中科院南海所江志坚：NMT发现碱处理抑制海草叶片H⁺吸收 为探究营养盐胁迫下海草无机碳利用方式的改变机制提供证据

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基本信息

主题：NMT发现碱处理抑制海草叶片H+吸收 为探究营养盐胁迫下海草无机碳利用方式的改变机制提供证据

期刊：科学通报（Chinese Science Bulletin-Chinese）

影响因子：3.1

研究使用平台：NMT盐碱胁迫创新平台

标题：营养盐对泰来草光合无机碳利用方式的影响

作者：中国科学院南海海洋研究所林基桢、江志坚

获奖情况：该成果获得2022-2023年度“中关村优秀NMT成果奖”三等奖

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检测离子/分子指标

H⁺

 

检测样品

海草叶片

 

供稿人简介

林基桢
2016-2020 湖北大学资源与环境学院
2020-2023 中国科学院南海海洋研究所

 

中文摘要

海草光合无机碳利用策略的研究有助于揭示其生态适应机理.然而,目前有关营养盐对海草光合无机碳利用策略的影响方式尚不清楚,亟待开展研究.本研究选取两个受不同程度人类活动影响且环境营养盐差异较大的热带典型海草床(海南岛潭门和西沙永兴岛海域),结合氧电极技术、叶绿素荧光技术和非损伤微测技术,对比探讨海草优势种泰来草(Thalassia hemprichii)光合无机碳利用方式的异同.研究发现,在添加碳酸酐酶抑制剂乙酰唑胺(acetazolamide,AZ)和乙氧苯噻唑胺(6-ethoxyzolamide,EZ)后,潭门海域泰来草光合放氧速率显著降低,但AZ和EZ的抑制差异不大,表明其主要通过胞外碳酸酐酶的作用吸收HCO₃^-;同时添加碱性缓冲液三氨基甲烷盐酸盐(hydroxymethyl,Tris),对潭门泰来草光合放氧的抑制率高达100%,且最大相对电子传递速率和H⁺内流速率降低,表明其存在H⁺/HCO₃^-协同转运方式.然而,在添加AZ和EZ后,西沙永兴岛泰来草光合放氧速率和最大电子传递速率没有显著变化,且Tris缓冲液对其光合放氧的抑制超过100%,并显著降低最大电子传递速率,这表明西沙永兴岛泰来草主要以H⁺/HCO₃^-协同转运为主.因此,处于受人类活动影响较大、营养负荷较高且可利用光较弱的海南岛海域泰来草,既可通过胞外碳酸酐酶催化HCO₃^-转化为CO₂后进入细胞,也可通过H⁺/HCO₃^-协同转运进入细胞;而处于受人类活动影响较少、营养负荷较低且可利用光较强的西沙海域泰来草,则主要依靠H⁺/HCO₃^-协同转运进入细胞.当泰来草面临比较不利的高营养盐与弱光生长环境,需要增加光合无机碳利用策略(如胞外碳酸酐酶的作用),以提高对无机碳的利用能力来满足抗逆和生长的需求,这表明泰来草具有根据地域环境选择性表达无机碳利用方式的能力。

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离子/分子流实验处理方法

海草叶片添加50mmol/LTris处理

 

离子/分子流实验结果

在添加呈弱碱性的Tris缓冲液后,潭门海草叶肉表皮细胞(图4(a))H⁺内流速度显著下降,从空白组的12molcm^-2s^-1降低至6molcm^-2s^-1(图4(b)).这表明Tris碱性缓冲溶液中和H⁺外排形成的酸区,抑制了H⁺/HCO₃^-共转运的途径。

 

图1 非损伤微测技术检测海草叶肉表皮细胞H⁺流速，正值代表外排，负值代表吸收。

 

 

其他实验结果

• 海南岛潭门和西沙永兴岛海域海草床由于受到不同程度人类活动的影响, 两个海草床的环境参数特别是海水和沉积物间隙水营养盐以及海水SS含量存在较大的差异。
• 潭门海域泰来草叶片在添加碳酸酐酶抑制剂后光合放氧速率下降程度显著高于西沙永兴岛海域泰来草叶片光合速率的下降程度。
• 西沙永兴岛海域泰来草的光合放氧速率、最大相对电子传递速率及半饱和光强分别比潭门海域高24.95%、24.54%和28.73%,表明西沙永兴岛海域泰来草的生长状态较好, 光合效率较高

 

结论

本研究发现,处于受人类活动影响较大、营养负荷较高且可利用光较弱的海南岛海域泰来草,对无机碳的摄取主要通过胞外碳酸酐酶催化HCO₃^-水解和质子泵转运形成酸区协助H⁺/HCO₃^-协同转运;而处于受人类活动影响较少,营养负荷较低且可利用光较强的西沙海域泰来草,对无机碳的摄取以H⁺/HCO₃^-协同转运为主.因此,泰来草面临比较不利的高营养盐与弱光生长环境,需要增加光合无机碳利用策略(如胞外碳酸酐酶的作用),以提高对无机碳的利用能力来满足抗逆和生长的需求.这表明泰来草具有根据地域环境选择性表达无机碳利用策略的能力.在技术不断发展的当下,亟需通过海草组学技术、稳定同位素示踪及酶活等联合研究海草对无机碳的利用机制,加深认知和提高海草的碳汇功能。

 

测试液

15 mM NaCl+40 mM KH₂PO₄(pH7.0)

 

NMT仪器信息

·活体培养环境监测仪

·智能自动化非损伤微测系统

文章原文：https://doi.org/10.1360/TB-2022-0796

 

供稿：林基桢

编辑：叶斌，刘兆义

 

关键词：H⁺；光合作用；无机碳；盐胁迫；海草；叶片；植物类

 

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