土壤—水稻体系中铁同位素分馏特征与机制

发布时间：2020-09-23 11:05

　　 铁是地球上丰度第四的元素,其地球化学行为作为土壤元素循环的重要组成部分而具有重大意义。铁也是植物正常生命活动过程中的必须微量元素之一,参与众多生物代谢过程,比如生物体内光合作用、呼吸作用、氮素同化和固定以及激素合成等。铁同位素方法已被广泛地用来追踪铁的生物地球化学过程,如异化铁还原、亚铁的生物和非生物氧化以及吸附、沉淀等过程。同时铁在植物中的运移过程中的铁同位素分馏效应的研究表明,植物吸收铁的机制不同,产生的铁同位素分馏程度呈现出显著的差异。当植物以机理I的方式吸收铁元素时,即通过将三价铁还原为二价铁再吸收铁时,植物优先吸收轻的铁同位素,且铁同位素在植物内部的分馏程度较大(-0.13‰~-1.64‰)。当植物通过机理II的方式,即通过螯合三价铁,再吸收至植物体内的过程,植物优先吸收重的铁同位素,且铁同位素的分馏程度较小(-0.11‰~0.17‰)。因此铁同位素方法在揭示水稻对铁元素的吸收机制方面具有重要应用潜力。本研究以拔节期和成熟期的水稻土、孔隙水、水稻植株为对象,分析了土壤-水稻体系的铁同位素分馏特征和机制,为理解铁在土壤-水稻体系中的转运机制提供了参考意义。本研究的主要结论如下:1孔隙水相对于土壤富集轻的铁同位素(Δ~(56)Fe_(water-bulk soil)=-0.29±0.01‰),这是由于孔隙水中的铁主要来自于土壤中铁的溶解过程,无论是配位溶解还是还原溶解过程均会优先释放轻的铁同位素。铁膜与孔隙水之间的铁同位素分馏值(Δ~(56)Fe_(iron plaque-water)=1.47±0.02‰)与亚铁氧化生成水铁矿过程中的铁同位素分馏值(1.5‰)在误差范围内一致,表明铁膜是由孔隙水中的亚铁氧化沉降形成的。水稻从孔隙水中优先吸收重的铁同位素(Δ~(56)Fe_(rice plant-water)=0.66±0.05‰),表明水稻主要以机理II的方式吸收铁。但是不同于典型机理II植物,水稻内部铁同位素分馏程度达到-1.39±0.05‰,表明铁的形态在水稻内部会发生转变。例如,铁从根皮层进入根中柱会发生-0.72±0.05‰的分馏(Δ~(56)Fe _(after uptake-cortex)),这可能是由于三价铁的还原过程所导致的分馏。茎部相对于根部富集-1.39±0.05‰的轻铁同位素,是由于与铁络合的配体由植物铁载体(PS)和尼克酰胺(NA)转变为柠檬酸(citrate)。叶相对于茎富集0.58±0.07‰的重铁同位素,是由于铁从茎进入到叶肉细胞之后,会与铁运输蛋白(ITP)结合形成Fe-ITP复合物储存在叶绿体中。随着叶片高度增加,铁同位素组成变轻,铁同位素组成逐渐变轻,铁在叶至籽粒的组织的运移过程中,铁同位素组成符合瑞利分馏模型的特征,富集系数(ε)为-0.33±0.17‰。2拔节期和成熟期土壤-水稻体系的铁同位素组成在误差范围内(0.05‰)没有明显差异。随着水稻的生长,成熟期的铁积累量均显著高于拔节期,但水稻的铁同位素组成仍无显著差别,δ~(56)Fe分别为0.48±0.09‰和0.52±0.05‰,表明土壤-水稻体系的分馏更接近平衡分馏,铁在水稻内的存在形态影响各器官间的同位素分馏,而铁运输过程对铁同位素组成的影响很小。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院广州地球化学研究所)
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：S153.6;S511
【部分图文】：

第 1 章 绪论s，水稻根细胞内形成的 DMA 被转运输出蛋白运输到细胞外螯合 Fe(Ⅲ)，OM1(Nozoye 等，2011)和 OsTOM2(Nozoye 等，2015)是两个已被鉴定的铁载出蛋白。根细胞外形成的 Fe(Ⅲ)-PS 螯合物通过 YSL(yellow-stripe1-like)家族进入植物根表皮细胞，水稻根中已鉴定出的运输 Fe(Ⅲ)-PS 螯合物的 YSL 家白有 OsYSL15(Lee 等，2009a)和 OsYSL16(Kakei 等，2012)等蛋白。水稻分S 的活性在一天中波动很大，Ueno 等(2009)对多年生草本植物的研究发现分泌主要受温度控制，一般中午的分泌量最多，且水稻分泌 PS 的能力弱于，燕麦等禾本科植物，这可能是水稻在石灰土壤中易缺铁的原因之一(石灰的高 pH 值会降低铁活性)。

第 1 章 绪论族的 IRT1 蛋白对籽粒铁积累发挥重要作用，表示铁也以近的研究显示，OsFRDL1 基因也与籽粒铁的运输有关。个节，穗以及旗叶中表达水平高。OsFDL1主要位于节的伴酸将质外体中的铁运输至花粉，种子等水稻生殖器官中(Y铁蛋白(ITP)是一类可以高效储存铁的植物蛋白，一个 ITP水稻籽粒中 ITP 含量很低，只有 0.04μg/g，这成为水稻籽粒一。超表达 ITP 合成基因 Osfer2 可以将水稻籽粒中的 IT含量分别提高 2.09 和 1.37 倍(Paul 等，2012)。

定同位素的动力学分馏(a)和平衡分馏(b)机制示意图(Wiederhoinetic Fractionation (a) and Equilibrium Fractionation (b) of S(Wiederhold, 2015)位素方法的应用需要依托精准的测定方法。铁同位素值定得到的，最初是采用热电离质谱仪法(Thermal io，TIMS)，此方法的外部测量精度只有 0.6‰，这一测分馏效应小的体系中的应用。目前，铁同位素值得测定 子 体 质 谱 仪 法 (Multi-collector inductively coupled ， MC-ICP-MS) ， 其 测 量 精 度 已 经 由 最 初 的 0.1r 等，2000; Dauphas 等，2009; He 等，2015)。测量精稳定同位素方法在天体化学、地球化学、表生环境等领以多价态、多形态存在的元素，可以广泛参与各个生物

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本文编号：2825246