铁是植物生长发育所需的重要微量元素之一,其参与植物光合作用和呼吸作用的电子传递、叶绿素合成、根瘤形成与固氮等许多重要生理过程。杜梨(Pyrus betulefolia)因其根系发达、抗寒、抗旱、耐盐性强,在我国北方地区广泛分布,也是梨树栽培中的主要砧木类型,研究缺铁胁迫对杜梨生长发育的影响及杜梨的缺铁胁迫响应机制对解决生产上梨树铁营养缺乏问题有着十分重要的意义。本研究以杜梨幼苗为试验材料,采用营养液培养的方法,设置4个供铁水平:Fe0(0 μmol/L Fe)、Fe10(10 μmol/L Fe)、Fe40(40 μmol/L Fe)、Fe80(80 μmol/L Fe),研究杜梨光合指标、矿质元素含量的动态变化情况,发现:(1)随着供铁浓度的降低,地上部干物质积累量和根冠比显著下降。(2)叶片SPAD值、净光合速率、蒸腾速率、气孔导度和胞间二氧化碳浓度均受到供铁不足的影响而降低,同时叶片中光合产物山梨醇和蔗糖含量均随供铁水平的降低和处理时间的增加而下降,相应的总糖含量也显著降低。(3)供铁浓度的不同也影响杜梨对其他矿质元素的吸收和转运,叶片和根中P、K、Mg及根系的Mn含量随供铁的增加而增加,Ca、Zn、Cu含量则随之降低。通过研究正常供铁(40μmol/LFe)、缺铁处理(0μmol/LFe)和分根处理(1/2根供40 μmol/L Fe,1/2根供0 μmol/L Fe)下杜梨铁吸收及转运生理生化指标和相关基因表达变化,发现:(1)缺铁会促进杜梨根系侧根的发生和伸长,缺铁和分根两侧处理的总根长、根尖数显著高于正常供铁处理,根平均直径显著低于正常供铁处理,根表面积和根体积无显著差异。(2)根际pH均随处理时间有所上升,但缺铁和分根两侧处理的上升趋势均比正常供铁处理缓慢。(3)正常供铁处理的Fe3+还原酶活性不随时间的变化而变化,缺铁和分根两侧处理随时间酶活性先增强后又有所下降。(4)根系质外体pH在缺铁条件下略有下降,质外体铁含量从缺铁2d开始显著下降,4 d后下降趋势变缓。(5)缺铁处理的根中的苹果酸和柠檬酸含量持续显著升高,且根和叶中苹果酸和柠檬酸含量始终高于正常供铁处理。(6)缺铁条件下杜梨铁吸收和转运相关基因表达会显著升高。缺铁处理的杜梨根中IRT1、FRO2、H 7基因2 d即显著上调表达,表达量随处理时间呈先升高后降低的趋势;二价铁转运基因NRAMP1在缺铁处理中后期(6d)才显著上调表达,NRAMP3基因在根系和叶片中均有表达,二者表达量均呈现先升高后降低的趋势。在与铁螯合物转运相关的基因方面,FRD3仅在根系表达,表达量随缺铁时间持续增加;柠檬酸合成酶基因CS1和CS2在根系和叶片均表达,表达量在缺铁胁迫条件下在第6 d达到峰值;烟酰胺合成酶基因NAS1在叶片和根中均有表达,但NAS2仅在根系表达,且表达量在缺铁处理阶段始终较高。YSL3基因仅在叶片中检测到了表达,主要在缺铁处理的8 d显著表达上调。二价铁转运IRT1基因是植物缺铁时主要的二价铁转运载体,参与植物铁营养吸收过程。本研究采用RACE技术克隆了杜梨IRT1基因的cDNA全长序列,并通过生物信息学手段研究其序列特征,并通过RT-PCR和实时荧光定量PCR发现杜梨PbIRT1基因的表达受到缺铁胁迫的诱导,参与了根系对二价铁的吸收和转运过程。综上所述,缺铁会影响杜梨地上部的生长发育,但杜梨在缺铁胁迫下也会通过基因表达的变化来调控生理上的应激反应来适应缺铁环境,因此,本研究为从生理和分子水平上揭示杜梨在缺铁逆境下的机理机制提供了理论依据。