化石能源枯竭、环境污染、气候变暖是目前全球面临的三大难题。工业化进程快速发展，人口数量的增长，人类对于粮食和能源提出来更高的要求。开发化石能源的替代品是解决当前困境的唯一出路。目前，全球都在寻求和开发新的可再生能源，从而达到节能、减排、环保的目的。燃料乙醇是一种安全、清洁、可再生的新型能源，是化石能源的理想替代品。燃料乙醇的大规模生产由于其原料的各种缺陷而受到了较大的限制。因此，开发探索新型生物质能源作物是生物乙醇产业可持续发展的前提。　　浮萍是已知的世界上最小的开花单子叶植物，其结构简单，器官高度退化;分布广泛;生长快速，其生长速率比陆生植物和大部分水生植物都快。浮萍作为一种新型的生物质原料，其应用广泛，培养工艺简单，生产成本低，受到了全球科学家的关注，浮萍相关研究进展迅速，应用前景乐观。本实验室前期对浮萍淀粉积累进行了系统研究，分别在烯效唑或寡营养条件下，针对浮萍代谢通路进行了传统酶活分析，转录组和蛋白组分析，以揭示少根紫萍高淀粉积累的机制，但是浮萍淀粉含量仍然未达到乙醇发酵所需的理想水平，有待进一步提高。本研究在前期工作的基础上，结合多种淀粉积累优势因素，以期获得淀粉含量更高的浮萍。同时，对高淀粉浮萍样品进行生理生化分析和转录组测序分析，获得更多浮萍淀粉积累的信息，真正揭示浮萍高淀粉积累的确切机制。另外，浮萍作为典型的浮水植物，具备有特殊的光合特性，本论文在研究淀粉积累的同时，偶联分析了浮萍光合生理特性和二氧化碳浓缩机制，对浮萍碳固定和碳浓缩机制提出了假设和印证，可以为后续浮萍培养提供有效的数据支撑。研究结果如下:　　(1)无氮胁迫下少根紫萍转录组分析。无氮胁迫处理可以有效提高淀粉的含量和产量，但是对于浮萍生物量积累有轻微的抑制。无氮胁迫处理10d，浮萍干物质量相比对照降低了10％左右，但是淀粉含量最高值达到52.37％，是对照组16.97％的3.1倍，是初始淀粉含量的12倍，同时，无氮胁迫下淀粉产量峰值达到38.27g/m2，是对照组的2.8倍，是初始淀粉量的42倍。结果表明，无氮胁迫处理可以非常显著地促进少根紫萍淀粉的积累。无氮处理能够同时大幅度地提高AGPase和SSS的活性，在该两个关键酶的协调作用下导致浮萍淀粉含量的提高，该结果与淀粉产量结果一致。我们分析了浮萍在无氮这唯一胁迫条件下的淀粉积累、相关酶活变化以及转录组结果。从差异表达基因(DEGS)、特异酶活性以及淀粉含量这三个层次分析了少根紫萍在无氮胁迫下淀粉积累的可行性并找到有效的方法途径和潜在的靶基因，为后续大规模生产的高淀粉浮萍提供数据支撑，为下一代生物燃料原料提供代谢工程数据。　　(2)浮萍光合生理特性研究。经浮萍碳同位素测定结果表明，浮萍是C3植物，但是其光响应曲线显示其具备有一定C4植物光合的特性。浮萍在正常培养下，光合转换效率处于C3植物(0.028-0.041)较高水平，但在胁迫条件下，εc达到C4能源作物(0.049-0.066)水平，显示少根紫萍具有高效的光合能力。同时，少根紫萍Rubisco酶活较高，达到玉米酶活水平的90％，是浮萍高光合效能的最本质原因。PEPC酶活较低但是NADP-苹果酸脱氢酶和苹果酸酶酶活极高，高活力的MDH和ME会导致更多OAA转化成Malate，并脱羧产生CO2，形成胞内CO2补偿机制，另外，高活力的ME可以同时促进淀粉的积累，而胞内Malate含量决定CO2浓缩机制的强弱。由上述结果可以看出，少根紫萍具有远高于玉米和水稻的苹果酸酶和苹果酸脱氢酶酶活，该二者是苹果酸合成途径的关键酶，也是C4和景天酸途径中起到CO2浓缩作用的关键酶，在二者作用下可以在浮萍胞内起到CO2浓缩的补充作用，由此可以看出，少根紫萍存在一种苹果酸介导的CO2补偿机制，可以有效抑制植物光呼吸，提高浮萍光合效率。　　(3)不同浓度钴和镍对少根紫萍的影响。在高浓度Co2+和Ni2+胁迫下，少根紫萍的生长速率，净光合速率，叶绿素含量和Rubisco活性都受到显著影响。同时，浮萍在短时间内淀粉积累达到很高水平。AGPase和SSS活性的增加和α-淀粉酶活性的降低直接导致少根紫萍高淀粉积累。此外，金属分析测试结果表明，L.punctata是Co2+和Ni2+的潜在的超富集植物。其重金属耐受性可能与其高效的抗氧化酶酶活和高含量的黄酮类化合物有关。总之，L.punctata可以同时偶联Co2+和Ni2+污水的生物修复和高质量生物质生产。　　本研究从生理生化水平、酶学水平以及转录组水平解析了无氮下浮萍高淀粉积累的机制，获得了高达53％的淀粉含量，为浮萍可以作为能源作物提供了有力的证据，也对浮萍淀粉积累机制有了新的认识和揭示。其次，我们研究了不同浓度的钴和镍对少根紫萍的影响，测定了少根紫萍对于重金属钴和镍的富集能力以及浮萍淀粉积累的效果;同时，我们研究了浮萍光合生理特性，填补了浮水植物光合生理特性的空白，同时也提出了可能存在的新的CO2浓缩机制，为浮萍能源化打下坚实的理论基础。