水生植物浮萍具有生長速度快（2天生物量增加一倍），生物量大（每公頃年產(chǎn)干重可達(dá)50噸）的特點，而且能夠高效利用廢水中的氮、磷轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)。特別是浮萍的品質(zhì)優(yōu)良，不僅木質(zhì)素、纖維素含量低，而且淀粉含量高。這些優(yōu)良品質(zhì)和能將環(huán)境治理與生物質(zhì)生產(chǎn)結(jié)合的特點使得浮萍已成為為研究開發(fā)的熱點。
中國科學(xué)院成都生物研究所趙海研究團(tuán)隊在多年工作的基礎(chǔ)上，成功實現(xiàn)了7天內(nèi)浮萍淀粉含量可由2.98%迅速積累到45.36%，并在中試實驗中批量生產(chǎn)獲得了淀粉含量達(dá)43%的浮萍材料。為了進(jìn)一步提高淀粉的產(chǎn)量并有利于大規(guī)模生產(chǎn)上的操作實施，該團(tuán)隊通過系統(tǒng)篩選植物生長調(diào)節(jié)劑來提高淀粉的產(chǎn)量。不僅篩選出高效的促淀粉生產(chǎn)的植物調(diào)節(jié)劑烯效唑，而且對烯效唑與內(nèi)源激素的相互關(guān)系及其對光合作用、淀粉合成、淀粉降解的機(jī)制進(jìn)行了深入的研究，目前已取得突破性進(jìn)展。
1、從21種植物生長調(diào)節(jié)劑中篩選出在富營養(yǎng)條件下對浮萍生長和淀粉積累均有促進(jìn)作用的烯效唑，同時發(fā)現(xiàn)在噴灑烯效唑后浮萍相關(guān)內(nèi)源激素水平及葉綠素含量發(fā)生變化，并結(jié)合二代測序技術(shù)進(jìn)行內(nèi)源激素和葉綠素代謝相關(guān)的轉(zhuǎn)錄組分析。結(jié)果顯示：在均勻噴灑烯效唑后，浮萍最終的干重相比對照增加了10%，總的淀粉量是對照的3.4倍，同時內(nèi)源CK和ABA含量上升，GA含量下降，另外葉綠素含量和凈光合速率均較對照有所增加。轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析揭示：烯效唑通過調(diào)節(jié)內(nèi)源激素和葉綠素生物代謝中的關(guān)鍵酶而改變內(nèi)源激素水平，并增加葉綠素含量和凈光合速率，最終導(dǎo)致生物量和淀粉積累的增加。這項工作對浮萍經(jīng)烯效唑處理后的轉(zhuǎn)錄組情況進(jìn)行了較詳盡的描述，揭示了烯效唑促進(jìn)浮萍生長的相關(guān)機(jī)制，同時為今后植物激素應(yīng)用于浮萍后淀粉代謝調(diào)控的分子生物學(xué)研究提供了有價值的信息。
2、結(jié)合二代測序技術(shù)對內(nèi)源激素和淀粉積累之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)內(nèi)源激素通過對淀粉代謝途徑相關(guān)基因的表達(dá)進(jìn)行調(diào)控，最終導(dǎo)致淀粉的積累。結(jié)果顯示，噴施烯效唑后，浮萍的淀粉含量由最初的3.2%提高到45%(干重)。噴施
烯效唑引起的內(nèi)源激素的變化主要是通過以下途徑對淀粉的積累發(fā)生作用：脫落酸(ABA)含量的增加促進(jìn)淀粉合成限速酶AGPase基因大量表達(dá)，從而促進(jìn)淀粉的積累；玉米素核苷(ZR)通過抑制葉綠素的降解來提高葉綠素含量，進(jìn)而提高光合作用及其產(chǎn)物的積累；低含量的赤霉素(GA)抑制淀粉降解關(guān)鍵酶α-淀粉酶的活性。最終在三者的協(xié)同調(diào)控下實現(xiàn)了淀粉的快速積累?？傮w而言，即通過增加光合效率增加了碳的來源，同時結(jié)合淀粉合成的增加與淀粉降解的較少，最終實現(xiàn)了淀粉的快速積累。
圖1 轉(zhuǎn)錄組水平CK、ABA及GA代謝相關(guān)轉(zhuǎn)錄組的表達(dá)模式
圖2 轉(zhuǎn)錄組水平ABA、CK及GA與淀粉代謝信號通路圖
3、運用了 iTRAQ 蛋白組分析技術(shù)對經(jīng)烯效唑處理的浮萍蛋白表達(dá)水平進(jìn)行了研究，表明蛋白組的表達(dá)情況和淀粉變化、酶活數(shù)據(jù)及前期轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)具有很好的一致性。對總蛋白進(jìn)行識別、差異蛋白GO功能注釋和pathway富集分析后，進(jìn)一步對蛋白組表達(dá)與轉(zhuǎn)錄進(jìn)行關(guān)聯(lián)性分析。結(jié)合生理生化分析，包括激素含量和淀粉量測定，進(jìn)而對內(nèi)源性激素合成通路和淀粉代謝中相關(guān)酶的表達(dá)量進(jìn)行分析，結(jié)果表明： ①基于轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)建立蛋白質(zhì)搜索庫增加了蛋白質(zhì)識別，總共鑒定到了3327個蛋白；②激素含量測定發(fā)現(xiàn)，脫落酸（ABA）和和玉米素 -核糖核苷（ZR）的含量升高，而赤霉素（GA）的含量降低。該項研究從組分表征、酶學(xué)分析、轉(zhuǎn)錄組和蛋白組4個水平對烯效唑處理下浮萍高淀粉積累的分子機(jī)制進(jìn)行里系統(tǒng)地解析，并從不同的角度和水平獲得了相互印證的結(jié)論，這一工作對不僅對浮萍淀粉積累機(jī)制的研究具有重要價值，而且對非模式植物的代謝通路的深入的研究具有借鑒意義。
圖3 蛋白組水平CK、ABA及GA合成相關(guān)的蛋白組表達(dá)分析
以上前兩項研究成果以博士研究生劉洋、助理研究員方揚為共同第一作者，并以系列文章的形式連續(xù)發(fā)表在國際著名刊物Biotechnology for Biofuels上：Uniconazole-induced starch accumulation in the bioenergy crop duckweed (Landoltia punctata) I: transcriptome analysis of the effects of uniconazole on chlorophyll and endogenous hormone biosynthesis. Biotechnology for Biofuels.2015 (8):57；Uniconazole-induced starch accumulation in the bioenergy crop duckweed (Landoltia punctata) II: transcriptome alterations of pathways involved in carbohydrate metabolism and endogenous hormones crosstalk. Biotechnology for Biofuels.2015 (8):64。蛋白質(zhì)組研究成果以博士研究生黃孟軍、助理研究員方揚為共同第一作者，發(fā)表在另一國際著名刊物BMC Biotechnology上：Using proteomic analysis to investigate uniconazole-induced phytohormone variation and starch accumulation in duckweed (Landoltia punctata). BMC Biotechnology (2015) 15:81。