與陸生植物相比，沉水植物的光合作用環境已經發生了根本性的變化：水分脅迫不再是沉水植物光合作用的主要限制因素，CO₂成為沉水植物光合作用的首要限制因子。雖然CO₂能輕易的穿透生物膜，但它在水中的擴散速率比在空氣中要低10⁴倍，此外由于水體與植物體邊界厚的靜水層的阻擋，使得沉水植物光合作用常受到低CO₂供應的脅迫；尤其在高生產力的湖泊水體中，光合作用對CO₂ 的迅速吸收往往能夠將CO₂的表觀濃度幾乎降低至零。為了適應水體中光合作用的需要，沉水植物在長期的進化過程中發展出了一系列可緩解水體中CO₂供應受限的無機碳利用策略，其中包括對HCO₃^-的利用，以及行使類似陸生植物的C₄代謝或CAM代謝等。這種在碳限制條件下多種碳代謝途徑的轉化誘導，不僅反映了沉水植物光合途徑的多樣性、復雜性，也體現出沉水植物光合生理在進化過程中對生態環境的適應性。因此，對沉水植物無機碳利用策略的研究，一方面可從光合途徑適應性變化的角度揭示沉水植物的生態適應機理；另一方面，可為沉水植物光合作用的適應性進化研究提供參考，豐富植物光合生理適應性進化的認知。水鱉科是一個非常古老的單子葉植物科，起源于70~100 mya 前的Paleocene 或者Cretaceous，其C₄植物很可能先于陸生C₄植物的出現，代表了C₄光合途徑的原型。此外，對水鱉科植物的前期研究表明該科植物呈現出了多樣化的豐富的無機碳利用策略。因此，水鱉科植物是一類理想的水生植物無機碳利用策略的研究對象。武漢植物園李偉研究員團隊就水鱉科沉水植物的無機碳利用策略的研究新進展報道如下： 

1）龍舌草（Ottelia alismoides）是水鱉科一種具有異形葉性的沉水植物，在植物的生長發育過程中葉片表現出不同的形狀，從植株幼苗期到成熟期根據葉片的形態可以大致劃分為線形葉，披針形葉和卵圓形葉。前期研究表明龍舌草成熟時期的葉片具備多種無機碳利用策略(HCO₃^-利用，C₄代謝，CAM代謝)，且可隨著環境中CO₂濃度進行調節。線形葉作為龍舌草發育過程中初始階段的葉片，其是否具備多樣化的無機碳利用策略，其結構基礎如何，尚不得而知。圍繞龍舌草線形葉展開的研究工作發現，龍舌草線形葉在高低碳條件下均可利用HCO₃^-，低碳下可誘導產生CAM和C₄代謝。通過與以往研究結果進行綜合比較分析發現，龍舌草異形葉的無機碳利用策略隨著植株的生長發育而逐漸增強且多樣化。此外，通過解剖結構觀察，線形葉僅由3層細胞組成，且有大量氣腔。其解剖結構與卵圓形葉相比葉肉層數較少，氣腔的橫截面積約是卵圓形葉片的66.7%，但是氣腔占葉片橫截面積的比例卻高于卵圓形葉。低碳下的龍舌草線形葉表皮細胞葉綠體的淀粉含量要顯著低于葉肉細胞的葉綠體內淀粉含量，推測這兩類葉綠體與低碳條件下線形葉行使C₄途徑有一定關聯，但兩者之間的具體關系仍需要進一步研究。相關研究結果以“Response of anatomy and CO₂-concentrating mechanisms to variable CO₂ in linear juvenile leaves of heterophyllous Ottelia alismoides: Comparisons with other leaf types”為題發表在Environmental and Experimental Botany上。論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.envexpbot.2020.104194。 

2）揭示了水鱉科沉水植物龍舌草（Ottelia alismoides）HCO₃^-利用的具體機制。通過pH-drift技術，結合CA酶和陰離子交換蛋白特異性抑制劑的使用，并輔助轉錄組學研究，以成熟龍舌草葉片為研究對象，發現胞外α-CA1催化的HCO₃^-與CO₂的相互轉化以及SLC4介導的HCO₃^-的直接轉運在龍舌草HCO₃^-利用中發揮了重要作用。同時建立了模型以量化以下各路徑a，CO₂被動擴散進入細胞；b，HCO₃^-靜水層擴散后在質膜處通過α-CA1轉化為CO₂擴散進入細胞；c，HCO₃^-靜水層擴散后在質膜處通過SLC4轉運子直接進入細胞，對龍舌草光合無機碳吸收利用的貢獻比值：隨著環境中無機碳的不斷被消耗，當CO₂濃度從~50μM下降到~9μM時，abc路徑對龍舌草總無機碳吸收利用的貢獻率分別從55.7%，42.7%，1.6%變化為24.0%，64.4%，11.5%。當CO₂濃度進一步降低至~1μM時，a路徑在龍舌草對總無機碳吸收中的貢獻接近0，bc路徑持相同的貢獻率。相關研究結果以“External α-carbonic anhydrase and solute carrier 4 are required for bicarbonate uptake in a freshwater angiosperm”為題發表在Journal of Experimental Botany上。論文鏈接：https://doi.org/10.1093/jxb/eraa351。

3）沉水植物不僅受到碳限制的脅迫，也經常遭受水體中重金屬的脅迫。鎘，被列為人類致癌物，主要通過工業過程或通過施用磷肥分散到水生態系統中。 Cd在水中的高溶解度有助于其在水生系統中的廣泛分布；與其他金屬相比，其相對較高的遷移率使其成為人們關注的主要金屬。鎘易被植物吸收并引起包含生理、生化及遺傳變異等諸多方面的植物毒性，在受Cd影響的所有代謝途徑中，光合代謝對Cd尤其敏感。沉水植物無機碳利用策略對低碳及重金屬的聯合脅迫的響應以水鱉科龍舌草為對象展開了研究。結果顯示，Cd暴露對低碳下的龍舌草葉綠素合成、葉綠體超微結構都有損傷；葉綠素熒光、δ¹³C均顯著降低。pH-drift顯示Cd暴露后的龍舌草葉片無HCO₃^-利用能力；通過C₄/CAM關鍵光合酶及晝夜酸度波動的測試，表明Cd暴露后龍舌草C₄及CAM代謝受阻。Cd對龍舌草CCMs功能的影響與CA及PEPC等關鍵酶及葉綠體結構受損有關。相關研究結果以“Responses of CO₂-concentrating mechanisms and photosynthetic characteristics in aquatic plant Ottelia alismoides following cadmium stress under low CO₂”為題發表在Ecotoxicology and Environmental Safety上。論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2020.110955。 

4) 水菜花（Ottelia cordata）為水鱉科的一種多年生水生植物，分布在中國、柬埔寨、緬甸和泰國；它具有線形或披針形的沉水葉和卵/心形浮水葉。水菜花在其生長發育周期的第一年生長披針形沉水葉，第二年開始長出卵形浮水葉片，此后只更新浮水葉片，待沉水葉片全部衰敗以后以浮水葉根生的方式生活。以水菜花浮水葉為研究對象，研究了其解剖結構及無機碳利用策略對環境水體中CO₂變化的響應。研究結果顯示，水菜花浮水葉上表面分布有氣孔，高碳下最突出的結構變化響應是顯著增加的上表皮細胞橫截面積以及細胞寬度。這種高CO₂條件下表皮細胞面積擴增的結構響應可能會通過增大CO₂向胞內的擴散面積而對光合作用產生影響。就CCMs而言，無論CO₂濃度高低，水菜花的浮水葉都能利用HCO₃^-；酶學分析及有機酸波動模式的測試表明水菜花浮水葉僅在低CO₂條件下運行CAM，高低CO₂條件下均能進行C₄代謝。本研究結果闡明了水菜花浮水葉不僅可以利用空氣中CO₂，也能依賴于水體中CO₂及HCO₃^-進行光合固碳，且固碳方式會隨著環境中CO₂濃度進行調節。其體內為避免無效碳固定的多種碳利用方式之間的調節機制還需要進一步深入研究。相關研究結果以“Responses of leaf anatomy and CO₂ concentrating mechanisms of the aquatic plant Ottelia cordata to variable CO₂”為題發表在Frontiers in plant science上。 

論文鏈接：https://doi.org/10.3389/fpls.2020.01261。以上研究得到中國科學院戰略性先導科技專項（B類）（XDB31000000)、中國科學院國際人才計劃(2015VBA023, 2016VBA006)和國家自然科學基金（31970368）的資助，以及英國生態水文中心Stephen C. Maberly教授、法國國家科學研究院（CNRS）酶學和復合大分子實驗室Brigitte Gontero-Meunier教授的指導。

　　龍舌草無機碳獲取機制模式圖