與陸生植物相比，水生植物的生存環境已經發生了根本性的變化，由此沉水植物演化出了一系列較為特殊的功能性狀，對周圍環境的響應機制也有其特殊之處。武漢植物園水生植物生物學學科組科研人員在水生植物功能性狀及對環境響應研究開展了一系列研究，取得如下進展：
1、沉水植物對不同鹽度的響應
人們對鹽分影響植物生長發育的認知可能已有上千年。實驗中通過設置不同的鹽度梯度，發現穗狀狐尾藻在鹽度5‰條件下原有莖尖會死亡，同時形成新的矮化莖尖。解剖結構的研究表明植物莖尖表皮細胞形態發生顯著變化。相關研究結果以“Responses of five submerged macrophytes to NaCl salinity in a tropical mesocosm study”為題發表在Fundamental and Applied Limnology上。本文第一作者為海南大學陳濤，共同通訊作者為海南大學尹黎燕和武漢植物園操瑜副研究員。論文DOI:10.1127/fal/2020/1303.
2、沉水植物對螺類密度的響應
螺類與沉水植物存在較為復雜的交互作用，一種是通過取食附著藻促進植物的生長，一種是通過直接取食抑制植物的生長。本實驗通過設置不同的螺類密度對四種沉水植物生長與繁殖的影響進行了分析，研究結果表明：高密度條件下，沉水植物生長受到了顯著的抑制，而且不同植物的功能性狀響應也有所不同，莖桿較細的尖葉眼子菜(Potamogeton oxyphyllus)在高密度螺類處理中株高顯著矮于低密度螺類出。相關研究結果以“Responses of four submerged macrophytes to freshwater snail density (Radix swinhoei) under clear-water conditions: A mesocosm study”為題發表在Ecology and Evolution上。本文第一作者是武漢植物園水生植物生物學課題組支永威，通訊作者為操瑜副研究員。論文DOI: 10.1002/ece3.6489。
3、沉水植物對新型污染物的響應
貍藻是大型無根水生植物，通常生長在小湖泊和池塘中。一株貍藻可以擁有成百上千個捕蟲囊來捕獲和消化獵物。這些捕蟲囊（長1-5毫米）由外壁和頂部的單個閥門組成。除了植物表面進行的正常養分吸收外，捕蟲囊還用于捕獲小的獵物，這些獵物是貍藻養分的主要來源。添加新型污染物微塑料的受控實驗結果表明貍藻的生長顯著的受到微塑料的抑制，可能的毒理機制是，貍藻可以通過捕蟲囊攝入大量的微塑料，并且微塑料也可以粘附在植物上。同時，通過模型計算探討了EC50在毒理學中的應用。相關研究結果以“Bladder entrance of microplastic likely induces toxic effects in carnivorous macrophyte Utricularia aurea Lour”為題發表在Environmental Science and Pollution Research上，本文第一作者是武漢植物園水生植物生物學課題組周靖喆，通訊作者為操瑜副研究員。同時以“Letter to the editor: Proteomic responses to silver nanoparticles vary with the fungal ecotype”為題發表在Science of the Total Environment上。本文第一作者是海南大學黃家權教授，通訊作者為江紅生副研究員。論文DOI: 10.1007/s11356-020-09529-y及10.1016/j.scitotenv.2020.140705.
4、沉水植物功能性狀研究（葉片長度和碳酸氫根的利用）
葉片是植物光合作用的重要器官，葉片長度作為植物性狀中的一個重要指標，一直以來都是相關研究的重點。世界上葉片最長的陸生木本植物是棕櫚樹科的Raphia regalis，葉長可達25 m。最長的陸生草本植物百歲蘭屬（Welwitschia）、海芋屬（Alocasia）和Musa的植物葉片可達3 m（除去葉柄）。目前關于陸生植物葉片的最大長度的限制原因已有較多研究，認為最大葉長主要受限于葉脈直徑和葉密度，但對于沉水植物的葉片最大長度及其限制因素仍然是未知的。
具有帶狀葉片的沉水被子植物通常具有較長的葉片，且此類植物的長度通常代表植物的最大高度和捕光能力。本研究通過對淡海水中48種帶狀沉水被子植物的最大葉長數據進行收集整理，發現澳大利亞苦草（Vallisneria australis）的葉片最長，為300 cm（圖1）。鑒于水生被子植物起源于陸生植物，二者具有相似的生理基礎（如營養需求和氧氣輸送），但由于水陸生境的不同，隨著沉水植物對水環境的不斷適應，二者的葉片性狀存在差異較大，因此，限制沉水植物葉片伸長的因素可能與陸地植物不同。研究表明，光照不是調節淡水湖泊中沉水植物最大帶狀葉長的唯一影響因素，其它生物因素（如葉片壽命和密度）和非生物因素（如水力阻力）可能參與調節。該研究是對帶狀葉沉水植物最大葉長限制因素的初步探索，仍需更多相關工作（如葉片壽命）去研究限制其最大葉長的主要因素。相關研究結果以“Is there a maximum length of strap-like leaves for submerged angiosperms?”為題發表在Aquatic Botany上。本文第一作者是武漢植物園水生植物生物學學科組劉洋，通訊作者為操瑜副研究員。論文DOI: 10.1016/j.aquabot.2019.103184。
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；而喀斯特地區水體中的無機碳含量常常非常高，沉水植物的光合無機碳利用策略可能與其他地區不同。本研究選取典型喀斯特地區的一條河流研究河流上下游沉水植物的無機碳利用能力，結果從河流上游到下游優勢的沉水植物的主要無機碳利用途徑從CO2轉變為HCO3- 。相關研究結果以“ Different mechanisms of bicarbonate use affect carbon isotope composition in Ottelia guayangensis and Vallisneria denseserrulata in a karst stream”為題發表在Aquatic Botany上。本文第一作者是武漢植物園水生植物生物學學科組江紅生，通訊作者為海南大學尹黎燕教授。論文DOI: 10.1016/j.aquabot.2020.103310 。
圖1 穗狀狐尾藻對不同鹽度梯度的響應
圖2 不同螺類密度對四種沉水植物生長及繁殖的影響
圖3 新型污染物微塑料對水生植物貍藻的影響
圖4 河流上下游的無機碳形式及沉水植物無機碳利用方式的模式圖
