不同营养条件水生植物氮利用的分子机制研究-以穗花狐尾藻为例

As an important group of organisms, aquatic plants in the lake ecosystem play an important role in maintaining the function of aquatic ecosystems. The ability of nitrogen (N) uptake and utilization of aquatic plants can effectively alleviate the lakes N Load, promote the healthy functioning of lake ecosystems. Although more attention has been paid on morphology, physiology for N utilization of aquatic plants, little is know for their molecular mechanisms. The molecular mechanisms for N utilization currently based on terrestrial plants. The organs that use N are different between aquatic and terrestrial plants. And the epiphytic microorganisms attached to the surface might involve the N utilization of the aquatic plants. Thus, there may be a big difference between aquatic and terrestrial plants on N utilization. Our study exploit Myriophyllum spicatum as our materials and metagenomic and metatranscriptom as our methods to compare the metabolic regulation differences, find the N utilization related genes and metabolic pathways, the interaction of the N utilization between aquatic plants and epiphytic microorganisms. Base on these, systematically elucidate the molecular mechanisms of N utilization of aquatic plants and provide the technical support for high efficient N utilization of aquatic plants and eutrophication control of the lakes.

水生植物作为湖泊生态系统中重要的生物类群，在维持水体生态系统功能上具有重要作用，水生植物对氮（N）的吸收与利用可以有效缓解湖泊中的N负荷，促进湖泊生态系统的良性运转。尽管从形态学、生理学等角度对水生植物N利用的研究较多，但从分子机制开展的研究相对较少。目前N利用的分子机制主要基于陆生植物，而水生植物利用N的器官与陆生植物存在差异，并且其表面附着微生物可能参与植物的N利用过程，因此水生植物N利用的分子机制可能与陆生植物存在较大区别。本研究拟以穗花狐尾藻（Myriophyllum spicatum）为研究材料，以宏基因组和宏转录组为技术手段，比较不同营养条件下植物个体代谢调控的差异，发掘与N利用相关的基因和代谢通路，探讨附着微生物群落与水生植物在N吸收利用过程中的协同互作关系，并在此基础上系统地阐明水生植物N利用的分子调控机制，为提高水生植物N利用能力、开展水生植物治理富营养湖泊提供技术支撑。

水生植物作为湖泊生态系统中重要的生物类群，在维持水体生态系统功能上具有重要作用，目前N利用的分子机制主要基于陆生植物，而水生植物利用N的器官与陆生植物存在差异，并且其表面附着微生物可能参与植物的N利用过程，因此水生植物N利用的分子机制可能与陆生植物存在较大区别。通过项目的实施，在水生植物材料选择上，初步筛选了对高浓度铵氮具有耐受能力和高敏感性的沉水植物物种，为利用沉水植物修复高氮排放引起的水体污染提供了材料筛选依据；同时，第一次在酶学和蛋白质层面上，揭示了沉水植物在不同浓度铵氮水体中酶活性变化机制，发现了沉水植物铵氮耐受的关键酶；在转录组和基因层面，发现了水生植物与水体铵氮（NH4+-N）利用相关的基因家族与铵转运相关的铵转运蛋白基因家族AMTs、铵同化相关的GS、GOGAT、GDH基因家族以及与碳利用相关的CA基因、AST基因以及与草酰乙酸（OAA）关联的碳利用基因PEPC等。该结果为进一步研究相关基因功能提供了重要参考。在微生物与植物互作方面，阐明了植物不同组分表面附着微生物结构和功能的差异以及不同营养条件下的异同，比较了植物与微生物在氮利用上的异同，发现了共同表达的基因GS和GDH，为理解水生植物与其表面附着微生物的协同作用机理具有重要意义。