硫对稻米铁累积及稻米源铁生物有效性的影响机理

Cereal foods provide over 50% of iron intake for human, among which only 2-15% of iron intake become bio-available for human. Therefore, the increase of accumulation and bioavailability of iron in edible parts of cereal foods is of great importance. .A series of cultivation experiments (soil-sand rhizosphere box culture, soil culture and hydro culture), combined with techniques such as mirco-electrode, HPLC, ICP-MS, in vitro digestion/Caco-2 cell models etc., will be used to investigate the influece of sulfur supply on accumulation of iron in rice planted in two typical soils (calcareous/noncalcareous soils) under two water management models (water logged/ dry-wet alternate); to observe the formation of organic sulfur compounds (mugineic acid family phytosiderophores, nicotianamine and their precursors cysteine, methionine, SAM etc.) related to uptake of iron by root and/or transportation of iron via xylem and pholem, GSH related to bioavailability of iron in brown rice; and to ascertain the accumulation of iron in brown rice, bioavailability of iron in brown rice associated with organic sulfur compounds in rice as affected by oxidation/reduction of sulfur and iron at the rhizosphere, Eh etc. The key processes (migration from rhizosphere to surface of root, root uptake, transportation from root, stem/leaf to brown rice,gastrointestinal absorption of iron) which control the accumulation of iron in brown rice, and iron bioavailability will be determined. The results could be used to develop the integrated measures to increase accumulation of iron in brown rice, and to improve bioavailability of iron in brown rice and iron nutrition for human.

人体摄入的铁超过50%源于谷类，其中仅有2-15%的铁能被人体吸收利用。谷物可食部铁含量的增加或铁生物有效性的提高能改善人体铁营养。.本研究通过系列培养试验（土-砂根际盒、土壤培养、水培等），结合微电极、HPLC、MS、体外消化/Caco-2细胞模型等技术，研究石灰性和非石灰性土壤在淹水和干湿交替水分管理下，硫在水稻根际土壤和根表中富集及氧化还原对根际土壤和根表胶膜中铁形态转化的影响，探明硫对水稻根吸收铁之间剂量效应关系；研究硫供应与植株体麦根酸、尼克酰胺及其前体半胱氨酸、甲硫氨酸等之间的关系，并阐明其对铁由根向地上部经木质部、韧皮部运输及铁在稻米中累积的影响机理；探明硫对稻米源铁有效性的影响程度及与源铁密切相关化合物（半胱氨酸等）间定量关系。揭示硫对稻米铁累积及生物有效性的影响关键过程（吸收、运输、累积、胃肠吸收）及影响因素。结果为制定提高稻米源铁含量和生物有效性的措施提供依据。

本研究旨在探讨通过土壤外源硫的加入，增加稻米可食部分铁含量和铁生物有效性的方法和分析可能的机理，为解决世界范围普遍存在的人体缺铁“隐性饥饿”问题提供一种新的可能。从硫素在“土壤-作物-人体”中的化学行为和同化过程着手，揭示其对稻米铁累积及其生物有效性的影响关键过程（吸收，运输，累积，胃肠吸收）及影响因素。设置了三项研究内容：. 一、通过水稻幼苗期铁含量和根表铁膜的生成情况，研究外源硫对水稻铁的吸收和根部富集的影响。结果表明：（1）施硫提高了幼苗根、茎叶中铁含量。（2）胶膜形态与根部位和施硫情况有关，硫影响胶膜结构和氧化还原情况，导致根不同部位的泌氧能力不同，铁含量依次为：根上部 > 根中部 > 根尖。. 二、采用土-砂培养实验，设置四个硫水平（0, 30, 60, 120 mg S kg-1），探讨施硫在不同生长阶段对土壤铁含量、水稻根表胶膜的形成、水稻吸收铁和在根、茎叶、籽实中的再分配情况的影响。结果表明：（1）土壤溶液中的铁含量随施硫的上升（从0到120 mg S kg-1）而增多，随采样时间的增加而减少。说明适量硫能够促进土壤中的铁溶解到土壤溶液中，供给水稻吸收；随着水稻的生长，铁逐步转移到水稻体内，土壤溶液中铁含量下降。（2）在水稻的成熟期，施硫会引起根表铁膜的减少。这是因为：成熟期硫会诱导根表铁膜的分解、抑制根表铁膜的形成；土壤中硫引起的FeS沉淀会减少Fe2+从土壤中转移至根表，降低了Fe3+的浓度，从而减少了铁膜形成。（3）水稻根部铁含量随施硫水平升高而降低，而茎叶和籽实中铁含量随施硫水平先升高后降低，说明适量施硫促进水稻体内铁从根部向地上部的运移。 . 三、采用PBET人工模拟胃肠液法，评价施硫对稻米中铁生物有效性的影响。结果显示：（1）在模拟消化阶段，含硫物质半胱氨酸的增加有助于提高大米中铁的生物有效性。（2）铁生物有效性随施硫水平先升高后降低，说明适量施硫确实能促进铁在籽粒中的生物有效性；而过量的硫反而抑制籽粒中铁的生物有效性。 . 总之，通过向土壤添加外源硫以促进水稻籽粒中铁的生物有效性被证明是可能的。外源硫通过影响铁从土壤富集到根际，再转移到茎叶和籽粒中的全过程，影响籽粒中的有效铁的含量和比例。控制好土壤中外源硫的施入，掌握好剂量，能够促进水稻可食用部分中铁的生物有效性。