Plastid für die Keimlingsentwicklung wesentlich, wenn Fe begrenzt ist. Dies impliziert, dass der Plastiden-Fe-Pool in Samen nicht substanziell ist, was mit den niedrigen Ferritinspiegeln in Arabidopsis-Samen korreliert. Dies impliziert ferner, dass die Vakuole anstelle des Plastids der primäre Ort für die Fe-Speicherung in Samen und der anschließende Ort für die Mobilisierung während der Keimung ist.

PIC1 (Tic21) wurde ursprünglich als Chloroplasten-Translokon-Komponente identifiziert, da es mit den Hauptkomponenten des Toc- und Tic-Translokons immunopräzipitiert. Es wurde jedoch auch vorgeschlagen, dass Entwicklungsdefekte, die beim Verlust der Funktionsmutante auftreten, eher mit einer beeinträchtigten Fe-Homöostase innerhalb des Chloroplasten als mit einer Proteintranslokation zusammenhängen. PIC1 lokalisiert sich auf der inneren Hülle des Chloroplasten 131, 132 und ist für die Fe-Homöostase innerhalb der Plastide und der Pflanze als Ganzes wesentlich. 132 Die heterologe Expression des plastid-lokalisierten Transporters in Hefe legt nahe, dass PIC1 Fe und Cu durch die Membran transportiert. Obwohl sich der Gesamtgehalt an Fe im Blatt nicht ändert pic1 Mutante, die Pflanzen sind zwergartig und chlorotisch, mit beeinträchtigter Chloroplastenentwicklung. Es wurde auch festgestellt, dass diese Plastiden einen erhöhten Ferritinspiegel und keine Thylakoide aufwiesen. Dies deutet darauf hin, dass Fe im Plastid nicht mehr richtig verwendet wurde und sich stattdessen im Ferritin anreichert. Diese Fehllokalisierung von Fe verändert auch die Expression von nicht-plastiden, Fe-regulierten Genen in den Sproßzellen und die Expression des Wurzel-Fe-Aufnahmetransporters IRT1 wurde unterdrückt. Dies deutet darauf hin, dass der Chloroplast ein integraler Bestandteil des Fe-Sensing-Mechanismus ist, da der Fe-Status des Chloroplasten zusätzlich zur Expression von Fe-Mangel-Reaktionsgenen in der Wurzel die Fe-Homöostase der gesamten Zelle beeinflusst.

5.1.3 FERRITIN

Bei Arabidopsis wird vorausgesagt, dass sich FER1, FER2 und FER3 an der Plastide befinden, dass sich FER4 an den Mitochondrien befindet oder dass beide Organellen gleichzeitig betroffen sind. 110 Die Rolle der Ferritin-Paralogs unterscheidet sich durch Lokalisation und Regulation: FER2 wird nur in den Samen exprimiert, während die anderen drei Ferritine zusätzlich in den Trieben und Blüten exprimiert werden FER1 Ausdruck in den Wurzeln. 110 Zusätzlich steigt die Expression der drei Nicht-Samen-Ferritine als Reaktion auf hohe Fe-Spiegel, während die Samen-FER2 als Reaktion auf das Pflanzenhormon ABA exprimiert wird. 110 Ferritine scheinen Fe-Spiegel zu puffern und überschüssiges freies Fe zu binden, um oxidativen Stress zu verhindern. 104 Als die drei Gene, die für Nicht-Samen-Ferritine kodieren, ausgeschaltet wurden, zeigte die Dreifachmutante eine Verschiebung der Fe-Anreicherung vom Stamm zur Blüte, wenn sie mit Fe ergänzt wurde, was zu erhöhtem oxidativem Stress und deformierten Blüten führte. Dies stützt die Hypothese, dass Chloroplasten eine wichtige Fe-Senke darstellen und dass Ferritine einige Fe in den Blattplastiden binden können. Dies verhindert eine übermäßige Fe-Bewegung zur Blume, obwohl unklar ist, ob dies durch physikalische Sequestrierung von Fe im Spross erfolgt oder ob der Fe-Status des Plastids den langen Fe-Transport zur Blume reguliert. Die Dreifachmutante zeigte auch keine Abnahme der Photosynthese, 104 was darauf hinweist, dass Ferritine für die Entwicklung oder Funktion von Chloroplasten nicht wesentlich sind. Stattdessen verhindern die Ferritine, dass sich überschüssiges freies Fe in der Blüte ansammelt und dort Schaden anrichtet.

5.2 MITOCHONDRIEN

Pflanzliche Mitochondrien benötigen Fe für die Atmung, die Häm-Biosynthese und die Synthese von Fe-S-Clustern 133, aber die Kombination von Elektronen und freiem Fe ist hochgiftig. Daher ist eine ordnungsgemäße Fe-Homöostase in den Mitochondrien von entscheidender Bedeutung, und es wurde festgestellt, dass sowohl Transporter als auch Fe-Sequestrierungsproteine ​​für die Mitochondrienfunktion wesentlich sind. Die Blütenentwicklung, insbesondere die Mikrosporogenese, ist stark von der Energie aus den Mitochondrien abhängig. Die Aufrechterhaltung des mitochondrialen Fe-Spiegels ist daher von hoher Bedeutung, da ein Fe-Mangel deformierte Mitochondrien im Reispollen hervorruft und die Samenausbeute verringert. Passenderweise sind viele Fe-verwandte Gene in den Staubbeuteln stark exprimiert (der Teil des männlichen Organs der Blume, der Pollen enthält), wie z NtNAS, AtOPT3, AtYSL1, AtYSL3 und AtIRT1. 20 , 54 , 88 , 100

5.2.1 FERRITIN und FRATAXIN

Kürzlich wurden die Fe-bindenden Proteine ​​Ferritin und Frataxin in mehreren Organismen, darunter auch Arabidopsis, in den Mitochondrien lokalisiert. 139 Sie scheinen nicht nur in den Mitochondrien, sondern in der gesamten Zelle eine sehr wichtige Rolle bei der Metallhomöostase zu spielen.

Über mitochondriale Ferritine in Pflanzen wurden nur sehr wenige Untersuchungen durchgeführt, mit Ausnahme der Bestätigung ihres Vorkommens in gereinigten Mitochondrien von Erbsen und Arabidopsis. 139 Aufgrund seines mutmaßlichen Transitpeptids ist AtFER4 am wahrscheinlichsten in den Mitochondrien lokalisiert, obwohl es möglicherweise auch auf den Chloroplasten abzielt (Aramemnon Plant Membrane Database). Das fer4 Mutanten mit Funktionsverlust haben keinen Phänotyp, möglicherweise, weil einer oder mehrere ihrer Paralogs auch auf die Mitochondrien abzielen oder Frataxin in der Lage ist, dies zu kompensieren. Wahrscheinlicher ist FER4 unter normalen Bedingungen nicht essentiell für die Mitochondrienfunktion. Während es als Reaktion auf eine Fe-Überladung ausgedrückt wird, wird es als Reaktion auf oxidativen Stress herunterreguliert. 110 Wie das mitochondriale Ferritin bei Menschen und Fruchtfliegen scheint 136, 137 FER4 eine wichtige Rolle in den mitochondrienreichen Fortpflanzungsorganen zu spielen FER4 Ausdruck war in den Blumen und im Blumenstiel am höchsten. Es wäre interessant, die Auswirkungen der Überexpression von FER4 in Pflanzen zu beobachten, da die Überexpression von mitochondrialem Ferritin in menschlichen Zellen mit dem Abbau von zytosolischem Fe zusammenhängt. 140, 141

Wie FER4 wird Frataxin in den Mitochondrien der Blüten exprimiert, 142 zusätzlich zum sich entwickelnden Embryo. 143 Im Gegensatz zu mitochondrialem Ferritin ist Frataxin nicht Fe-reguliert und sein Verlust ist embryo-letal. 143, 144 Frataxin ist für das Wachstum essentiell, da es Funktionen außerhalb der mitochondrialen Fe-Sequestrierung besitzt. Es wird angenommen, dass Frataxin nicht nur Fe bindet, sondern auch als Chaperon fungiert und die Fe-Abgabe an das Fe-S-Clustergerüst vermittelt. 145 Der Abbau von Frataxin bei Arabidopsis ist nicht tödlich, führt jedoch zu einer Erhöhung der ROS und einer Verringerung des vegetativen Wachstums und der Samenbildung. 144 Die Knockdown-Linie sammelt auch mehr Fe in der Wurzel und den Ausdruck von FER1 und FER4 erhöht wird, vermutlich um oxidativen Stress zu verhindern. 146 Interessanterweise sind in der Mutante mit Fe-S-Clustern verwandte Gene in den Mitochondrien hochreguliert, jedoch weisen die resultierenden Fe-S-haltigen Proteine ​​(wie Aconitase) eine verringerte Aktivität auf. 144 Dies weist darauf hin, dass Arabidopsis-Frataxin für funktionelle Fe-S-Cluster essentiell ist und dass selbst eine verminderte Expression von Frataxin schwerwiegende phänotypische Konsequenzen in Bezug auf die Sequestrierung der freien Fe- und Fe-S-Cluster-Anordnung hat.

In Arabidopsis sind die einzigen identifizierten mitochondrialen Fe-Transporter die ATMs - halbmolekulare ABC-Proteine, die Orthologen von ScATM1 sind. Es wird angenommen, dass sich ScATM1 an der mitochondrialen Innenmembran befindet und Fe-S-Cluster aus der Matrix ausströmt. 147 Die Geldautomaten von Arabidopsis wurden erstmals anhand des chlorotischen Zwergphänotyps der identifiziert atm3 Funktionsverlust Mutante (oder sta1). 148 Like Δatm1 Hefe, Mitochondrien dieser Pflanzen akkumulierten mehr Nicht-Häm, Nicht-Protein-Fe als Wildtyp, was zu erhöhtem oxidativem Stress führte. Bei der Expression in Hefe waren die Geldautomaten von Arabidopsis in den Mitochondrien lokalisiert, aber nur AtATM3 konnte den Pilz retten Δatm1 Hefe. 148, 149 Diese Ergebnisse legen nahe, dass ATM3, wenn nicht die anderen ATMs, eine ähnliche Funktion beim Export von Fe-S-Clustern aus den Arabidopsis-Mitochondrien erfüllen könnten.

ATM3 scheint auch eine Rolle bei der Entgiftung von Cd bei Arabidopsis zu spielen. 150 ATM3 ist in mit Cd oder Pb behandelten Wurzeln hochreguliert, und die atm3 Zwerge waren empfindlicher gegenüber Cd als Wildtyp, während die ATM3-Überexpression die Cd-Resistenz erhöhte. Da ATM3 eng mit der Spalthefe SpHMT1 verwandt ist, einem vakuolären Phytochelatin-Cd-Transporter, wurde vermutet, dass ATM3 zusätzlich zu seiner Rolle beim Transport von Fe-S-Clustern auch die Funktion hat, chelatisierte Cd-Komplexe aus den Mitochondrien zu exportieren. Pflanzen, die ATM3 überexprimieren, reichern auch mehr Cd in Wurzeln und Trieben an, die Konzentration von Fe und anderen Metallen wurde jedoch nicht angegeben. Es wäre sehr interessant zu untersuchen, wie sich der konstitutive Export von Fe-S-Clustern aus den Mitochondrien auf die Reaktion auf Fe-Mangel auswirkt. Die Zunahme von Spross-Cd legt nahe, dass die IRT1-Expression hochreguliert sein könnte.

5.3 VAKUOL

Wie bereits beschrieben, dient die Vakuole als wichtigster Fe-Speicher in Arabidopsis-Samen. Die Vakuole spielt auch in den Wurzeln und Sprossen eine Rolle und speichert und setzt Fe als Reaktion auf Änderungen des zytosolischen Fe-Spiegels frei. Interessanterweise wurde kürzlich gezeigt, dass die Verfügbarkeit von Phosphor die subzelluläre Lokalisierung von Fe in Arabidopsis-Blättern kontrolliert. 151 Unter Verwendung der X-Sondenmikroskopie zeigten Blattschnitte von Pflanzen, die unter Phosphor-Suffizienz gezüchtet wurden, Fe und Phosphat in Kügelchen in der Vakuole. Interessanterweise wurden diese vakuolären Fe-Globuli nur in den Zellen gesehen, die das Gefäßsystem umgeben, und nicht in anderen Gewebeschichten. Unter Phosphormangel verlagert sich jedoch die Lokalisation von Fe zum Chloroplasten und FER1 Die Expression nimmt zu, was darauf hindeutet, dass Ferritin nun Fe bindet.

5.3.1 NA und der VACUOLE

NA befindet sich in der Vakuole 74 und ist dort wahrscheinlich mit Fe chelatiert. Wenn Fe-NA-Komplexe tatsächlich in die Vakuole transportiert werden, sind YSL4 und YSL6 ​​Kandidaten, wie sie im Vakuolenproteom von Arabidopsis-Suspensionszellen gefunden wurden. 152 In den Trieben von Tomaten und Erbsen wurde NA hauptsächlich im Zytoplasma während des Fe-Mangels und der Fe-Suffizienz gefunden, es wurde jedoch gezeigt, dass sie sich während der Fe-Überladung im Zytoplasma und in der Vakuole konzentrieren. 74 Es wurde vorgeschlagen, dass NA als Fe (II) -Fänger fungiert und die Zelle vor oxidativem Stress schützt. 73, 74 Dieses überschüssige Fe-NA kann dann in der Vakuole gebunden werden.

Wenn NA in Tabak abgereichert ist, zeigte die Elektronenmikroskopie chlorotischer Blattschnitte das Auftreten elektronendichter Kügelchen in der Vakuole. 54 Obwohl diese nicht analysiert wurden, wurde festgestellt, dass ähnliche vakuoläre Globuli Fe und Phosphat enthielten. 151 Es lohnt sich daher zu spekulieren, ob der Abbau von NA die Fe-Sequestrierung innerhalb der Vakuole in Phytatkomplexe verschiebt.

5.3.2 VIT1, NRAMP3 und NRAMP4

AtNRAMP3 und AtNRAMP4 werden beide auf der Vakuolarmembran im Gefäßsystem der Wurzeln und Sprosse als Reaktion auf Fe-Mangel exprimiert. VIT1 lädt höchstwahrscheinlich Fe in die Vakuole 105 und wie NRAMP3 und NRAMP4 wird VIT1 im Gefäßsystem ausgedrückt. Daher kann die Rolle von VIT1 darin bestehen, die Vakuole mit Fe zu füllen, das dann während eines Fe-Mangels durch NRAMP3 und NRAMP4 in die Zellen des Gefäßsystems freigesetzt wird.

6. Schlussfolgerungen und zukünftige Richtungen

In den letzten Jahren wurden große Fortschritte bei der Untersuchung der Fe-Homöostase bei Arabidopsis erzielt, insbesondere bei der Klärung der Ferritinfunktion und bei der Identifizierung der Rolle der Vakuole bei der Speicherung und Mobilisierung von Fe während des Samenansatzes und der Keimung. Darüber hinaus hat sich die umfassende Charakterisierung der Transkriptionsänderungen in bestimmten Wurzelschichten von Arabidopsis in jüngster Zeit als unschätzbare Ressource erwiesen, die unser Verständnis der Antwort auf Fe-Mangel verbessert. In ähnlicher Weise hat die Hinterlegung von ICP-MS-Daten aus Tausenden von mutierten Arabidopsis-Linien in der PiiMS-Datenbank 68 die Identifizierung der Fe-Mangel-Signatur ermöglicht und wird wahrscheinlich in Zukunft zu unerwarteteren Entdeckungen führen. Einige der Entdeckungen bei Arabidopsis können auf alle Pflanzen verallgemeinert werden, aber wie Studien an Reis und anderen Gräsern gezeigt haben, gibt es auch artspezifische Aspekte des Fe-Metabolismus. Es muss auch beachtet werden, dass viele Aspekte der Fe-Homöostase und des Transports in Pflanzen unklar bleiben. Zuallererst wurde in Pflanzen kein Mechanismus des Fe-Sensings entdeckt. Darüber hinaus ist noch nicht bekannt, welche Chelate Fe bildet, wenn es in die Wurzelepidermis transportiert wird, und über den Transport in und aus den Mitochondrien und Chloroplasten ist nur sehr wenig bekannt. Aktuelle Forschungsergebnisse sollen diese Fragen beantworten.

Einmal in die Wurzelepidermiszellen transportiert, ist Fe mit ziemlicher Sicherheit chelatiert, obwohl unklar ist, durch was. Es ist auch unklar, welcher Transporter Fe in das Xylem lädt, aber sobald es in dem Xylem ist, ist bekannt, dass Fe durch Citrat gebunden ist. Citrat selbst wird über FRD3 in das Xylem transportiert. YSLs in Reis können Fe in das Phloem transportieren, wo es wahrscheinlich durch Nicotianamin (NA) gebunden ist. Es wurde vorgeschlagen, dass NA als Shuttle zwischen den YSL-Transportern und einem Eisentransportprotein (ITP) dienen kann. NA ist ein wesentlicher Teil der Fernbewegung zu den Samen, obwohl unklar ist, in welcher Form das Fe gehalten wird, sobald es in die Samen geladen ist. Das ysl1, ysl3, und opt3 Mutanten haben alle einen verringerten Fe-Gehalt im Samen, was darauf hindeutet, dass sie Fe in den Samen laden.

Fe wird von FPN2 und VIT1 in die Vakuole transportiert (obwohl sie in verschiedenen Geweben exprimiert werden). In der Vakuole ist bekannt, dass Fe mit Phytat und NA komplexiert ist. NRAMP3 und NRAMP4 transportieren Fe aus der Vakuole, insbesondere während des Fe-Mangels und der Keimung. In den Mitochondrien wird Fe durch Ferritin und Frataxin (FH) gebunden, wodurch der oxidative Stress am wahrscheinlichsten minimiert wird. FH spielt auch eine Rolle bei der Montage oder Reparatur von Fe-S-Clustern. Es wird angenommen, dass ATM3 Fe-S-Cluster aus der Matrix transportiert. Um in den Chloroplasten einzutreten, wird Fe (III) durch FRO7 reduziert und dann von einem Fe (II) -Transporter, möglicherweise dem in der inneren Membran lokalisierten PIC1, aufgenommen. Innerhalb des Chloroplasten ist Fe in Ferritin gebunden.

Danksagung

Wir danken den Mitgliedern des Guerinot-Labors für hilfreiche Diskussionen. Die Arbeit in unserem Labor wird durch Zuschüsse der National Science Foundation (IBN-0344305, IBN-0419695, DBI-0606193), der National Institutes of Health (RO1 GM 078536), des Department of Energy (DEFG-2-06ER15809) und unterstützt das Nationale Institut für Umweltgesundheitswissenschaften (5 P42 ES007373).

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Eisen wird als Mikronährstoff angesehen, da nur geringe Mengen erforderlich sind, um das normale Pflanzenwachstum zu unterstützen. Es spielt eine wichtige Rolle bei der Atmung, der Photosynthese und der Produktion gesunder grüner Blätter. Pflanzen können unter Eisenmangel leiden, mit Symptomen von Chlorose und Wachstumsstörungen, aber Pflanzen können auch zu viel Eisen aufnehmen, insbesondere unter bestimmten Wachstumsbedingungen.

Biografien

Mary Lou Guerinot ist Ronald und Deborah Harris Professorin für Naturwissenschaften am Dartmouth College. Sie erwarb ihren Bachelor in Biologie an der Cornell University und ihren Ph.D. in Biologie von der Dalhousie University. Nach Abschluss des Postdoktorats an der University of Maryland und am DOE-MSU Plant Research Laboratory wechselte sie 1985 als Assistenzprofessorin an das Department of Biological Sciences in Dartmouth. 1991 wurde sie zur außerordentlichen und ordentlichen Professorin befördert 1997. Von 1994 bis 1998 war sie Vorsitzende des Fachbereichs Biowissenschaften, von 1998 bis 2001 Prodekanin der Fakultät für Naturwissenschaften und von 2001 bis 2004 Vizeprovost Forschungsinteressen liegen im Bereich des Metalltransports und der Regulation der Genexpression durch Metalle. Insbesondere hat sie systematisch untersucht, wie Eisen vom "Boden zum Samen" gelangt, und viele Schlüsselgene identifiziert. Guerinot ist Mitglied der American Association for Advancement of Science und war Präsident der American Society of Plant Biologists, einer 5000-köpfigen Organisation, die sich der Weiterentwicklung der Pflanzenwissenschaften verschrieben hat. Sie war Mitglied des Beratungsausschusses für die Direktion Biowissenschaften bei NSF, Mitglied des wissenschaftlichen Beirats des Donald Danforth Plant Science Center und Mitglied des Verwaltungsrats von TAIR (The Arabidopsis Information Resource). Sie ist derzeit Associate Editor von Pflanzenzelle und Umwelt sowie ein Mitglied der Redaktion von Angewandte und Umweltmikrobiologie. Sie unterrichtet Mikrobiologie und Molekulargenetik und hat zahlreiche Studenten, Doktoranden und Postdocs betreut.

Joe Morrissey erhielt seine Grundausbildung an der University of Minnesota und forschte im Labor von John Ward. Er nahm 2004 am Dartmouth College am Biologie-PhD-Programm teil und trat dem Labor von Mary Lou Guerinot bei. Seine Abschlussarbeiten konzentrieren sich auf die Charakterisierung der Funktion der Ferroportin-Gene bei Arabidopsis und die Verwendung von ionomischen Screenings zur Identifizierung von Genen, die an der Metallhomöostase beteiligt sind.

Eisen und Pflanzen

Eisen ist hauptsächlich an der Photosynthese von Pflanzen beteiligt. Die Verfügbarkeit des Mikronährstoffs für Pflanzenwurzeln hängt vom pH-Wert des Bodens ab, wobei Eisen in Böden mit niedrigem pH-Wert leichter verfügbar ist. Eisen und Mangan spielen beide eine wichtige Rolle für das Pflanzenwachstum und die Pflanzenentwicklung, konkurrieren jedoch häufig um die Absorption, da ein Überfluss an einem dieser Mikronährstoffe den Pflanzenwurzeln den anderen weniger zur Verfügung stellt. Düngemittel sollten ein gleiches Verhältnis von Mangan und Eisen enthalten, damit beide für Pflanzen leicht verfügbar sind.

Eisentoxizität

Eisentoxizität ist nicht üblich, aber einige Pflanzen scheiden Säuren aus den Wurzeln aus, was den pH-Wert des Bodens senkt. Diese Pflanzen können zu viel Eisen aufnehmen, was zu Toxizität führt. Zu den Symptomen einer Eisenvergiftung zählen Bronzieren und Tupfen von Blättern. Die Blattverfärbung wird durch die Pflanze verursacht, die Enzyme erzeugt, um freie Radikale zu kontrollieren, die in hohen Eisenspiegeln vorhanden sind. Einige Pflanzen, die zur Eisenvergiftung neigen, sind Tomaten, Basilikum, Phlox und Impatiens.

Eisen und Mangan

Hohe Eisenwerte verursachen in einer Pflanze aufgrund des Wettbewerbsverhaltens der beiden Mikronährstoffe häufig erst einen Manganmangel. Manganmangel zeigt ähnliche Symptome wie Eisenmangel, wie etwa eine Gelbfärbung der Blätter, außer dass Manganmangel sowohl junges als auch altes Laub betrifft, während Eisenmangel nur junges Laub betrifft. Die Eisen- und Mangantoxizität weist ähnliche Symptome auch bei Pflanzen auf.

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