養(yǎng)殖廢水中高濃度銨的去除是治理農(nóng)業(yè)面源污染的熱點和難點問題。利用綠狐尾藻構(gòu)建的人工濕地，在控制農(nóng)業(yè)面源污染特別是高銨污染廢水具有顯著效果。但綠狐尾藻耐高銨的分子生理機制仍不清楚。
中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所吳金水研究員團隊以耐高銨的濕地植物綠狐尾藻為研究對象，借助二代轉(zhuǎn)錄組和三代轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)，比較研究了綠狐尾藻在不同銨濃度處理下相應(yīng)基因的表達(dá)差異及其生理響應(yīng)。研究結(jié)果表明：在高銨條件下，綠狐尾藻下調(diào)了根系中銨轉(zhuǎn)運蛋白(AMTs)基因的表達(dá)，避免了過多銨的吸收；另一方面，通過增加銨同化基因的表達(dá)，比如：谷氨酰胺合成酶(GS)，谷氨酸合成酶(GOGAT)，谷氨酸脫氫酶(GDH)和天冬酰胺合成酶(AS)基因，增強了銨在體內(nèi)的同化，及時將銨轉(zhuǎn)化成氨基酸，降低了過多的銨對細(xì)胞造成的毒害（圖一）；此外，上調(diào)表達(dá)的過氧化氫酶(CAT)基因有助于清除體內(nèi)由于過量銨誘導(dǎo)產(chǎn)生的活性氧，葉綠素a/b結(jié)合蛋白（LHC）基因的上調(diào)表達(dá)提高了綠狐尾藻葉片捕獲光，并將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的能力，為銨同化提供了充足的碳源（圖二）。此研究不僅提供了綠狐尾藻高效治理高銨養(yǎng)殖廢水的理論依據(jù)，同時也對高氮背景下提高作物氮素利用率具有重要的指導(dǎo)價值。
在吳金水研究員和李寶珍副研究員指導(dǎo)下，該研究結(jié)果以Transcriptomic and physiological analysis revealed the ammonium tolerance mechanisms of Myriophyllum aquaticum為題發(fā)表在Environmental and Experimental Botany。該研究得到國家自然科學(xué)基金面上項目、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性重點研究項目、中國科學(xué)院前沿科學(xué)重點研究項目和湖南省水利科技攻關(guān)項目資助。
圖一 不同銨條件下（N1:0.2 mM; N2:10 mM; N3:70 mM）氮代謝路徑中差異表達(dá)基因熱圖和關(guān)鍵同化產(chǎn)物含量
圖二 綠狐尾藻耐高銨機制模式圖