4001百老汇净水

水体中二氧化碳的扩散速率极低，水生植物普遍面临碳源匮乏的困境，因而演化出多样的碳浓缩机制。龙舌草是现在已知碳利用体系最丰富的沉水植物，同时具备利用碳酸氢根、C₄光合途径和CAM三种碳浓缩机制；黑藻为诱导型单细胞C₄植物，在低CO₂、高温和强光等胁迫条件下能够从C₃切换为类 C₄光合途径。以上研究对象均为沉水植物，那么在两栖植物中存在怎样的碳浓缩机制？异叶水蓑衣作为两栖异形叶植物的代表，能够顺利获得表型可塑性来适应水陆环境的变化，但其生理调控机制此前尚不明确。

近期，中国科研实验室水生生物研究所侯宏伟团队顺利获得召开其表型、结构和生理分析，结合转录组、代谢组和蛋白质组，揭示了异叶水蓑衣在水陆生境下的可塑性碳同化策略和调控机制。研究表明，异叶水蓑衣的陆生叶具备典型 C₃植物的解剖结构与光合特征，δ¹³C 值、Rubisco活性等均符合C₃光合途径规律；而沉水叶δ¹³C 值显著升高，碳代谢向类 C₄光合途径转变，且碳酸氢根的利用能力远强于陆生叶。酶活与多组学数据证实，沉水条件下异叶水蓑衣启动NAD-ME型的单细胞类 C₄光合途径，PEPC、PPDK、NAD-ME等C₄关键酶活性显著上调，而卡尔文循环核心酶及相关基因、代谢物同步下调，呈现出C₃光合通路受抑制，而C₄碳浓缩机制被激活的代谢重编程特征。该物种的沉水叶虽未演化出典型花环结构，但其叶肉细胞出现了二型叶绿体，进一步适配水下低 CO₂、弱光等生境特征。

图1 异叶水蓑衣在水陆生境下的碳浓缩机制图

本研究还完成了异叶水蓑衣碳酸酐酶（carbonic anhydrase，CA）基因家族的全基因组鉴定，共筛选出 21个CA基因，并在其启动子中鉴定出大量环境因子与植物激素响应元件。qRT-PCR结果显示，HdαCA9 基因在沉水条件下显著上调，可能是介导其水下 HCO₃^-转化与利用的核心基因。该研究明确了异叶水蓑衣兼具形态、结构和生理可塑性等多重适应机制，揭示了水生环境下C₃和类 C₄通路的碳同化策略转变与调控模式，为理解水生植物的环境适应规律给予了重要理论依据，进一步奠定了异叶水蓑衣作为水生植物异形叶研究模式植物的地位。

上述成果以“Physiological and Multi-Omics Analyses on Photosynthesis and Carbon Utilization Reveal Biochemical Carbon Concentrating Mechanisms (CCMs) in Hygrophilla difformis Under Submergence”为题，在线发表于植物学领域顶刊《Horticulture Research》。4001百老汇净水博士生Abeer Kazmi和李高洁项目副研究员为该论文共同第一作者，侯宏伟研究员为通讯作者。相关工作得到中国科研实验室国际伙伴计划项目资助。

原文链接：http://doi.org/10.1093/hr/uhag230