浮萍是世界上生長最快的高等植物，對營養(yǎng)的需求較低，甚至可以在自來水或純凈水中生長。由于其高生物質(zhì)產(chǎn)量、高淀粉含量、高效吸收水體氮磷生長等特性，近年來作為一種在生物質(zhì)能源開發(fā)、環(huán)境污染生物治理等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景的新型生物資源，備受學(xué)界關(guān)注。
中國科學(xué)院成都生物研究所趙海研究團(tuán)隊(duì)的研究結(jié)果表明：在無氮條件下培養(yǎng)浮萍，其生長不僅不會受到抑制，而且10天內(nèi)淀粉含量可達(dá)生物質(zhì)干重的52.37%，中試規(guī)模的批量生產(chǎn)結(jié)果也可達(dá)到46.98%。據(jù)此估算，無氮條件下浮萍年產(chǎn)淀粉可達(dá)14噸/公頃，是玉米的1.8~3.6倍。同時(shí)，浮萍的NUE達(dá)到61.3 ± 1.8 kg/kg N，遠(yuǎn)高于普通作物（9~50 kg/kg N）。因此，浮萍的無氮栽培可以真正實(shí)現(xiàn)高效、環(huán)保型的淀粉類生物質(zhì)生產(chǎn)，對于可持續(xù)農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有重要的意義。
為了揭示無氮條件下浮萍快速生長、快速積累淀粉及高效氮利用的機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)對無氮條件下浮萍碳和氮代謝進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究，取得了如下突破性進(jìn)展：（1）無氮條件下浮萍的光合作用沒有受到明顯影響，光合作用關(guān)鍵酶如Rubisco、PEPC等的酶活沒有受到抑制，因此確保了浮萍中碳的有效積累；而淀粉合成的關(guān)鍵酶AGPase、SSS和GBSS的酶活顯著上升，碳大量流向了淀粉合成通路，實(shí)現(xiàn)淀粉快速積累；在轉(zhuǎn)錄水平上，也證明了相關(guān)酶的表達(dá)量變化與酶活的變化趨勢高度一致。（2）無氮條件下浮萍中氨基酸合成最關(guān)鍵的谷氨酰胺合成酶的表達(dá)量和酶活均顯著升高，該變化與小麥、玉米、擬南芥中谷氨酰胺合成酶在缺氮條件下顯著降低的變化趨勢完全相反。谷氨酰胺合成酶的主要功能就是氮的同化和重分配，其很大程度上直接決定植物NUE的高低，因此該發(fā)現(xiàn)可能是引起浮萍NUE升高的關(guān)鍵因素；同時(shí)，培養(yǎng)過程浮萍僅靠內(nèi)源氮維持生長和代謝，其氮源只能依靠內(nèi)源蛋白的降解，故浮萍中與蛋白降解相關(guān)的泛素化和自噬系統(tǒng)的酶，絕大部分呈上調(diào)表達(dá)；因此，在缺乏外源氮供給下，浮萍能快速啟動(dòng)內(nèi)源蛋白質(zhì)降解，實(shí)現(xiàn)內(nèi)源氮的激活和重分配，從而保證最高效地利用內(nèi)源氮以繼續(xù)維持其快速生長。
以上研究成果以郭鈴博士后為第一作者、靳艷玲副研究員為共同一作、方揚(yáng)副研究員和趙海研究員作為共同通訊作者，發(fā)表在國際清潔生產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展領(lǐng)域的頂級期刊《Journal of cleaner production》（IF＝6.359）上。
該研究得到國家自然科學(xué)基金(31770395)、中國科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目(ZDRW-ZS-2017-2-1)、四川省科學(xué)技術(shù)計(jì)劃項(xiàng)目(2017NZ0018和2017HH0077)、中國科學(xué)院“西部之光”計(jì)劃(2017XBZG_XBQNXZ_B_012和2018XBZG_XBQNXZ_B_007)等項(xiàng)目的資助。
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2019.119726
圖1 浮萍無氮培養(yǎng)及高效氮利用機(jī)制示意圖
圖2 在無氮條件下，浮萍碳同化，碳濃縮和淀粉代謝相關(guān)的途徑的表達(dá)模式
圖3 在無氮條件下，浮萍中氮同化，遷移和再循環(huán)利用相關(guān)的基因的表達(dá)