武漢植物園在沉水植物光合碳濃縮機制研究中取得進展

2020-11-22 中國生物技術信息網

武漢植物園在沉水植物光合碳濃縮機制研究中取得進展

來源：武漢植物園   發布者：左麗媛   日期：2017-04-20   今日/總瀏覽：2/1325

不同光照和 CO2 濃度對龍舌草光合參數的影響

作為水域生態系統和溼地生態系統的重要要素之一，水生植物對於湖泊生產力建設以及地球化學循環具有極其重要的影響。沉水植物缺乏功能性氣孔，植物體 - 水體邊界存在著阻隔氣體擴散的靜水層，使得沉水植物普遍受到低濃度無機碳的脅迫。為此，沉水植物進化了一系列的碳濃縮機制（CCM），包括對 HCO3- 的利用、C4 途徑和 CAM（景天酸代謝）途徑等。研究沉水植物的光合碳濃縮機制對更好地理解水生植物光合碳同化途徑的起源、進化以及生態適應性都具有重要意義。

龍舌草（Ottelia alismoides）是目前唯一發現的一種 HCO3- 的利用、C4 途徑和 CAM 途徑共存的一種水鱉科沉水植物。中國科學院武漢植物園碩士生邵會在研究員李偉和副研究員黃文敏的指導下，研究了龍舌草在不同時間尺度、不同光照強度和 CO2 條件下體內光合碳濃縮機制的響應與調控。結果發現，無論高、低 CO2 條件下，磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（PEPC）和 1-5 - 二磷酸核酮糖羧化酶（Rubisco）的比值 > 5，表明龍舌草運行 C4 途徑。高光、低 CO2 處理下龍舌草的晝夜酸度差可高達 17-25 µequiv g-1 FW，而高 CO2 處理後的龍舌草無顯著的晝夜酸度差，表明低 CO2 處理後龍舌草被誘導出 CAM 途徑。在長期馴化和短期暴露實驗中，即使在暗周期結束時 PEPC 和 PPDK 都仍呈現出較高活性，這保證了夜間蘋果酸的持續累積以及白天的碳固定。龍舌草在光周期開始時即以 2-3µequivg-1 FWh-1 的速率進行脫羧反應，且高光下的脫羧速率顯著高於低光條件；而經過高碳的短期暴露（晝夜），其在白天仍進行正常的脫羧反應，表明龍舌草白天脫羧時不受外界高 CO2 濃度的影響。通過計算龍舌草 CAM 途徑固定濃縮的 CO2 對光合作用的貢獻，比率可達 21%；然而龍舌草夜間蘋果酸的積累合成所捕獲的 CO2 僅只有呼吸釋放 CO2 的 6%。總結以上實驗結果，龍舌草碳濃縮機制對外界條件光、CO2 的變化呈現出不同的響應特徵；無論高、低碳環境，龍舌草都能運行 C4 途徑；低碳下 CAM 途徑可被誘導產生，並且白天蘋果酸的脫羧速率受光照強度調節，夜間酸度的累積受環境中 CO2 濃度調節。

該研究得到中科院 「國際人才計劃」 國際訪問學者項目（2015VBA023，2016VBA006）、國家重點基礎研發計劃（2016YFA0601000）和國家自然科學基金（31460089）的資助，以及英國生態水文中心教授 Stephen C. Maberly、法國國家科學研究院（CNRS）酶學和複合大分子實驗室教授 Brigitte Gontero-Meunier 的指導。相關結果發表在 Journal of Experimental Botany 上（DOI：10.1093/jxb/erx064）。


相關新聞

相關焦點

  • Photosynth Res:兩種大型淡水植物二氧化碳濃縮機制
    為獲得無機碳，沉水植物在形態結構和生理生化上表現一定的特性，包括薄的葉片層以及對HCO3利用的能力，擬C4型和CAM型光合代謝途徑的選擇。沉水植物C4 和CAM光合代謝是沉水植物在環境脅迫下增加CO2濃度的一種適應，具有生理可塑性。
  • 武漢植物園在植物葉片質外體pH調節和應對細菌侵染機制研究中取得進展!
    質外體是植物感受和適應環境生物和非生物脅迫的前沿區域。
  • 前進中的武漢植物園
    (二)科研水平顯著提高，各項創新成果不斷湧現 隨著植物園創新工作的不斷進行，植物園的各項創新研究與建設取得了較大的成績，特別是在植物資源保育、水生植物生物學研究及內陸水體植被研究、農林複合生態等基礎性研究上實現了優勢的突破，取得了一些原始科學創新成果。資源的可持續利用與開發、植物園的科學普及功能的發揮上，植物園也取得了重大的突破。
  • 水稻光合碳輸入及其穩定機制對水分管理和施氮的響應研究獲進展
    由中國科學院亞熱帶農業生態研究所研究員吳金水領銜的農業生態過程方向研究團隊近日在水稻光合碳輸入及其穩定機制對水分管理和施氮的響應方面取得了新進展。　　光合碳是「大氣-植物-土壤」系統碳循環的重要組成部分，也是土壤有機碳的重要來源，光合碳通過根系周轉與根系分泌物等進入土壤碳庫，對維持稻田土壤的碳匯功能起到了十分重要的作用。
  • 沉水植物如何影響湖泊水體光環境?
    編者按：從深海到高山、從沙漠到雨林，地球的每一處都有植物的印記。歲月流變、氣候變遷、地質運動、生境更迭，植物歷久彌新、在不斷演化中保持著多樣化的世界。中科院之聲與中國科學院武漢植物園聯合開設「花花萬物」，在這裡，我們關注植物的生存、競爭、繁衍、死亡，展示自然界的奇特多姿，解讀生物的萬千氣象，探索神奇的生命秘境，致敬這無聲無息又蓬勃多姿的世界。
  • 武漢植物園在生物防治非靶標作用的緯度梯度格局研究中取得進展
    武漢植物園在生物防治非靶標作用的緯度梯度格局研究中取得進展 2018-08-13 武漢植物園 【字體：大 中 小】
  • 城市環境研究所在附生菌群對沉水植物砷吸收與代謝的影響機制方面...
    【能源人都在看，點擊右上角加'關注'】北極星水處理網訊:近日，中國科學院城市環境研究所城市水環境過程與生態風險研究組（顏昌宙團隊）報導了該組最新研究成果：附生菌群對沉水植物黑藻砷吸收累積、形態轉化和外排具有顯著影響。
  • 武漢植物園在非洲大果印加果的抑菌活性及作用機制研究方面取得新進展
    耐藥性危機促使科學界不斷尋求具有不同作用模式的有效替代治療藥物，而藥用植物的次生代謝產物具有結構多樣和生物活性強的特性，使其日益成為替代醫學的研究目標之一。大果印加果是一種藥食兩用植物，在喀麥隆傳統上可用於治療傷口和各種感染。目前所報導的生物效應大多與其種子油有關，而對其果實提取物抗菌活性的研究甚少。
  • 華南植物園在生物固氮的環境響應機制研究方面取得進展
    華南植物園在生物固氮的環境響應機制研究方面取得進展 2020-09-23 華南植物園 【字體：大 中 小】 語音播報
  • 武漢植物園在物種分布限制的進化研究中取得新進展
    自達爾文發表《物種起源》以來，有關物種分布範圍限制的研究就受到生態學家和進化生物學家的極大關注。目前在進化生物學領域，有關物種分布區限制的進化機制主要存在兩種假說。　　中國科學院武漢植物園獼猴桃種質資源與育種學科組博士生楊愛紅在副研究員姚小洪和研究員黃宏文的指導下，以孑遺植物鵝掌楸為研究對象，採用自主開發的葉綠體基因組微衛星以及核基因組微衛星分子標記（American Journal of Botany, Yang et al., 2012），在了解古氣候變化對物種地理分布的影響的基礎上
  • 為光合作用，沉水植物有多努力？丨花花萬物
    編者按：從深海到高山、從沙漠到雨林，地球的每一處都有植物的印記。歲月流變、氣候變遷、地質運動、生境更迭，植物歷久彌新、在不斷演化中保持著多樣化的世界。中科院之聲與中國科學院武漢植物園聯合開設「花花萬物」，在這裡，我們關注植物的生存、競爭、繁衍、死亡，展示自然界的奇特多姿，解讀生物的萬千氣象，探索神奇的生命秘境，致敬這無聲無息又蓬勃多姿的世界。
  • 武漢植物園真雙子葉植物基部類群葉綠體基因組研究獲進展
    武漢植物園真雙子葉植物基部類群葉綠體基因組研究獲進展 2017-09-26 武漢植物園 【字體 　　為了更好地研究真雙子葉植物基部類群葉綠體基因組的進化趨勢，中國科學院武漢植物園博士孫延霞對
  • 水生所在杭州西湖生態基底改良和沉水植物修復研究中取得進展
    杭州西湖是我國列入《世界遺產名錄》中的湖泊類文化遺產，也是我國城市景觀湖泊的典型代表，位於太湖流域杭嘉湖片區東部，為封閉式城中淺水湖泊。沉水植被的恢復是西湖生態修復的關鍵，但西湖「香灰土」底質生境使沉水植物難以定植擴繁。
  • 為了光合作用,沉水植物有多努力?
    池塘和湖泊中，早晚的pH變化範圍為7.0-9.0, 那麼CO2在一天之中的濃度可以相差百倍。此外，CO2在水體中的擴散速率僅僅是空氣中的萬分之一，這進一步限制了沉水植物光合作用時CO2的有效供應。為了適應水體無機碳環境，沉水植物都做了哪些努力呢？
  • 武漢植物園在土地利用變化對土壤溫室氣體釋放影響的研究中取得進展
    武漢植物園在土地利用變化對土壤溫室氣體釋放影響的研究中取得進展 2018-01-03 武漢植物園 　　中國科學院武漢植物園土壤生態學課題組博士生張倩和助理研究員吳君君在研究員程曉莉的指導下，以丹江口庫區農田、灌叢和森林為對象，進行為期一年的土壤呼吸及其同位素的測量。研究結果表明，造林顯著增加土壤呼吸，造林顯著增加了土壤有機碳的數量和質量，從而使土壤呼吸增加。
  • 武漢植物園在薔薇科山莓草屬的生物地理學研究中取得進展
    如何理解北溫帶高山，特別是東亞區系中中國-喜馬拉雅植物的進化、遷移和擴散，對探究東亞植物的來源和性質具有重要意義。    中國科學院武漢植物園系統與進化學科組選取具有薔薇科北溫帶高山特徵成分的廣義山莓草開展了親緣地理學研究。
  • 亞熱帶生態所在稻田土壤生物固碳機制研究中獲系列進展
    植物殘體和凋落物經過複雜的分解過程後形成土壤有機碳組分，秸稈還田與有機肥施用也是稻田土壤有機碳的重要來源，由於這兩部分的來源較為直接，目前已有較多研究，認識也較清楚。而來源於根系分泌物及其脫落物的根際沉積碳，由於其代謝周轉快，具有複雜性和多變性，儘管已有一些研究，但還不十分清楚這部分碳的命運（圖1）。
  • 水生植物葉綠體基因組研究中取得進展
    植物葉綠體基因組在理解植物系統發育、植物物種鑑定等方面具有重要作用，而水生植物葉綠體基因組的缺失、平移和倒位現象在水生植物中大量存在，這些現象發生的時期如何？對理解物種的系統發育的作用如何，還需要更多的證據支撐。
  • 武漢植物園土地利用變化過程土壤碳氮耦合機制研究獲進展
    森林恢復能吸收大氣中的二氧化碳並將其固定在植被或土壤中，對於降低大氣中溫室氣體濃度具有十分重要的作用。但目前國內外對此作用的評估具有很大的差異，其原因之一在於缺少對土壤碳積累過程機制的認識，特別是缺乏對土壤碳氮循環耦合機制的認識。該項研究是當前土壤科學的前沿領域。
  • 武漢風景名勝系列第一部之「大美東湖」:第八篇-東湖植物園
    第八篇－東湖植物園位於武漢東湖磨山景區旁的植物園全稱為中國科學院武漢植物園，嚴格意義上並不屬於東湖景區的範疇，不過因地理位置就在大東湖旅遊圈，故納入東湖風景系列。（下文一律簡稱植物園）植物園整個園區佔地面積為70公頃，是集科學研究、物種保存和科普教育為一體的綜合性科研機構，是中國三大核心科學植物園之一，同時也是國家AAAA級旅遊景區。