论文标题：Duckweed: Beyond an Efficient Plant Model System

论文链接：https://doi.org/10.3390/biom14060628

期刊名：Biomolecules

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/biomolecules

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文章导读

浮萍是一种水生单子叶被子植物，具有独特的营养吸收、离子转运动力学、解毒、复杂的信号传导和胁迫耐受性，能够在各种环境条件下生存，具有有效去除废水中重金属、杀虫剂和有机化合物的潜力，作为研究植物胁迫反应和环境相互作用的候选者而受到广泛关注。来自美国阿拉巴马大学伯明翰分校的Doni Thingujam博士所在团队在 Biomolecules 发表综述，围绕浮萍研究的前景展开了讨论，以期促进跨学科合作和技术进步，充分发挥浮萍作为模式生物的潜力。图1列出了浮萍可以作为模型生物的原因以及目前可以应用到的研究领域。

图1. 浮萍在不同研究领域中的益处和利用。

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浮萍在生理研究中的重要性

营养摄入和压力耐受性

与陆生植物一样，浮萍可以通过被动扩散、主动运输和与微生物的共生相互作用吸收对生长和代谢至关重要的氮和磷等营养物质。然而，浮萍的营养吸收是一个非连续的过程，仅受环境丰度的影响。浮萍也具有显著的光合作用能力，具有高固碳率和高效的光能利用率。此外，有研究表明浮萍能够有效地克服盐度引起的胁迫，这种耐受环境压力的能力是浮萍的一个有前景的特征，它提供了对植物抗逆性反应的洞察。

浮萍中的离子传输

浮萍对理解生理离子运输贡献重大。有研究证明了浮萍作为理解镉钴等重金属代谢和细胞水平生物累积机制效应的模型系统的强度。除重金属外，也有学者研究了磷酸盐、硝酸盐和铵等其他离子在不同浮萍物种中的迁移和影响。浮萍可以在缺磷条件下存活，突出了其适应性，使其成为研究水生植物营养获取和储存机制的宝贵模型。

浮萍的信号传导机制

除了离子传输，浮萍一直是研究植物对各种环境线索和压力源的信号反应的有前景的系统。一些研究调查了浮萍生长、发育和胁迫耐受机制中的信号通路。先前的研究结果表明，植物激素在调节多种浮萍物种的细胞分裂、分化、生物量生长、淀粉积累和胁迫反应等关键过程中起着重要作用。在不同的环境胁迫条件下，浮萍会通过不同的信号转导途径以促进胁迫适应，减轻细胞损伤。对浮萍信号网络的理解可以为制定策略提供空间，以提高其在不利环境条件下的恢复力和生产力。

03

浮萍植物修复和废水处理

浮萍可以有效地吸收和积累氮和磷等营养物质，从而缓解水体富营养化，吸收和螯合镉、铅和砷等重金属，有助于修复受污染的水和土壤。浮萍有可能通过植物降解和根过滤等机制降解有机污染物。目前，基于浮萍的人工湿地和废水处理系统已经过评估和优化，用于处理各种类型的废水。值得注意的是，现阶段处理受污染的浮萍生物质仍然是一个重大挑战。经过处理后，由于存在二次污染的风险，受污染的浮萍无法通过标准手段进行处置。当前可以实施的几种处置方式包括焚烧或热解、植物采矿、堆肥和厌氧消化。然而，这些方法需要仔细监测，以确保污染物得到充分管理，不会对环境或人类健康构成风险。

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讨论和展望

浮萍研究的最新进展推动了其在不同领域的潜在应用。随着基因组测序和分子生物学技术的不断进步，可以对浮萍独特性状的基因构成进行深入研究。阐明浮萍的基因构成有助于开发基因工程技术，以增强浮萍和其他单子叶植物的理想性状。遗传操作可用于提高生物量产量、养分吸收和抗逆性等性状，从而最大限度地提高浮萍在各种应用中的效用。各种多样化的应用突显了浮萍的多功能性及其对人类福祉和环境可持续性的多方面贡献的潜力 (图2)。

图2. 浮萍在促进环境可持续性和提高农业生产力方面的潜在应用。

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结语

总体而言，浮萍研究的未来有望在基因操作、栽培方法和下游加工技术方面取得进一步发展。预计这些领域的持续创新将使浮萍成为一种高效的模式系统，此外，浮萍还将成为应对与粮食安全、环境退化和向可再生能源过渡相关的全球挑战的可持续解决方案。

Biomolecules 期刊介绍

主编：Lukasz Kurgan, Virginia Commonwealth University, USA; Peter E. Nielsen, University of Copenhagen, Denmark

期刊旨在发表包括生物活性和生物源性物质的结构和功能，具有生物学和医学意义的分子机制以及生物材料及其应用等在内的高水平文章。