Photosynth Res:兩種大型淡水植物二氧化碳濃縮機制

2020-12-08 生物谷

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，水中自由CO2擴散緩慢，這些因素使水生植物普遍受到低濃度無機碳的脅迫。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。

中國科學院武漢植物園水生植物生物學學科組碩士研究生張藝之在尹黎燕副研究員的指導下，利用pH-drift 技術、Gran滴定、晝夜酸度滴定、光合關鍵酶活性的測定等方法，研究了高濃度（～400 μmol L-1）、低濃度（～5 μmol L-1) CO2對水鱉科植物龍舌草（Ottelia alismoides）和海菜花（Ottelia acuminata）光合CO2濃縮機制的影響。結果表明：兩種植物都具有利用水中HCO3-的能力，提取吸收水中無機碳的能力較強。龍舌草存在夜晚酸積累現象，晝夜？H+為34μequiv g-1FW，可能存在景天酸代謝機制。不同處理後，海菜花的PEPC/Rubisco的值均為1.8，龍舌草高濃度處理後為2.8，低濃度處理後比值為5.9；PEPC、PPDK的活性增加約2倍；兩種植物的脫羧酶NADP-ME活性都很低，而龍舌草的NAD-ME活性隨著PEPC活性增加而增加。表明龍舌草儘管沒有Kranz結構，但可能是NAD-ME亞型的C4植物。研究結果，表明水鱉科的海菜花和龍舌草有著不同的光合CO2濃縮機制來獲取無機碳。

本文為水生植物中發現新的擬C4植物與CAM植物種類、闡明環境因子在水生植物無機碳利用策略選擇中的作用、為高等植物C4與CAM光合途徑的起源、進化及其生態學意義提供一定理論依據，為通過基因工程手段提高植物光合碳同化效率奠定基礎。

本研究受到中國科學院外國專家特聘研究員計劃(2010T2S14， 2013T1S0021) 和國家自然科學基金 (30700083)的資助。相關研究成果已在植物學領域期刊Photosynthesis Research上發表。（生物谷Bioon.com）

生物谷推薦的英文摘要

Photosynthesis Research                        doi:10.1007/s11120-013-9950-y

Biochemical and biophysical CO2 concentrating mechanisms in two species of freshwater macrophyte within the genus Ottelia (Hydrocharitaceae)

Yizhi Zhang， Liyan Yin， Hong-Sheng Jiang， Wei Li， Brigitte Gontero， Stephen C. Maberly

Two freshwater macrophytes， Ottelia alismoides and O. acuminata， were grown at low (mean 5 μmol L1) and high (mean 400 μmol L1) CO2 concentrations under natural conditions. The ratio of PEPC to RuBisCO activity was 1.8 in O. acuminata in both treatments. In O. alismoides， this ratio was 2.8 and 5.9 when grown at high and low CO2， respectively， as a result of a twofold increase in PEPC activity. The activity of PPDK was similar to， and changed with， PEPC (1.9-fold change). The activity of the decarboxylating NADP-malic enzyme (ME) was very low in both species， while NAD-ME activity was high and increased with PEPC activity in O. alismoides. These results suggest that O. alismoides might perform a type of C4 metabolism with NAD-ME decarboxylation， despite lacking Kranz anatomy. The C4-activity was still present at high CO2 suggesting that it could be constitutive. O. alismoides at low CO2 showed diel acidity variation of up to 34 μequiv g1 FW indicating that it may also operate a form of crassulacean acid metabolism (CAM). pH-drift experiments showed that both species were able to use bicarbonate. In O. acuminata， the kinetics of carbon uptake were altered by CO2 growth conditions， unlike in O. alismoides. Thus， the two species appear to regulate their carbon concentrating mechanisms differently in response to changing CO2. O. alismoides is potentially using three different concentrating mechanisms. The Hydrocharitaceae have many species with evidence for C4， CAM or some other metabolism involving organic acids， and are worthy of further study.

相關焦點

  • 研究揭示工業產油微藻二氧化碳濃縮機制全局特徵
    中國科學院青島生物能源與過程研究所單細胞中心等發現，作為一種工業產油微藻，微擬球藻細胞集至少三種碳濃縮機制（CO2 Concentrating Mechanism，CCM）的特徵於一身。這一全局性的CCM系統結構藍圖的揭示，為在工業微藻中設計和改造「超級二氧化碳固定模塊」奠定了基礎。目前地球大氣中的CO2含量約0.04%。
  • 武漢植物園在沉水植物光合碳濃縮機制研究中取得進展
    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
  • 科學網—揭示藍藻光合固碳關鍵酶的作用機制
    中國科學技術大學
  • 中國科大在藍藻光合作用功效調控機制研究中獲重大突破
    藍藻光合作用中，一種名為「Rubisco」的酶發揮著關鍵作用，但是其工作機制長期未被認識。中國科學技術大學周叢照和陳宇星課題組經長期研究，闡明了藍藻RuBisCO酶組裝的分子機理，發現RuBisCO成熟過程的多層次精細動態調控網絡，為人工改造RuBisCO、提高光合作用效率奠定了基礎。
  • 藍藻光合作用功效調控機制研究獲突破—新聞—科學網
    科學家發現，藍藻中含有一種名為「Rubisco」的酶在光合作用中發揮著關鍵作用，但是其工作機制卻長期未被認識。 中國科學技術大學周叢照和陳宇星課題組經過長期的研究，闡明了藍藻RuBisCO酶組裝的分子機理，發現RuBisCO成熟過程的多層次精細動態調控網絡，為人工改造RuBisCO以提高光合作用效率奠定了基礎。相關研究成果5月25日在線發表於《自然—植物》。
  • 海洋吸收二氧化碳的原理機制簡介
    海洋中的無機碳——其一是指含碳的無機鹽；其二是指溶於海水中的二氧化碳，其在海水中的存在形式是：氣體二氧化碳、二氧化碳(水化)、碳酸、碳酸根離子、碳酸氫根離子等,其中碳酸氫根佔大多數，以這些形式存在的二氧化碳是供給海洋初級生物進行光合作用的碳源。
  • 中科大揭示藍藻光合作用關鍵機制
    上述最新研究成果於5月25日在線發表在《自然-植物》上。    藍藻不是植物卻能進行光合作用並放出氧氣，其光合作用在地球大氣環境有氧化的進程中起到十分重要的作用，而且也是無機態的碳進入生物圈的重要途徑。科學家發現，藍藻中含有一種名為「RuBisCO」的酶在光合作用中發揮著關鍵作用，但是其工作機制卻長期未被認識。
  • 假如地球所有海水全部變成淡水,會發生什麼奇異變化?
    急缺淡水地球上水資源十分豐富，地球有72%的面積被水覆蓋，陸地生物僅能使用淡水，淡水佔全部水資源僅為2.5%，這2.5%淡水中有87%是人類難以利用的，主要分布在地球兩極冰川、高山冰川等地區。1天過後地球大氣中含有大量氧氣，供人類和其他生物生存，初中生物課本知道，地球氧氣主要通過綠色植物光合作用得到的。然而空氣中的大多數氧氣，不是來自於我們身邊的樹木和植物，而是來自於海洋中的藻類。海藻已經在地球上生活了35億年，正是因為他們的存在才使得地球空氣中逐漸富氧。
  • 膜分離,膜濃縮-植物提取液分離純化|世達膜科技
    中藥植提類產品濃縮純化工藝路線圖膜分離,膜濃縮-植物提取液二、工藝流程簡述：>植物加水/醇溶劑，經煮提後的提取液首先通過微濾預處理系統過濾去除大部分可見性固體顆粒、 植物殘渣等， 替代傳統的板框過濾等工藝， 對料液進行澄清除雜，以提高下道膜系統進料液的質量。
  • 海水變成淡水僅10分鐘完成,還能消耗二氧化碳,全球變暖有救了?
    海水變成淡水僅10分鐘完成，還能消耗二氧化碳，全球變暖有救了？用水一直是迫在眉睫需要解決的難題，人口數量的不斷增加，水資源需求量變得越來越大，雖然地球上超過71%都被水所覆蓋，但是無法被直接利用，因為生命體所需要的是淡水資源。
  • 武漢大學Nature：人工光合作用讓二氧化碳「變廢為寶」
    該研究系統探究了MOF介孔孔道定製TiO2生長的理論機制，最終實現了半導體納米材料在MOF中的無損填充。兩種材料特性的高效協同，將拓展出一系列新型的人工光合作用催化劑。，而且能夠有效減少生態環境中二氧化碳的含量。
  • 夜間也能吸收二氧化碳釋放氧氣的植物,這兩種好養還助睡眠
    生命活動都需要消耗能量，所以花草樂小編今天就跟大家來聊聊夜間也能吸收二氧化碳，臥室必備的花草夜間也能釋放氧氣，感興趣的朋友一起來看看吧！夜間也能吸收二氧化碳釋放氧氣的植物 長壽花1、夜間沒有陽光的照射，所以植物不能進行光合作用
  • 如果海水都變成了淡水,除了你可以趴在海裡喝水,還會發生什麼?
    這是一個多麼令人嚮往的事情啊，可是想要實現這個幻想，我們得先把海水變成淡水，才能直接喝大海裡的水，不然沒有人受得到海水中鹽的味道。但這會發生什麼呢，我們一起來看看吧。如今淡水資源匱乏，是人類面臨的嚴峻問題。
  • 天天想著海水淡化,如果海水真的變成淡水了,很危險
    很久很久以前，地球上所有的水都是淡水。大約38億年前，當地球表面冷卻水蒸氣變成液體的時候，地球上的水就是淡水。然而，這並沒有持續多久。地球冷卻後不久，氣候循環就開始了。每當下雨時，大氣中的二氧化碳就會溶解到下落的水中，使雨水呈微酸性。微酸的雨侵蝕巖石，將巖石中能溶解的和未溶解的鬆散鹽和礦物質帶入水中，最終進入了海洋。
  • 淡水石斑魚人工我們該怎麼來養殖
    淡水石斑魚原產地於中美洲尼加拉瓜，石斑魚是一種生長發育更快、耐氧合、抗病能力強的淡水魚，並且外觀設計美觀大方、肉質地美味、營養價值豐富多彩，既能夠作為貨品魚，又能夠作為欣賞魚類，那麼，淡水石斑魚可以人工養殖嗎，下邊一起來了解一下淡水養殖時留意的難題。
  • 研究揭示中國淡水生物多樣性保護的生態學機制
    研究揭示中國淡水生物多樣性保護的生態學機制 中國科學院微信公號「中科院之聲」 2019-09-27 14:40
  • 超臨界技術萃取植物成分 減少汙染降成本(圖)
    這種超濃縮的「油」是利用特殊方法製成的，這種方法叫超臨界流體二氧化碳法，這種方法萃取出的植物元素無汙染也無溶劑殘留。城陽區一家公司利用技術優勢製作出了萬升級萃取設備，降低了超臨界流體二氧化碳萃取技術的成本，將這種技術的應用得以推廣，該技術獲得了青島市科技局的科技型中小企業技術創新基金支持。
  • 青島能源所通過代謝工程提升工業產油微藻固定二氧化碳效率
    工業產油微藻能通過光合作用將二氧化碳與光能大規模地轉化為油脂，因此作為一種清潔能源生產和二氧化碳高值化的潛在方案，在國內外受到了廣泛關注。針對如何提升工業產油微藻的固碳能力這一關鍵問題，中國科學院青島生物能源與過程研究所示範了一種通過調控RuBisCO（核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶）的激活酶來增強細胞固碳活性，從而大幅度提高微藻生物質與油脂產率的策略。
  • 【知識拓展】C3植物、C4植物和CAM植物
    對於小麥、水稻等大多數綠色植物來說，在暗反應階段，一個二氧化碳被一個五碳化合物（C5）固定以後，形成的是兩個三碳化合物（C3）。