荷花耐水淹响应机理研究及耐铜胁迫分子研究取得成效

　　近日，第四届全国水生植物学术研讨会在线上举办，大会由杭州市科学技术协会、中国园艺学会水生花卉分会、杭州市水生植物学会主办。
　　会议中，荷花耐水淹响应机理研究和荷花耐铜胁迫的分子机制研究引起了与会者的特别关注。这两项研究成果分别由中国科学院武汉植物园莲种质资源与遗传育种研究团队、河南农业大学荷花资源收集与利用研究团队分享。
　　荷花具有重要的食用、药用和观赏价值，同时可以净化底泥及水体环境、改善水质，具有巨大的生态效益，亚洲各国广泛栽培。目前，我国荷花产业形成了鄂、苏、赣、鲁、皖、浙、粤七大藕莲集中省区，湘、鄂、赣、闽、浙五大子莲集中省区和武汉、杭州、北京、南京、济南、合肥等十二大花莲集中地区的产业格局，市场规模惊人。
　　但受全球气候变化影响及工农业废水的无节制排放，荷花生长环境堪忧，耐水淹响应机理研究和耐铜胁迫的分子机制研究，为荷花应对生存环境变化提供了更为宽广的思路。

荷花淹水多久会死？

　　通常，当植物的地下根系被淹（水涝），或者地上部分器官、整体处于水下（水淹）时，会给植物带来伤害，有时甚至是致命性危害。那么生长在水中的荷花也怕水淹吗？
　　“为了应对水生环境，荷花适应性地进化出了具有超疏水特性的‘荷叶效应’，并拥有遍布周身的联通气孔，只有完全水淹才会对其生长造成危害。”中国科学院武汉植物园莲种质资源与遗传育种研究团队高级工程师杨东说。
　　据杨东介绍，在我国，荷花通常种植于河流、湖泊和低洼地带。近年来，受全球气候变化影响，持续性强降雨频发，荷花常遭受完全水淹的灾害，给生产带来巨大损失，为加快荷花耐水淹品种的分子育种进程，研究团队开展了荷花应对完全水淹的响应机理研究。
　　该实验选取了‘中国古代莲’和‘秋星’两个荷花品种，在2米深的混凝土池，将荷花连盆一起沉入池底，叶片以上最少保持30厘米水位。经过5天完全水淹，叶片开始黄化、变软、脱落，叶柄开始融烂；经过10天完全水淹，所有叶片脱落。
　　实验表明，荷花在完全水淹早期（0至24小时），主要采用的是“逃逸策略”，通过叶柄的快速伸长，把荷叶送出水面，得以呼吸换气。水淹条件下，植物处于缺氧状态，主要采用低效的厌氧呼吸给植物提供能量。叶片快速伸长，需要消耗大量能量，如果短时间内叶片不能伸出水面，当能量耗尽，植物会很快死亡。
　　全水淹后期，荷花主要采用的是“静止策略”。水淹条件下，荷花的通气孔密度显著增加，同时过氧化物酶水平和抗病基因显著提升，能有效提高应对完全水淹的生存能力，通过限制厌氧呼吸强度，降低能量消耗，延长植物的“憋气时间”，等待水位退去。
　　该研究首次发现，荷花作为一种水生植物，对完全水淹胁迫的耐受性其实很低，致死时间只有10天左右，大大低于其他水生植物40天至100天的水淹致死时间。
　　此外，研究还发现在完全水淹胁迫下，荷花的抗病和抗氧化基因的表达水平显著提升，植物激素Ethylene、ABA、GA和JA等都不同程度地参与了水淹胁迫响应。

当生长必需的“铜”变成荷花的“毒药”时，怎么办？

　　国外知名科学家A.L.SOMMER于1931年首次研究表明，铜是植物生长所必需的微量元素，适量的铜是维持植物正常生长发育不可或缺的。但是过量的铜会诱导植物氧化应激从而对植株形成毒性，使植株叶面积减少、光合能力降低、酶活性变化，同时阻碍植株根的伸长以及生物量的积累。
　　在城市化发展进程越来越快的当今社会，污染问题早已成为亟待解决的重大问题，尤其是大量工业废水、生活污水的排放，急剧降低了水资源的质量。在素有“有色金属之乡”称号的江西，铜的储存量约占全国储存总量的17.9%，由于鄱阳湖流域附近多年来的铜矿开采、冶炼加工及工业废水的超标排放，水体受到了不同程度的重金属污染，其中以铜的污染程度最为严重。
　　“植物在铜胁迫影响下，体内产生活性氧，通过氧化胁迫来危害植物生长。大多数植物会通过避性和耐性两种机制来抵御铜胁迫。”河南农业大学荷花资源收集与利用研究团队成员王婉茹在会上分享道。
　　据王婉茹介绍，通过“找一个浓度”（表型测定、生理指标测定，确定铜处理浓度），“测两组数据”（转录组测序、差异基因分析），“克一个基因”（基因克隆、转基因鉴定、基因功能分析）的研究方法发现，NnWRKY22参与了荷花抗铜胁迫的应答机制，是基因功能的初步探索，同时也为进一步研究荷花的抗铜胁迫具体机制奠定了基础，有利于通过基因手段增强荷花的抗铜胁迫能力，挖掘优质基因培育抗铜荷花品种。

荷塘盛景

武汉植物园荷花展示区

荷花耐水淹响应机理研究

（本文图片来源：杨东、王婉茹）