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空心莲子草(Alternanthera philoxeroides，A.philoxeroides)，又名水花生，多生于池沼、水沟和河湖等水面或周围潮湿地带，也可生存于旱地等条件比较恶劣的环境，生命力极强。该苋科杂草生长极为迅速，易在短时间内扩散成为群落，且较难以控制，一般认为是危害性很大的入侵物种。但近年来由于人类活动导致生存环境恶化的现象日益严重，如水体富营养化以及工业污水和矿山开采等带来的重金属污染等，急需相应的治理与环境恢复措施。通过植物吸收富集以达到净化富营养化水体或重金属污染土壤的生物修复原理与技术，是这一领域研究的热点。空心莲子草极强的恶劣环境适应性及其生物量快速增殖的特性，如能有效控制其无序蔓延(如布置于排污口并辅以网栅拦截)，不失为一种潜力巨大的优越生物修复材料。关于空心莲子草对污染物(如铵态氮、重金属等)的富集特征的研究，目前只有零星的报道，而在其分子机制方面仍然处于未知状态。同时，空心莲子草也以其卓越的富钾能力而闻名。1980年代国内学者对空心莲子草的钾吸收积累特征进行了相关研究。然而未能形成比较系统的认知，尤其是其分子机制的研究迄今尚未有报道。
本文从比较熟知的空心莲子草的钾素富集特征入手，着重研究其钾素富集程度与重金属积累、干旱胁迫抗性等之间的关联；并分别进一步深入探讨了空心莲子草的钾素吸收与铵态氮素吸收去除的分子机制，初步认识其功能特征与作用机理。希望通过研究建立富钾植物体内钾素富集程度与生物修复能力及逆境抗性之间的内在联系及其机理，并通过分子机制的研究挖掘优秀基因资源服务于作物生产和环境生物修复技术工程。
本文取得的主要结果如下：
1、空心莲子草对外部钾素供应的生物学响应呈现出与其它植物明显不同的特征：从μM级至50mM供钾范围内，植株与根系生长受到持续促进。相应地，植株钾素积累也呈持续增加趋势。最强富钾部位为茎部，可达干重的13％(元素K)，其次为叶部(～9%)，最低为根部(仅～3%)。
2、在分别供应0.02、2.0和20mM钾的营养液中培育空心莲子草以调节体内含钾量至不同水平，并以此为材料通过耗竭法研究了空心莲子草根系的钾吸收动力学特征。根系对钾离子的亲和常数Km随植株内部含钾量水平提升而显著升高(Km分别为3.2、5.3和87.6μM)，表明其在体内含钾量较高状态下，可能同时调用了较低亲和力(较高通量)的钾吸收系统以促进钾素的奢侈吸收积累。
3、空心莲子草对铵离子有极强的耐受能力。在100mM铵处理下，生长明显受到抑制，但仍能保持生长，叶片未出现失绿或伤害现象，叶绿素含量不受影响。分根实验证明，补充钾素供应可有效消减过量铵离子对生长的抑制作用。
4、通过水培试验研究了空心莲子草对重金属元素Cu2+、Mn2+、Pb2+、2n2+、Cd2+和Cr3+的富集能力，发现富集的重金属元素主要在地上部积累，空心莲子草对这六种重金属元素的敏感程度为Cd2+> Cu2+> Zn2+> Pb2+> Cr3+> Mn2+。1mM K+供应下，高量(500μM)的重金属处理明显抑制了空心莲子草的生长(Cr3+、Mn2+、Pb2+抑制作用主要发生在根系)；而提高钾素营养(10mM)可显著提升植株对这6种重金属的耐受能力，富集程度分别提高了23%、19%、41%、30%、7.8%及13%。
5、PEG模拟干旱处理(15% PE)显著抑制空心莲子草的生长，叶片出现枯黄干燥，补充钾素营养(10mM)可有效消减干旱胁迫的抑制效应。
6、由已报道的基因保守序列设计简并引物，通过RACE PCR技术成功克隆了4个高亲和钾吸收基因ApKUP1-4和1个钾通道基因ApSKOR的全长编码序列(GenBank登录号分别为JN635515，JN635516，JN635519，JN635520和JN635511)。其中ApKUP1和3主要定位在地上部，而ApKUP2和4则在全株水平表达。在茎部，ApK UP1&3的表达受到缺钾条件的诱导，并且ApKUP3可响应干旱胁迫与ABA处理。ApSKOR主要定位于根部，在高水平钾素供应情况下，该基因的表达水平也相应提升。
7、利用膜片钳电生理技术初步证明了ApSKOR为一外流型K+通道(介导K+向根系输导组织的释放)，该通道为膜电位门控通道；其K+流通量随外部K+浓度升高而降低，并且在中性pH下能更好发挥K+分泌作用。
8、通过简并引物进行保守区扩增和末端RACE，成功克隆得到2个全长铵转运体基因(ApAMT1；1和ApAMT1；3)及一个片段ApAMT1；2。ApAMT1；1主要在根部表达，ApAMT1；2和ApAMT1；3主要在地上部表达；三个基因的表达均受缺铵条件诱导。
9、利用铵吸收功能缺陷型酵母突变体对ApAMT1；1的功能与作用进行了研究。在含有0.2 mM NH4+的YNB介质中ApAMT1；1能够有效恢复酵母突变体的生长(在2 mM NH4+情况下互补效果更好)，表明其介导铵吸收的功能。15NH4+标记吸收实验证明ApAMT1；1是一个介导根部铵离子吸收的高亲和铵转运体(Km为10μM)。此外，ApAMT1；1对MeA有微弱地利用，进一步机理研究表明ApAMT1；1介导的铵离子吸收是一依赖于ATP能量的过程(CCCP阻断ATP合成)，且可能受到体内铵离子积累水平的反馈抑制(MSX阻断铵离子的同化1。