铁是植物生长发育所必需的微量元素。植物在长期进化过程中形成了一套铁吸收及转运的调控机制,以应对环境中可能出现的铁缺乏或铁中毒逆境。对于这套机制的研究及认识,可以为培育铁富集农作物品种提供新的思路。植物可根据铁吸收和调控机理被分为机理Ⅰ和机理Ⅱ两大类。机理Ⅰ植物包括双子叶植物和非禾本科单子叶植物,它们通过铁还原酶(FRO)将土壤中的Fe(Ⅲ)还原为Fe(Ⅱ),而后通过Fe(Ⅱ)转运体吸收铁。机理Ⅱ植物包括大部分的禾本科植物,它们通过根系向土壤分泌铁载体(PS),直接螯合土壤中的Fe(Ⅲ)后对其进行吸收。水稻是一种非典型的机制Ⅱ植物,在长期淹水的栽培条件下,水稻不仅能通过分泌铁载体直接螯合吸收Fe(Ⅲ),同时也具有Fe(Ⅱ)的转运体,可直接吸收淹水土壤中大量存在的Fe(Ⅱ)。因此,水稻又被认为是一种混合机制植物。乙烯作为调控植物生长发育和应对逆境的重要激素,参与调控机理Ⅰ植物及水稻的缺铁响应过程。本研究以机理Ⅰ模式植物拟南芥和混合机理植物水稻为材料,分析缺铁引起的乙烯合成量变化,乙烯合成限速酶基因ACS表达变化,及丝裂原蛋白激酶MPK3/6对该过程的调控。研究发现,缺铁条件下,植物乙烯合成水平的提高是一个快速且持续时间较短的生理反应过程。水稻和拟南芥在缺铁条件下多个ACS基因在根和叶中的的表达水平会受到显著诱导。其中水稻中仅有OsACS2在根和叶中的表达水平受到诱导,而拟南芥的AtACS2,AtACS6, AtACS7和AtACS11在根和叶中均有诱导表达,AtACS8仅在叶中受到诱导,AtACS9则仅在根中受到诱导。水稻中OsACS2基因功能的缺失会引起正常生长过程中植株乙烯合成水平的降低,而并不影响缺铁条件下植株诱导乙烯合成。与之不同的是,拟南芥中同源基因AtACS2功能的缺失会造成植株缺铁诱导乙烯合成水平的下降。两者共同之处在于他们的缺失都会造成植物中铁相关基因表达量的下调。研究还进一步对MPK3/6激酶在拟南芥缺铁诱导乙烯合成过程中的调控机制进行了探讨。结果表明,MPK3/6在转录以及蛋白活性上均可受缺铁诱导。MPK3/6通过调节AtACS2的转录水平而对乙烯合成过程产生影响。MPK3和MPK6基因的缺失会造成植株乙烯合成量的下降,同时导致其缺铁响应基因诱导水平的下调以及植株根部铁还原酶活性的降低。研究通过对mpk3和mpk6突变体的铁含量检测,发现导致其相较野生型缺铁表型更为严重的原因是可溶性铁的下降。铁还原酶(FRO)在机理Ⅰ植物的不同器官以及细胞内部参与铁吸收及转运过程。水稻中也存在编码该类蛋白的基因,但其功能并未得到阐述。本研究克隆得到了水稻中的铁还原酶OsFR01的基因并对其功能做了初步研究。亚细胞定位显示OsFRO1蛋白定位于细胞内部的液泡膜上。同时OSFRO1的组织表达模式显示其主要功能可能在水稻的地上部分。OsFRO1启动子接GUS转基因植株中的研究与定量PCR结果表明,OsFRO1在高铁处理条件下叶片中的表达受到强烈抑制。通过对OSFRO1超表达及干涉植株进行的表型研究发现,超表达植株在高铁条件下表现出超敏反应而干涉植株表现出一定的耐铁毒表型,但地上部分铁含量的检测结果显示野生型与转基因株系间无显著差异。综上所述,本研究对植物缺铁诱导乙烯合成过程的分子机理进行研究,揭示了限速酶ACS在其中的重要作用,并提出MPK3/6通过对AtACS2转录水平的调控而参与该过程。另外,OsFRO1的初步研究表明,其可能参与维持铁在液泡与细胞质之间的动态平衡。