与陆生植物相比，沉水植物的光合作用环境已经发生了根本性的变化：水分胁迫不再是沉水植物光合作用的主要限制因素，CO2成为沉水植物光合作用的首要限制因子。虽然CO2能轻易的穿透生物膜，但它在水中的扩散速率比在空气中要低104倍，此外由于水体与植物体边界厚的静水层的阻挡，使得沉水植物光合作用常受到低CO2供应的胁迫；尤其在高生产力的湖泊水体中，光合作用对CO2 的迅速吸收往往能够将CO2的表观浓度几乎降低至零。为了适应水体中光合作用的需要，沉水植物在长期的进化过程中发展出了一系列可缓解水体中CO2供应受限的无机碳利用策略，其中包括对HCO3-的利用，以及行使类似陆生植物的C4代谢或CAM代谢等。这种在碳限制条件下多种碳代谢途径的转化诱导，不仅反映了沉水植物光合途径的多样性、复杂性，也体现出沉水植物光合生理在进化过程中对生态环境的适应性。因此，对沉水植物无机碳利用策略的研究，一方面可从光合途径适应性变化的角度揭示沉水植物的生态适应机理；另一方面，可为沉水植物光合作用的适应性进化研究提供参考，丰富植物光合生理适应性进化的认知。水鳖科是一个非常古老的单子叶植物科，起源于70~100 mya 前的Paleocene 或者Cretaceous，其C4植物很可能先于陆生C4植物的出现，代表了C4光合途径的原型。此外，对水鳖科植物的前期研究表明该科植物呈现出了多样化的丰富的无机碳利用策略。因此，水鳖科植物是一类理想的水生植物无机碳利用策略的研究对象。武汉植物园李伟研究员团队就水鳖科沉水植物的无机碳利用策略的研究新进展报道如下：
1）龙舌草（Ottelia alismoides）是水鳖科一种具有异形叶性的沉水植物，在植物的生长发育过程中叶片表现出不同的形状，从植株幼苗期到成熟期根据叶片的形态可以大致划分为线形叶，披针形叶和卵圆形叶。前期研究表明龙舌草成熟时期的叶片具备多种无机碳利用策略(HCO3-利用，C4代谢，CAM代谢)，且可随着环境中CO2浓度进行调节。线形叶作为龙舌草发育过程中初始阶段的叶片，其是否具备多样化的无机碳利用策略，其结构基础如何，尚不得而知。围绕龙舌草线形叶展开的研究工作发现，龙舌草线形叶在高低碳条件下均可利用HCO3-，低碳下可诱导产生CAM和C4代谢。通过与以往研究结果进行综合比较分析发现，龙舌草异形叶的无机碳利用策略随着植株的生长发育而逐渐增强且多样化。此外，通过解剖结构观察，线形叶仅由3层细胞组成，且有大量气腔。其解剖结构与卵圆形叶相比叶肉层数较少，气腔的横截面积约是卵圆形叶片的66.7%，但是气腔占叶片横截面积的比例却高于卵圆形叶。低碳下的龙舌草线形叶表皮细胞叶绿体的淀粉含量要显著低于叶肉细胞的叶绿体内淀粉含量，推测这两类叶绿体与低碳条件下线形叶行使C4途径有一定关联，但两者之间的具体关系仍需要进一步研究。相关研究结果以“Response of anatomy and CO2-concentrating mechanisms to variable CO2 in linear juvenile leaves of heterophyllous Ottelia alismoides: Comparisons with other leaf types”为题发表在Environmental and Experimental Botany上。论文链接：https://doi.org/10.1016/j.envexpbot.2020.104194。
2）揭示了水鳖科沉水植物龙舌草（Ottelia alismoides）HCO3-利用的具体机制。通过pH-drift技术，结合CA酶和阴离子交换蛋白特异性抑制剂的使用，并辅助转录组学研究，以成熟龙舌草叶片为研究对象，发现胞外α-CA1催化的HCO3-与CO2的相互转化以及SLC4介导的HCO3-的直接转运在龙舌草HCO3-利用中发挥了重要作用。同时建立了模型以量化以下各路径a，CO2被动扩散进入细胞；b，HCO3-静水层扩散后在质膜处通过α-CA1转化为CO2扩散进入细胞；c，HCO3-静水层扩散后在质膜处通过SLC4转运子直接进入细胞，对龙舌草光合无机碳吸收利用的贡献比值：随着环境中无机碳的不断被消耗，当CO2浓度从~50μM下降到~9μM时，abc路径对龙舌草总无机碳吸收利用的贡献率分别从55.7%，42.7%，1.6%变化为24.0%，64.4%，11.5%。当CO2浓度进一步降低至~1μM时，a路径在龙舌草对总无机碳吸收中的贡献接近0，bc路径持相同的贡献率。相关研究结果以“External α-carbonic anhydrase and solute carrier 4 are required for bicarbonate uptake in a freshwater angiosperm”为题发表在Journal of Experimental Botany上。论文链接：https://doi.org/10.1093/jxb/eraa351。
3）沉水植物不仅受到碳限制的胁迫，也经常遭受水体中重金属的胁迫。镉，被列为人类致癌物，主要通过工业过程或通过施用磷肥分散到水生态系统中。 Cd在水中的高溶解度有助于其在水生系统中的广泛分布；与其他金属相比，其相对较高的迁移率使其成为人们关注的主要金属。镉易被植物吸收并引起包含生理、生化及遗传变异等诸多方面的植物毒性，在受Cd影响的所有代谢途径中，光合代谢对Cd尤其敏感。沉水植物无机碳利用策略对低碳及重金属的联合胁迫的响应以水鳖科龙舌草为对象展开了研究。结果显示，Cd暴露对低碳下的龙舌草叶绿素合成、叶绿体超微结构都有损伤；叶绿素荧光、δ13C均显著降低。pH-drift显示Cd暴露后的龙舌草叶片无HCO3-利用能力；通过C4/CAM关键光合酶及昼夜酸度波动的测试，表明Cd暴露后龙舌草C4及CAM代谢受阻。Cd对龙舌草CCMs功能的影响与CA及PEPC等关键酶及叶绿体结构受损有关。相关研究结果以“Responses of CO2-concentrating mechanisms and photosynthetic characteristics in aquatic plant Ottelia alismoides following cadmium stress under low CO2”为题发表在Ecotoxicology and Environmental Safety上。论文链接：https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2020.110955。
4) 水菜花（Ottelia cordata）为水鳖科的一种多年生水生植物，分布在中国、柬埔寨、缅甸和泰国；它具有线形或披针形的沉水叶和卵/心形浮水叶。水菜花在其生长发育周期的第一年生长披针形沉水叶，第二年开始长出卵形浮水叶片，此后只更新浮水叶片，待沉水叶片全部衰败以后以浮水叶根生的方式生活。以水菜花浮水叶为研究对象，研究了其解剖结构及无机碳利用策略对环境水体中CO2变化的响应。研究结果显示，水菜花浮水叶上表面分布有气孔，高碳下最突出的结构变化响应是显著增加的上表皮细胞横截面积以及细胞宽度。这种高CO2条件下表皮细胞面积扩增的结构响应可能会通过增大CO2向胞内的扩散面积而对光合作用产生影响。就CCMs而言，无论CO2浓度高低，水菜花的浮水叶都能利用HCO3-；酶学分析及有机酸波动模式的测试表明水菜花浮水叶仅在低CO2条件下运行CAM，高低CO2条件下均能进行C4代谢。本研究结果阐明了水菜花浮水叶不仅可以利用空气中CO2，也能依赖于水体中CO2及HCO3-进行光合固碳，且固碳方式会随着环境中CO2浓度进行调节。其体内为避免无效碳固定的多种碳利用方式之间的调节机制还需要进一步深入研究。相关研究结果以“Responses of leaf anatomy and CO2 concentrating mechanisms of the aquatic plant Ottelia cordata to variable CO2”为题发表在Frontiers in plant science上。
论文链接：https://doi.org/10.3389/fpls.2020.01261。
以上研究得到中国科学院战略性先导科技专项（B类）（XDB31000000)、中国科学院国际人才计划(2015VBA023, 2016VBA006)和国家自然科学基金（31970368）的资助，以及英国生态水文中心Stephen C. Maberly教授、法国国家科学研究院（CNRS）酶学和复合大分子实验室Brigitte Gontero-Meunier教授的指导。
龙舌草无机碳获取机制模式图
