水生所在浮萍混合营养的代谢机制研究中取得新进展

发布时间: 2023-04-02 09:30:08 浏览次数 : 494 来源:中国科学院大学

浮萍是浮萍科(Lemnaceae)水生植物的统称，包含紫萍、少根紫萍、浮萍、扁无根萍和芜萍5个属，共36个种，在世界各地广泛分布。浮萍结构简单(仅具有特化的叶状体或与不定根组成)，个体微小，是生长速率最快的高等植物类群之一(16-48小时内生物量加倍)。适宜条件下，浮萍年生物量积累可达106吨/公顷，远高于传统农作物。基于浮萍在结构、功能和代谢上的特性，被广泛用于光合作用、形态建成和遗传进化等机理研究。同时，浮萍在解决人类面临的食物、健康、能源和环境等问题方面也有重要的应用价值。因此，浮萍是集基础研究与产业应用于一身的重要植物资源。

图1. 紫萍在不同营养条件下的表型。a，自然环境下的紫萍;b，异养;c，混合营养;d，自养

近年来，中国科学院水生生物研究所侯宏伟团队研究发现，紫萍不是严格的自养植物，不仅营自养生长，还可以代谢多种有机碳进行混合营养、异养和光异养生长，具有营养模式的多样性(Sun et al.，2022a)。不同营养条件下紫萍在形态(图1)、生长和生理指标等方面具有显著差异，表型可塑性强(Sun et al.，2022b。封面文章)。同时，他们发现混合营养紫萍的生长速率远高于异养和自养紫萍之和，表明在混合营养条件下紫萍的光合生长和异养代谢具有协同效应，并不是两者的简单相加(Sun et al.，2020)。然而，混合营养紫萍具体的代谢调控机制仍不清楚。

近日，该团队以紫萍(Spirodela polyrhiza 7498)为实验材料，结合表型组、蛋白质组和代谢组等技术手段解析了其在不同营养条件下的代谢特性，揭示了混合营养的代谢调控机制(Sun et al.，2023)。

图2. 紫萍在不同营养条件下的光呼吸代谢

他们发现，紫萍作为C3植物，具有类似于C4植物的CO2浓缩机制(C4-like carbon-concentrating mechanism，CCM)。与自养紫萍相比，混合营养紫萍的CO2浓缩和光合作用受到显著抑制，表明混合营养紫萍减少了对光合生长的依赖。而混合营养紫萍的呼吸作用(糖酵解、三羧酸循环、磷酸戊糖和厌氧发酵)活性显著高于自养紫萍，导致细胞内CO2浓度升高，CO2浓度降低。高浓度的CO2能够满足紫萍光合作用对外界CO2的需求，同时也抑制了光呼吸和氧化损伤的发生，避免了物质和能量的大量浪费，提高了紫萍有机碳利用效率(图2和3)。

此外，他们还探讨了混合营养的生态学意义。通常认为高等植物是严格的自养生物，该研究表明，至少在淡水生态系统中情况并非如此，混合营养模式具有普遍性。而且，混合营养中异养/自养的比率会显著影响碳循环。该工作为高等植物营养模式研究提供了重要的研究体系(Sun et al.，2023)。

图3. 紫萍在不同营养条件下的代谢特性

近日，该研究以“Metabolic flexibility during a trophic transition reveals the phenotypic plasticity of greater duckweed (Spirodela polyrhiza 7498)”为题，在线发表于 New Phytologist(https://nph.onlinelibrary.wiley.com/share/H4TYKC5MRBT8XSKSAE9P?target=10.1111/nph.18844)。博士研究生孙作亮为论文第一作者，侯宏伟研究员为通讯作者。该研究得到了中国科学院国际伙伴关系计划项目(152342KYSB2020021)和国家自然科学基金(32201285、32001107和32101254)的支持。

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