揭秘互花米草应对咪唑烟酸胁迫的生理与转录组奥秘：为入侵物种治理 “精准导航”

为解决互花米草（Spartina alterniflora）这一入侵物种的防治问题，研究人员开展了咪唑烟酸（imazapyr acid）胁迫下互花米草生理和转录组分析的研究。结果发现咪唑烟酸抑制其光合作用和根系生长，影响代谢和 DNA 复制。该研究为互花米草治理提供理论依据。

　　在我国沿海地区，互花米草就像一个不速之客，自 1979 年被引入后，凭借其超强的繁殖和适应能力，迅速抢占沿海生态位，严重威胁着沿海湿地生态系统的结构和功能。为了控制这个 “生态侵略者”，化学防治手段逐渐受到重视，其中咪唑烟酸因其高效、低毒的特点，在互花米草治理中得到了应用。但一直以来，人们对咪唑烟酸作用于互花米草的详细机制却知之甚少。

为了揭开这个谜团，烟台大学、山东省海洋资源与环境研究院等研究机构的研究人员展开了深入研究。他们的研究成果发表在《BMC Plant Biology》上，为互花米草的治理提供了关键的理论支持 。

研究人员主要运用了以下关键技术方法：一是利用调制叶绿素荧光成像系统（Imaging PAM）和多功能植物效率仪（M-PEA 2）测量叶绿素荧光参数及快速诱导曲线，以此来分析互花米草的光合作用生理状态；二是借助植物图像分析仪（MICROTEK ScanMaker i800 plus）扫描根系，分析根系结构；三是通过高通量测序技术对互花米草转录组进行测序分析，并运用 qRT-PCR 技术对部分差异表达基因进行验证 。

研究结果如下：

1. 叶绿素荧光成像及参数变化：咪唑烟酸胁迫下，互花米草 PSII 的 F_v/F_m、Y (II)、Y (NO) 和 Y (NPQ) 荧光成像面积减小，且对不同叶龄叶片的胁迫效率不同，叶龄越大受影响越大。胁迫初期，叶片的 F_v/F_m和 Y (II) 略有下降，Y (NPQ) 和 Y (NO) 略有上升，此时叶片启动光保护机制；而后期 F_v/F_m、Y (II) 和 Y (NPQ) 大幅下降，Y (NO) 大幅上升，表明 PSII 反应中心受损，光合作用系统被破坏。
2. 叶绿素荧光动力学曲线变化：咪唑烟酸胁迫使 OJIP 曲线发生显著改变，相对荧光强度 F_o升高，F_m下降，曲线逐渐变平。随着胁迫时间延长，PSII 供体侧和受体侧的性能受到限制，叶片类囊体膜稳定性下降。同时，与光合作用相关的性能指标、活性参数、量子产率和效率参数均受到显著影响，最终导致光合作用活性完全丧失，植株死亡。
3. 根系结构和生物量变化：与对照组相比，咪唑烟酸处理后的互花米草根系发育受到明显抑制，总根长、根表面积、根体积、根尖数和根分叉数减少，平均根直径增加，根系分级简单。植株地上和地下生物量积累以及比根长也受到显著抑制，且抑制作用随胁迫时间延长而增强，这表明咪唑烟酸影响了互花米草根系对水分和养分的吸收效率，进而影响其生长发育。
4. 根系活性变化：咪唑烟酸胁迫 3 天后，互花米草根系活力显著降低，60 天左右根系完全失活，最终导致根系死亡，说明咪唑烟酸能迅速抑制植物根系活性，阻碍根系生长发育。
5. 根系转录组分析：测序数据质量良好，便于后续分析。胁迫 7 天时，互花米草基因上调表达较多；胁迫 30 天时，基因下调表达较多。GO 和 KEGG 富集分析表明，差异表达基因（DEGs）主要富集在苯丙烷生物合成、角质、木栓质和蜡生物合成、氨基糖和核苷酸糖代谢等代谢途径。在缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸生物合成途径中，相关基因的下调影响了氨基酸合成；在 DNA 复制过程中，多个关键基因表达下调，导致 DNA 合成起始受到抑制，引发 DNA 损伤，进一步解释了根系生长受抑制的现象。

研究结论和讨论部分指出，咪唑烟酸显著抑制了互花米草的光合作用，导致叶片严重光抑制，同时也显著抑制了其根系的生长和发育。此外，咪唑烟酸还影响了植物的氮代谢和碳氮平衡调节，抑制了 DNA 复制过程，最终使细胞进入凋亡途径，实现了对互花米草有性和无性繁殖的双重防控。该研究揭示了互花米草对咪唑烟酸胁迫的生理和转录组响应，为评估咪唑烟酸作为防治互花米草的有效除草剂提供了数据支持，也为未来互花米草的治理提供了重要的理论依据。