耐镉胁迫的生物质能源植物柳枝稷种质资源挖掘及其生理与分子基础研究

As a kind of the renewable resource, the bioenergy has received much attention in recent years. In China, it is essential to select heavy-metal-toleant energy plants for the development of bioenergy and the application of heavy metal-contaminated soil. Recently, many forage grass species were studied as energy plants due to its higher biomass. switchgrass （Panicum virgatum），a perennial grass will be used in the present project 1) to compare the differences in plant growth and physiological parameters of different genotypes or ecotypes of P. virgatum exposed to Cd under hydroponic, greenhouse and field conditions; 2) to screen out Cd toleant P. virgatum genotypes which can used as energy plants and grow in Cd contaminated soil according to the abilities of Cd uptake, translocation and accumulation, biomass production, and the potential ability of energy transformation; 3) to compare the gene expression of different P. virgatum genotypes under different concentrations of Cd exposure using RNA-seq technology; 4) to study the molecular mechanisms of the differences in Cd tolerance of different P. virgatum genotypes. The results of the proposed study will provide further insights into the physiological and molecular mechannisms of Cd uptake and tolerance by P. virgatum, and also provide the evidence to develop and produce the energy biomass in heavy metal contaminated soils.

在生物能源研究越来越受到重视的背景下，许多饲草被作为能源草研究和利用。基于生物能源开发不应与粮饲争地的国情，选育适宜于边际、污染土壤种植的能源植物变得十分重要。本项目以黍属（Panicum）植物中多年生高大型种- - -柳枝稷（P. virgatum）为试验材料，通过水培和土培、室内和田间试验，比较不同基因型或生态型的柳枝稷的幼苗和全生育期在镉胁迫下的生长和生理响应，根据各供试材料体内吸收、积累和转运镉的动态、生产性能和能源转化潜力，挖掘适合于在镉污染土壤上作为能源草开发的柳枝稷种质资源；利用转录组测序技术，比较同一基因型在不同镉胁迫环境下的基因表达差异，以及不同基因型在镉胁迫和非胁迫下的基因表达差异；以重金属胁迫表型响应极端的基因型为材料，研究耐镉和镉敏感的分子基础。本项目研究旨在充分挖掘能在镉污染土地上有效利用的柳枝稷种质资源，为开发适合于重金属污染环境中能源草种质资源奠定基础。

发展生物能源大势所趋，在我国生物能源开发不应与粮饲争地，利用重金属污染土地开发能源植物是一条重要且可行的措施。本项目旨在挖掘耐镉胁迫的国际公认的生物质能源植物柳枝稷（Panicum virgatum）种质资源，探讨增强能源植物镉耐性的生理与分子基础。主要研究内容为：（1）评价和筛选对镉胁迫呈差异响应的不同生态型的柳枝稷种质资源；（2）分析柳枝稷对镉胁迫响应的生理及其调控机制；（3）探寻柳枝稷对镉胁迫响应的分子基础；（4）评价经镉胁迫后柳枝稷作为生物能源材料的价值。结果发现，柳枝稷( P. virgatum)的镉耐性较同属的高生物量植物坚尼草(P. maximum)高数十倍。柳枝稷幼苗在镉胁迫下的生长半抑制浓度达6.06-7.43 μM。14个供试品种的耐镉性、地上地下部镉积累浓度、转移系数等都存在显著差异。隶属函数法综合汇总光合、根系、生长等参数评价14个柳枝稷品种的耐镉性结果显示，低地型的显著强于高地型的品种。分析柳枝稷对镉胁迫响应的生理及其调控机制表明，光合参数、根系活力与根系形态参数通过影响柳枝稷幼苗吸收和转运镉，进而影响植株耐镉性。外施植物促生菌、独脚金内酯类似物、不同形态和水平的氮素，能够增强镉胁迫下的根系合成生长素的能力，增强根系活力和原有形态，提高光合能力，缓解镉毒害。通过RNA-seq测序，构建了柳枝稷镉胁迫6, 24h的转录组序列信息，分别鉴定出了4598和2896个差异表达基因（DEGs），明确了其中部分基因与已知的模式植物镉耐性基因的同源性，鉴别出了23个与镉胁迫调节有关的分子伴侣基因（chaperone genes）。结合RNA-Seq测序结果和qRT-PCR验证，筛选了一个分子伴侣基因Pavir.Ea01829（BIP）和热激转录因子Pavir.Eb03132.1（HSF），并进一步对其进行功能研究。分析比较柳枝稷能源转化价值结果表明，镉胁迫对于柳枝稷的能源转化率影响不明显。结果预示，耐镉性强、镉吸收积累量高、易往地上部转移镉、生物量大的低地型柳枝稷品种是长三角地区镉污染土地上种植的能源植物首选。