随着工业化、城市化的进程,土壤镉(Cd)污染日趋严重。镉胁迫在植物生长过程中会导致水分缺失,对植物吸收利用水分有影响,一般可引起植物光合和蒸腾速率下降,从而导致植物水分利用效率(WUE)降低。柳枝稷(Panicum virgatum L.)是一种多年生草本C4植物,生物产量高,能源转化率高,被美国能源部评为最有发展潜力的能源草。针对中国人均耕地面积低、水资源缺乏的现状,种植能源草拟坚守不与粮饲争地的原则,因而选用水分利用率高,适宜于边际、污染土壤种植的种质资源尤为重要。本实验选用14个高生物量柳枝稷品种为温室苗期水培试验材料,设置0(对照)和10 μmol L-1 CdCl2·5H2O处理,通过测定叶片光合速率和蒸腾速率,评价各供试品种在镉胁迫下的水分利用率和相对水分利用率(RWUE,镉胁迫下WUE占对照的WUE百分数)。然后选取其中6个WUE不同的品种进行土培验证,同时进一步探究其差异的内在机制。试验结果表明:1.水培条件下,镉胁迫显著降低了 14个柳枝稷品种的水分利用率,低地型的WUE和RWUE皆高于高地型。其中,Kanlow的最高,Cave in Rock的最低,前者的WUE和RWUE比后者高约两倍。聚类分析结果表明14份柳枝稷可分为3组不同RWUE材料,其中高RWUE材料3份Alamo、BoMaster和Kanlow,中等RWUE材料 6 份 Blackwell、Carthage、Dacotah、Shelter、Shawnee 和 Trailblazer,低 RWUE 材料 5 份 Cave in Rock、Forestburg、Longisland、New York 和 Sunburst。通过结合镉的吸收积累分析发现,相对水分利用率高的柳枝稷品种根和地上部镉积累也相对较高。2.土培条件下,不同品种柳枝稷的水分利用率也同样受到了镉胁迫的抑制,其中水分利用率最高的品种是Kanlow,最低的是Cave in Rock,且低地型柳枝稷品种的水分利用率普遍高于高地型品种。该试验结果与水培筛选结果一致,证明了水培筛选结果的可靠性。3.深入研究机制发现,不同柳枝稷品种在镉胁迫下水分利用率不同,高水分利用率的柳枝稷品种叶绿素和微量元素含量高,光合性能更好,叶片离体失水速率低,其内在生理机制可能与内源脱落酸(ABA)水平有关,镉胁迫下水分利用率高的柳枝稷品种ABA含量也高,且低地型高于高地型;内在的分子基础可能与类受体激酶基因ERECTA,EPF1等与气孔发育相关的基因以及水通道蛋白基因PIP1的相对表达量有关,高WUE品种的ERECTA,EPF1和PIP1的相对表达量远远高于WUE低的品种。因此,气孔控制与水分吸收的共同作用导致了镉胁迫下不同品种柳枝稷水分利用率的多样性。研究表明,从现有柳枝稷材料中可以筛选出镉胁迫下仍然保持高水分利用率的种质资源;另一方面,为借助基因工程手段挖掘和创新高水分利用率的柳枝稷种质资源提供了理论参考依据。