抗丁草胺稻田固氮蓝藻的筛选及其抗性机理研究

在全球变暖和水体富营养化日益严重的今天，固氮蓝藻因其固氮固碳作用而备受推崇，今后可能作为水稻田可持续天然优质低碳生物肥源而大力推广。但由于我国稻田除草剂的使用面积和施用量的不断增加，许多固氮蓝藻已经或正在灭绝。丁草胺作为我国稻田除草剂的主要品种，直接威胁到蓝藻的生存。筛选天然的抗稻田丁草胺固氮蓝藻是继续利用这一天然生物肥料的出路。本项目前期工作已筛选到一株对丁草胺具有强抗性的念珠藻，拟进一步从稻田中分离筛选固氮蓝藻，将各藻株进行抗丁草胺能力的比较，并开展抗性机理研究，重点明确其抗性的生理生化与分子机制。本研究不仅可弥补该领域研究的空白，而且可为固氮蓝藻的应用以及除草剂的使用提供科学依据，同时可能为将来克隆抗性基因并利用生物工程技术构建抗稻田除草剂工程藻株用于大田培养奠定基础，对促进现代低碳绿色生态农业的发展具有重要现实意义因此。因此，本项目研究具有重要的科学意义和应用价值。

固氮蓝藻因其固氮固碳的双重作用，是水稻田优质环保的生物肥源。但由于稻田除草剂丁草胺等大量使用，许多固氮蓝藻已经或正在灭绝。筛选天然的抗稻田丁草胺固氮蓝藻是继续利用这一天然生物肥料的出路。本项目从稻田中分离纯化得到5种固氮蓝藻，同时，从中科院水生所购买到源于南方水稻田的固氮蓝藻5种。对这10种稻田固氮蓝藻进行了抗丁草胺毒性测试，发现一种念珠藻的抗性最强。从形态结构特点、生化组成、生物降解、相关酶系、光合生理、差异蛋白组等角度进行了研究，初步阐明了抗性机理：1）随丁草胺浓度升高，藻丝上浮能力降低，颜色变淡，藻丝明显较CK短，藻具胶鞘易成团状。其抗性可能与该藻上浮聚集成团有关。2）丁草胺胁迫条件下，色素、藻蛋白和总糖含量降低，但类胡萝卜素/叶绿素比值随丁草胺浓度增加而增加，固氮藻可能提高抗氧化物质相对含量增加抗性。3）念珠藻对丁草胺具有一定的降解能力。通过GC-MS分析发现了两个可能的降解产物。推测其降解途径为：经C端去烷基再经N端去烷基降解为2-氯-N-(2,6-二乙基苯)乙酰胺。4）丁草胺处理使SOD、CAT、POD和GR等4种酶的活性显著提高，说明胁迫使藻抗氧化机能应激显著增强。细胞P450含量在丁草胺低浓度处理时随其浓度增加而增加，高浓度则降低，推测P450在降解丁草胺的过程中发挥一定的作用。5）丁草胺没有抑制QA后的氧化还原反应，而是抑制了初级光反应。80 mg/L丁草胺处理导致ABS/RC和DI0/RC减少，而TR0/RC和ET0/RC几乎不变，这使得PIABS值减少，说明PSII活性受到高浓度丁草胺抑制。该结果也表明为了满足正常的能量需要，藻细胞会吸收更多能量来弥补丁草胺胁迫条件下的能量耗散，对光损伤起到重要的保护作用。6）丁草胺处理使藻蛋白表达出现明显变化。在40 mg/L丁草胺胁迫下，与对照相比，cpcG2基因产物、cmcC基因产物、蛋白酶等十多种蛋白表达下调，而cpcC基因产物、藻蓝蛋白连接蛋白-cpcC基因产物、rbcL基因产物和二磷酸核酮糖羧化酶表达均上调。