作為水域生態系統和濕地生態系統的重要要素之一，水生植物對于湖泊生產力建設以及地球化學循環具有極其重要的影響。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，使得沉水植物普遍受到低濃度無機碳的脅迫。為此，沉水植物進化了一系列的碳濃縮機制（CCM），包括對HCO3- 的利用、C4途徑和CAM（景天酸代謝）途徑等。研究沉水植物的光合碳濃縮機制對更好地理解水生植物光合碳同化途徑的起源、進化以及生態適應性都具有重要意義。
龍舌草（Ottelia alismoides）是目前唯一發現的一種HCO3- 的利用、C4途徑和CAM途徑共存的一種水鱉科沉水植物。武漢植物園碩士生邵會在李偉研究員和黃文敏副研究員的指導下，研究了龍舌草在不同時間尺度，不同光照強度和CO2條件下體內光合碳濃縮機制的響應與調控。結果發現，無論高、低CO2條件下，磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（PEPC）和1-5-二磷酸核酮糖羧化酶（Rubisco）的比值>5，表明龍舌草運行C4途徑。高光、低CO2處理下龍舌草的晝夜酸度差可高達17-25 μequiv g-1 FW，而高CO2處理后的龍舌草無顯著的晝夜酸度差，表明低CO2處理后龍舌草被誘導出CAM途徑。在長期馴化和短期暴露實驗中，即使在暗周期結束時PEPC和PPDK都仍呈現出較高活性，這保證了夜間蘋果酸的持續累積以及白天的碳固定。龍舌草在光周期開始時即以2-3μequivg-1 FWh-1的速率進行脫羧反應，且高光下的脫羧速率顯著高于低光條件；而經過高碳的短期暴露（晝夜），其在白天仍進行正常的脫羧反應，表明龍舌草白天脫羧時不受外界高CO2濃度的影響。通過計算龍舌草CAM途徑固定濃縮的CO2對光合作用的貢獻，比率可達21%；然而龍舌草夜間蘋果酸的積累合成所捕獲的CO2僅只有呼吸釋放CO2的6%。總結以上實驗結果，龍舌草碳濃縮機制對外界條件光、CO2的變化呈現出不同的響應特征；無論高、低碳環境，龍舌草都能運行C4途徑；低碳下CAM途徑可被誘導產生，并且白天蘋果酸的脫羧速率受光照強度調節，夜間酸度的累積受環境中CO2濃度調節。
本研究得到中國科學院“國際人才計劃”國際訪問學者項目（2015VBA023，2016VBA006）、國家重點基礎研發計劃（2016YFA0601000）和國家自然科學基金（31460089）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教授的熱情指導。相關結果發表在Journal of Experimental Botany上（DOI：10.1093/jxb/erx064）。
不同光照和CO2濃度對龍舌草光合參數的影響
