（微生物学专业论文）三种沉水植物无机碳利用机制研究.pdf

f o rt h em s d e g r e ei nm i c r o b i o l o g y b y l i ul i n g l i n g p o s t g r a d u a t ep r o g r a m c o l l e g eo f l i f es c i e n c e s c e n t r a lc h i n an o r m a lu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r y a n gs h a o a c a d e m i ct i t l e p r o f e s s o r s i g n a t u m 庭 趁选 a p p r o v e d m a y 2 0 1 1 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授叔说明 原创声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师指导下 独立进行研究工作 所取得的研究成果 除文中已经标明引用的内容外 本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果 对本文的研究做出贡献的个人和集体 均已在 文中以明确方式标明 本声明的法律结果由本人承担 作者签名 翻桂日期 加i f 年箩月弓1 日 学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解华中师范大学有关保留 使用学位论文的规定 即 研 究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华中师范大学 学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许学位论文被查阅和借阅 学校可以公布学位论文的全部或部分内容 可以允许采用影印 缩印或其它复制手 段保存 汇编学位论文 保密的学位论文在解密后遵守此规定 保密论文注释 本学位论文属于保密 在 年解密后适用本授权书 非保密论文注释 本学位论文不属于保密范围 适用本授权书 作者签名 玉i 馐 龟 日期 伽l1 年箩月弓1 日 导师签名 端笋 日期 洲年厂月弓1 日 本人已经认真阅读 c a l i s 高校学位论文全文数据库发布章程 同意将本人的 学位论文提交 c a l i s 高校学位论文全文数据库 中全文发布 并可按 章程 中的 规定享受相关权益 回童途塞堡童卮澄卮 旦坐生 旦二玺 旦三生筮查 作者签名 面1 在住 日期 伽l f 年5 月3 1 日 导师签 日期 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 摘要 蓖齿眼子菜 p o t a m o g e t o n p e c t i n a t u sl 微齿眼子菜 p o t a m o g e t o nm a a c k i a n u s 和穗花狐尾藻 m y r i o p h y l l u ms p i c a t u ml 是我国三种常见的大型沉水植物 是富营 养化水体沉水植被恢复的理想材料 国内外关于这三种沉水植物的生长及光合特点 做了大量研究 但是关于这三种沉水植物对水体中可溶解性无机碳 d i s s o l v e d i n d r g a n i cc a r b o n d i c 的利用效率及其主要影响因素 以及可能存在的d i c 利用机 制尚未完全阐明 本研究以蓖齿眼子菜 微齿眼子菜和穗花狐尾藻为实验材料 采 用p h 漂移技术 比较了三种沉水植物的无机碳利用效率 结合对胞外碳酸酐酶 c a r b o n i ca n h y d r a s e c a 活性研究以及胞外碳酸酐酶抑制剂对三种沉水植物无 机碳利用量的影响的研究 探究了三种沉水植物d i c 利用机制 以及这种机制对三 种沉水植物d i c 整体利用水平的贡献 并探究了不同p h 值下的无机碳水平对三种 沉水植物的无机碳利用能力以及生理和生长的影响 p h 漂移实验结果表明 三种沉水植物都存在利用h c 0 3 的能力 但利用效率存 在差异 与蓖齿眼子菜相比 穗花狐尾藻和微齿眼子菜都表现出较强的h c 0 3 利用 能力 在自然水体条件的碳源水平下 随着p h 值升高 三种沉水植物利用无机碳 的能力均显著下降 并且三种沉水植物的生物量及叶绿素含量也都随p h 的升高表 现出下降的趋势 这说明水体中的d i c 含量随p h 的升高而降低 从而对三种沉水 植物的生理和生长也产生了影响 通过加入胞外c a 抑制剂 发现三种沉水植物无机碳利用率均下降了5 0 左右 表明胞外c a 在三种沉水植物利用水体无机碳的过程中起到了重要作用 但对三种 沉水植物无机碳利用量的贡献率则不同 对穗花狐尾藻的贡献率最大 其无机碳利 用率下降了6 2 随着p h 值 p h 7 1 0 的升高 三种沉水植物的胞外c a 活性均表现出先升高 后下降的趋势 在p h 为8 时胞外c a 活性均达到最大值 表明此时胞外c a 的活 性被完全激活 但随着p h 的进一步升高和d i c 浓度的下降 胞外c a 活性均有所 下降 表明胞外c a 活性受水体中无机碳浓度诱导产生的 通过本实验 证明了穗花狐尾藻和微齿眼子菜有较强的利用水体中d i c 的能 力 穗花狐尾藻较宽的p h 范围内仍表现出优于其余两种沉水植物的生长速率 表 明穗花狐尾藻比较适合作为富营养化水体中沉水植物修复的先锋物种 关键词 沉水植物 无机碳利用 碳酸酐酶 p h 值 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s a b s t r a c t p o t a m o g e t o np e c t i n a t u s p o t a m o g e t o nm a a c k i a n u sa n dm y r i o p h y l l u ms p i c a t u mi s t h r e eg o m m o ns u b m e r g e dm a c r o p h y t e si no u rc o u n t r y t h e ya r ei d e a lm a t e r i a l sf o rt h e r e v e g e t a t i o no fs u b m e r g e dp l a n t si ne u t r o p h i cl a k e sa n dr i v e r s t h e r eh a v eb e e nal o to f r e s e a r c h e so nt h eg r o w t ha n dp h o t o s y n t h e t i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h et h r e ec o m m o n s u b m e r g e dm a c r o p h y t e sa l la r o u n dt h ew o r l d h o w e v e r t h ed i s s o l v e di n o r g a n i cc a r b o n u s ee f f i c i e n c y t h ei n f l u e n c i n gf a c t o r sa n dt h em e c h a n i s m si n v o l v e di nc a r b o nu s eo f t h e ma r en o tf u l l ye l u c i d a t e d i nt h i sp a p e r w ec h o s ep o t a m o g e t o np e c t i n a t u s p o t a m o g e t o nm a a c k i a n u sa n dm y r i o p h y l l u ms p i c a t u ma st h ee x p e r i m e n t a lm a t e r i a l s t h e i n o r g a n i cc a r b o nu t i l i z a t i o ne f f i c i e n c yo ft h e mw a sc o m p a r e du s i n gp hd r i f tt e c h n i q u e t h ee x t r a c e l l u l a rc a r b o n i ca n h y d r a s ea c t i v i t yw a sm o n i t o r e d a n dt h ee x t r a c e l l u l a r c a r b o n i ca n h y d r a s ei n h i b i t o r sw e r eu s e dt od e t e r m i n et h ec o n t r i b u t i o no fe x t r a c e l l u l a r c ap a t h w a yt ot h ei n o r g a n i cc a r b o nu s eo ft h et h r e es p e c i e s a ss u c hp a t h w a yw a s s u g g e s t e dt ob ei m p o r t a n ti nt h ei n o r g a n i cc a r b o nu s eo fp l a n t s t h ei m p a c t so fn a t u r a l l e v e lo fi n o r g a n i cc a r b o nc o n c e n t r a t i o ni nt h ew a t e r c o l u m no nt h e i ri n o r g a n i cc a r b o n u s ee f f i c i e n c ya n dg r o w t hw e r ei n v e s t i g a t e da td i f f e r e n tp hv a l u e s t h er e s u l t so ft h ep hd r i f te x p e r i m e n ts h o w st h a t a l lo ft h et h r e es u b m e r g e da q u a t i c p l a n t sc a nu s eh c 0 3 a si n o r g a n i cc a r b o nr e s o u r c e s b u ts i g n i f i c a n td i f f e r e n c e ss h o w e di n t h eu s ee f f i c i e n c y c o m p a r i n gw i t hp o t a m o g e t o np e c t i n a t u s p o t a m o g e t o nm a a c k i a n u s a n dm y r i o p h y l l u ms p i c a t u ms h o w e ds t r o n g e rh c 0 3 u s ec a p a b i l i t i e s a sp hv a l u e i n c r e a s e da n dt h en a t u r a lc o n c e n t r a t i o no fi n o r g a n i cc a r b o ni nt h ew a t e r c o l u m nw a sk e p t t h ea b i l i t yo fi n o r g a n i cc a r b o nu s eo ft h et h r e es p e c i e sa l ld e c r e a s e d a n ds ow a st h e i r b i o m a s sa n d c h l o r o p h y l l c o n t e n t t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a t i n o r g a n i c c a r b o n c o n c e n t r a t i o nd e c r e a s e dw i t ht h eh i g hp hl e v e l w i t c hw a sr e s p o n s i b l ef o rt h eg r o w t ho f t h et h r e es u b m e r g e dp l a n t s t h ei n o r g a n i cc a r b o nu t i l i z a t i o na b i l i t yo ft h et h r e ek i n d so fs u b m e r g e dp l a n t s d e c r e a s e db y5 0 o re v e nm o r eb yt h ea d d i t i o no ft h ee x t r a c e l l u l a rc ai n h i b i t o r s i n d i c a t i n gt h a te x t r a c e l l u l a rc ap l a y e da ni m p o r t a n tr o l ei nt h ep r o c e s so fi n o r g a n i c c a r b o nu t i l i z a t i o nf o rt h et h r e es p e c i e s b u tt h e i rc o n t r i b u t i o n st ot h ei n o r g a n i cc a r b o n u s eo ft h e mw e r ed i f f e r e n t a n dt h em a x i m u md e c l i n er a t ew a s6 2 f o rm y r i o p h y l l u m u g r o w t hr a t et h a nt h e t h e rt w o s p e c i e si naw i d ep h r a n g e i n d i c a t i n gt h a t 蜘珂d p 砂玩聊 印而嗽f 胁i sm o r es u i t a b i ef o rt h er e s t o r a t i o n0 fs u b m e r g e d p l a n t si nt h ee u t r o p l l i c w a t e r b o d y k e y w r d s s u b m e 唱e dp l a n t s i n o r g a n i cc a r b nu t i l i z a t i o n c a r b n l c a n h y d r a t e s p hv a l u e i i i 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 目录 摘要 a b s t r a c t i i 第一章沉水植物碳浓缩机制的研究进展 1 l 沉水植物的无机碳利用方式及机制 一1 1 1 沉水植物对水体环境的适应 一l 1 2 扩张策略 3 1 3 碳浓缩策略 5 2 沉水植物无机碳利用方式的可塑性 1 0 2 1 环境因子对沉水植物无机碳利用机制的调节作用 l o 2 2 不同种类沉水植物无机碳利用效率的差异 1 2 3 结束语 1 3 4 本文研究目的与意义 一1 3 第二章三种常见沉水植物无机碳利用能力及机制研究 1 5 1 实验材料与方法 1 6 1 1 实验材料 16 1 2 试验设计 1 6 1 3 数据处理与分析 l7 2 结果与分析 17 2 1 三种沉水植物p h 补偿点比较 1 7 2 2 三种沉水植物光合速率对p h 值的响应 1 8 2 3 三种沉水植物光合速率对c 0 2 浓度的响应 一l9 2 4 三种沉水植物无机碳利用机制研究 1 9 3 讨论 2 0 3 1 三种沉水植物p h 补偿点比较 一2 0 3 2 三种沉水植物光合效率对p h 值的响应 2 0 3 3 三种沉水植物光合效率对c 0 2 浓度的响应 2 1 3 4 三种沉水植物无机碳利用机制研究 21 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 第三章不同p h 下三种沉水植物生长及无机碳利用效率变化 2 3 l 实验材料与方法 2 3 1 1 实验材料 2 3 1 2 试验设计 2 3 1 3 数据处理与分析 2 4 2 结果与分析 2 4 2 1 三种沉水植物生物量的变化 2 4 2 2 三种沉水植物叶绿素含量的变化 2 5 2 3 三种沉水植物p h 补偿点的变化 2 6 2 4 三种沉水植物胞外碳酸酐酶活性的变化 2 7 3 讨论 2 8 3 1 三种沉水植物生物量的变化 2 8 3 2 三种沉水植物叶绿素含量的变化 一2 8 3 3 三种沉水植物p h 补偿点的变化 2 9 3 4 三种沉水植物胞外碳酸酐酶活性的变化 2 9 第四章结论与展望 3 0 参考文献 3 2 致谢 4 2 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 第一章沉水植物碳浓缩机制的研究进展 1 沉水植物的无机碳利用方式及机制 1 1 沉水植物对水体环境的适应 与水生藻类不同 水生被子植物由陆生祖先进化而来 属于次生水生植物 从 已知的化石记录中可看出 即使是早在一亿两千万年前就已经存在的睡莲这种相对 原始的类群 也被认为是从陆生祖先进化而来的n 4 1 基于传统和现代的分子系统发育学 不同的被子植物家族已经先后重返水生生 境至少1 0 0 次 对于返回水体中的每一次进化 与防止通过蒸腾作用而造成的净水 流失有关的结构 以及为生活在空气中而发展的支持结构 如拥有角质层蜡质 具 有多层进行光合作用的细胞的厚厚的叶片 调节气体交换的气孔 由木质素的存在 而增强了的运输水分能力的导管系统 都将部分或全部失去它们的价值 而被光合 无机碳获取的困难所取代 在空气中 一年内的c 0 2 浓度都在一个或多或少都可以利用的恒定的浓度范围 内 通过扩散作用向光合作用位点的运输是碳利用过程中面临的较小的限制作用瞄1 而与陆生植物不同 水生植物对c 0 2 的利用效率具有局限性 这是因为c 0 2 在水中 的扩散速率仅是在空气中的万分之一 所以c 0 2 从空气向水中的扩散运输是水生植 物光合作用的主要限速步骤哺1 在许多水体中 尤其是在生产力很强的水体中 植 物及藻类的光合作用大量 迅速的消耗水体中的无机碳 使得水体表面的c 0 2 浓度 降低到几乎为零口1 这种情况下 可溶性解无机碳 d i s s o l v e di n o r g a n i cc a r b o n d i c 是水生植物生长的主要限制因子 水中的c 0 2 含量与空气中的c 0 2 含量存在一种平衡关系 溶解的c 0 2 与h 2 0 反应形成碳酸 碳酸按下面的反应式分解成重碳酸盐和碳酸盐 c 0 2 h 2 0 付h 2 c 0 3 1 1 h 2 c 0 3 h 时 h c 0 3 1 2 h c 0 3 付c 0 3 2 i i 1 3 c 0 2 o h h c 0 3 1 4 c 0 2 和h 2 c 0 3 之和 气体状态的c 0 2 组成大于9 9 7 5 通常称为自由c 0 2 方程 1 2 和 1 3 的离子反应速率常数很高 而c 0 2 水解的反应常数很低 上 述反应除了依赖温度和离子强度外 不同种类的碳离子组成很大程度上依赖于 p h 陋1 在碱性条件下 化学平衡向着生成h c 0 3 的方向进行 在酸性条件下 化学 平衡则转向c 0 2 一边 各种形式的无机碳的相对含量随p h 的变化而变化 当p h 升高时 化学平衡向右移动 游离的c 0 2 浓度降低 h c 0 3 和c 0 3 2 的浓度升高 一方面 c 0 2 系统形成一个缓冲体系 减缓了由于代谢导致的水体和植物之间 的无机碳种类和数量的变化而引起的p h 的改变 另一方面 碱度通常保持恒定 因此如果碱度己知 很容易根据p h 的变化计算出d i c 的变化埔1 植物和水体中的c 0 2 气体转换效率很低 所有的转换都发生在溶解界面层 即 水和植物的临近界面层 这一界面层阻力占光合碳源利用阻力的9 0 睁tl o 从而显 著影响光合速率 特别是在静止的水体和沉水植物大量分布的区域n 这种影响更 为显著 这一界面层的厚度由植物表面的水流速度 水体的性质以及植物表面特征决 定 在植物表面的水流速度增加 水流从层流转变为湍流 因此这一界面层变薄n 引 甚至在充分搅拌的条件下 这一界面层也不会完全消失 在流速缓慢的水体中 这 一界面层的厚度从小型藻类的1 0 1 t m 到大型沉水植物的1 0 卜1 5 0 岬n 0 m 埔1 大量的物 质从环境中通过这一界面层运输到植物表面 遵循f i c k s 第一法则 在c 0 2 运输到 光合作用的作用位点的过程遵循下面的模式 j c c d r l 1 5 j 代表c 0 2 流量 d 代表c 0 2 扩散系数 c 和c c 分别代表环境中和羧化位点 处的c 0 2 浓度 t 代表界面层的有效厚度 这一厚度是通过计算的方法获得的 因 为在环境与界面层之间并没有显著的分隔层 根据电阻模拟的方法 r 1 可以看作是 扩散过界面层的可透性系数 其倒数就是c 0 2 的扩散阻力r 隋1 植物的形态和表面结构也会影响界面层的厚度 界面层的厚度随着叶或芽的前 缘向后逐渐增大n 别 阔叶比分裂的叶子所面临的扩散层阻力大 植物表面的粗糙程 度在水流从层流向湍流转变的过程中起重要作用 植物表面越粗糙 临界水流速度 界面层的水流由层流变为湍流的临界速度 越小 植物表面的粗糙度会由于毛细 胞或刺细胞的发生而增加 而芽的粗糙度受芽的形态和生长形式影响u 2 1 7 1 然而 有证据表明大型水生植物 尤其是淡水物种 通常存在较高的利用无机 碳的潜力 然而由于水体中的无机碳含量远比空气中的低 加上界面层阻力的影响 天然水体中的无机碳水平是没有办法满足水生植物的这种对碳源的高需求的 这种 能力过剩的重要性虽然还不清楚 但是这证明了无机碳作为可能影响沉水植物光合 作用的因子 甚至生长的限制因子有很重要的作用哺1 沉水植物在长期的进化过程中发展了一些可以缓解水体中无机碳供应速率有 2 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 限的特征 这些特征或称为生长策略可分为扩张策略和碳浓缩策略扭1 均用以适应 水体中无机碳的供应不足的环境 最大限度的获得水体中的d i c 供光合作用所利用 1 2 扩张策略 这一特性赋予植物除了利用水体中的无机碳还可以利用附加碳源来避免或减 少碳源对自身生长的限制 对附加碳源的利用能力主要取决于植物的形态学和解剖 学特点 1 对空气和底质中c 0 2 的利用是两个最主要的特征 1 2 1 通过空气叶吸收空气中的c 0 2 沉水植物在相对较浅的水体中可以通过空气叶或浮游叶来吸收空气中的c 0 2 这是一个比较普遍的策略 许多种类的大型沉水植物在它们生长发育的一些时段发 展了空气叶或空气茎随1 空气叶或浮游叶的发育 使得植物直接与空气中的c 0 2 库 接触 空气中的c 0 2 与水体中的c 0 2 相比由于溶解速率高 流通速度快 很容易被 植物获取 利用 这一过程使得c 0 2 界面层阻力仅为水中的1 1 0 0 到1 5 0 0 之间 这一形态学特点拟补了水中较低的c 0 2 浓度和较高的动力粘度 1 0 15 1 8 2 0 空气叶与沉水叶对c 0 2 的反应不同是因为叶片的生物化学性质不同以及不同 介质的中c 0 2 可利用性不同协1 在许多物种中 空气叶的形态与沉水叶明显不同 异 形叶性 代表着对陆生特点的保留 而在另一些物种中 空气叶则可能是由沉水 叶进化而来乜 空气叶与陆生植物的叶片很相似 因为它们也是在空气中进行光合 作用的 空气叶具有角质层 气孔和皮下气孔腔 不含叶绿体的表皮细胞以及多层 具有叶绿体的叶肉细胞心饥2 刳 水陆两栖类的大型植物的空气叶的磷酸烯醇丙酮酸羧 激酶 p h o s p h o e n o l p y r u v a t ec a r b o x y l a s e p e p a s e 和l 5 二磷酸核酮糖羧化酶 a n 氧 酶 r i b u l o s e j 5 一b i s p h o s p h a t ec a r b o x y l a s e o x y g e n a s e r u b i s e o 的活性比沉水叶的 要高 这一差异的产生可能是空气中的c 0 2 更容易被利用的缘故d 3 删 有研究证实了水生植物在空气中进行光合作用的积极作用 该研究对四种常见 的水陆两栖的植物种类进行了比较 结果表明这四种植物在空气中的光合速率是在 水中的2 至3 倍 而且尽管保证水中的c 0 2 浓度是超饱和状态下的8 倍 植物生长 还是强烈受限啪1 有较高的光合速率只是沉水植物发展的空气叶策略的所产生的众 多可能的作用中的一个 例如 暴露于空气中的植株还可以为花和种子提供结构上 的支持 而且还可以提高对河流通过蒸发作用所挥发的营养物质的利用率瞳7 1 空气叶比沉水叶具有更强的光合能力 但是这不一定表明这类植物有更高的生 产力隅1 这类植物的光合优势可能会被以下几种限制性因素所抵消 生长季节有限 对起支持作用和转运功能的组织的需要以及空气叶的空间限制 其中 空气叶的空 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 间限制是最主要的限制因素 即使假设这类植物有较高的生产力 空气叶策略也很 难帮助大型水生植物提高最大生物量 因为大型水生植物的生物量主要不是受植物 对无机碳的亲和力限制的 而是受植株的形态 植物各种组织的空间组成以及光照 影响的 矧 此外 沉水叶的形态学特点也可被解释为是对水中低d i c 条件的一种适应 通 常沉水叶只有两层细胞 每层细胞中都有叶绿体 具发达的由大液泡间隙薄壁细胞 而组成的发达的通气组织 水体中并不缺少水分 不用担心水分散失的情况发生 而且沉水叶在低光的环境条件下可以减少自我遮阴的情况发生 因此 发展只有两 层细胞的沉水叶是有可行性的h 1 而薄叶似乎是适应将碳流入速率最大化的光合能 力的另一种方式 1 2 2 通过根吸收底质中的c 0 2 尽管营养物质在水中可以直接获得 但是根也可以为植物提供相当数量的营养 物质啪1 因为微生物的降解作用使得水体中的营养物质的浓度比底质中的低 相同 的原因使底质中的c 0 2 浓度比水中的要高m 1 底质中的这些资源可以直接被水生植 物利用 这一现象首先被对i s o e t i d s 种类的研究所证明 羽 底质间隙水中的游离c 0 2 浓度是水体中的5 0 到1 0 0 倍口3 3 4 1 因此 当水中c 0 2 浓度很低时 能够利用底质中c 0 2 的物种占优势 底质间隙水中的c 0 2 通过扩散作 用进入植物的根系 在根部通过扩散作用将c 0 2 由充满气体的气胞运输到叶片 目前已经发现一些种类 尤为在i s o e t i d s 种群中 有利用底质中c 0 2 的优势 m 1 尽管它们在分类学上不同 但是i s o e t i d s 种类在形态学和解剖学上有很多相似 之处 很短的叶子组成的莲座叶丛 高的根与叶的表面积和生物量比值 从根到叶 片间存在纵向的管状气胞系统 叶绿素分布在排列整齐的气胞细胞中 角质层很厚 等 这些特征为利用底质中的c 0 2 提供了有效的结构基础 气胞细胞组成的管状结 构为c 0 2 从底质向植物叶片中的扩散提供了低阻力通道 叶绿体的位置也将c 0 2 从水相向羧化位点转运的阻力减至最低 同时 厚厚的角质层也避免了无机碳从叶 片泄露到周围的水体环境哺 通过对五种i s o e t i d s 研究表明 在叶片所固定的无机碳中 由根从底质中吸收 的比重在i s o e t e sl a c u s t r i s 中占3 9 在l d o r t m a n n a 中占9 9 类似的 从底质 中吸收c 0 2 的能力几乎存在于所有i s o e t i d s 种类中 当根周围的c 0 2 浓度高 叶周 围的c 0 2 浓度低时 底泥中的c 0 2 成为i s o e t i d s 种类光合碳固定的重要的碳源 两 个过程在光合碳利用中所占的比例取决于根和叶片周围的c 0 2 浓度比值 当根与叶 片周围的c 0 2 浓度比值小于1 时 l i t t o r e l l au n i f l o r a l 利用底泥中c 0 2 占整个光合 4 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 碳固定的2 5 0 当根与叶片周围的c 0 2 浓度比值大于4 0 时 其对底泥中c 0 2 的利用占整个光合碳利用的9 5 以上 勰1 能够利用底质中c 0 2 对i s o e t i d s 种类在寡营养湖泊中成为优势种具有重要作用 底质中的c 0 2 浓度在许多其它生境中的也很高 甚至经常比i s o e t i d s 种类占优势的 生境中的c 0 2 浓度还高 而且总是高于水体中的c 0 2 浓度 那么 为什么其它在碱 性生境中生活的物种没有发展利用底质中c 0 2 的能力呢 部分原因是对于大部分 物种而言 底质中实际的c 0 2 可利用性比水体中的低 因为底质中的对流转运比水 体中的慢 另一个比较重要的原因是从根到叶的扩散阻力 对l i t t o r e l l au n i f l o r a 来 说 从根到叶的长的扩散路径 需要底质中的c 0 2 浓度比直接利用水体中c 0 2 的浓 度更高才能满足光合作用所需无机碳洲 对于研究过的非i s o e t i d s 种类中 通过根吸收的无机碳还不到总碳吸收量的 5 1 对于更高大的e l o d e i d s 来说 长的扩散路径使得通过根吸收c 0 2 不是一种很 有效的方式眵1 如果沉水植物要想只利用底质中的c 0 2 需要有很高的根与植株表面积比例 1 1 到1 0 l 之间 这一比例在e l o d e i d s 种类中小于0 3 阴1 沉水植物所能达到的 最大茎长也限制了它们对底泥中c 0 2 的利用 因为长距离的气体转运 即使在空气 中也会很慢 另外 与利用水体中的c 0 2 相比 利用底泥中的c 0 2 常需要消耗额外 的能力 因为根的维持和生长需要能量和碳源 因此 如果不考虑根固定和吸收其 它营养元素的作用 只有当水体中无机碳浓度很低 并且光照很强烈的时候 i s o e t i d s 种类对根生长的高投入才会对其有利 因此 当水体中的c 0 2 浓度很高时 根的这 种高能耗的无机碳利用方式是不占优势的 那些能够利用水体中c 0 2 的种类将会占 据竞争优势哺1 1 3 碳浓缩策略 水生植物通过一些结构特点 例如拥有空气叶或是能够利用底质c 0 2 的根系获 得的c 0 2 资源 使得水生植物没有必要再发展利用无机碳的生理和生物化学特征h 0 1 然而 大部分淡水沉水植物都存在不同于c 3 途径的c 0 2 通过扩散作用到达r u b i s c o 作用位点的碳固定特征 这些特征包括利用h c 0 3 的能力 以及其它的碳羧化途径 包括c a m 和类似c 4 的代谢途径h 1 与其他植物一样 沉水植物中最终的无机碳固定也是通过c 3 光合碳还原循环 p h o t o s y n t h e t i cc a r b o nr e d u c t i o nc y c l e p c ro rc a l v i nc y c l e 实现的 由于光呼吸 酶的存在以及r u b i s c o 有很高的氧化酶活性 表明植物在进行潜在的碳氧化循环瞳7 1 5 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 然而 关于气体交换特点 许多沉水植物与进行传统的c 3 循环的陆生植物不同 沉水植物的c 0 2 补偿点很低 o 0 1 l x m o l l 1 光合作用对氧的敏感性也很低 因 此表观光呼吸活性也很低 这些特性与通过c 4 循环进行光合作用的陆生植物相似 表明在大型沉水植物中存在一种c 0 2 浓缩机制 抑制了r u b i s c o 氧化酶的活性 相 应的机制很可能是由于通过利用h c 0 3 使沉水植物对无机碳利用的可能性增加 或 是由于存在c 4 代谢途径隅 1 3 1 重碳酸盐的利用 h c 0 3 是沉水植物光合无机碳利用过程中除了c 0 2 以外唯一可以利用的附加碳 源 在水生植物的无机碳浓缩机制中 利用h c 0 3 进行光合作用是迄今为止在海洋 和淡水生境中最普遍存在的机制h 1 沉水植物利用h c 0 3 的能力存在差异h k 捌 这 表明在种间斗争中某些沉水植物种群的相对优势h 引 能够利用h c 0 3 的植物种群表 现出竞争优势 1 但是尽管缺少利用h c 0 3 利用能力的物种也会受益于水体中增加 的h c 0 3 浓度 因为高浓度的h c 0 3 可以在界面层转换为c 0 2 来保证碳同化的c 0 2 的再供给n 1 i 然而更有效的利用则需要直接吸收h c 0 3 引 虽然在能够利用h c 0 3 的淡水种类中 对h c 0 3 的亲和力及利用能力通常比对 c 0 2 的亲和力和利用能力低协 4 副 然而 除了在p h 小于6 4 的水体中外 这一情况 可以被大多数水体中的高浓度的h c 0 3 所抵消 基于对e l o d e i d s 被子植物和轮藻属的实验研究 有人提出了大型沉水植物利用 h c 0 3 一的两个模型 两个模型都包括位于细胞之间 周质空问和界面层的由a t p 酶介 导的主动的质子转运过程 然而 两个模型中通过原生质膜的无机碳的种类不同疆1 一种模型是h c 0 3 的直接转运 另一种则是由胞外碳酸酐酶 c a r b o n i c a n h y d r a s e c a 介导的h c 0 3 在胞外向c 0 2 的转化 使得光合无机碳源以c 0 2 的形式转运至细胞 内部 有研究提出轮藻对h c 0 3 的利用是通过肌h c 0 3 的共转移实现的h 们 这种共 转移是由质子的主动流出产生的离子动力驱动的 质子的流出和h h c 0 3 的共转 移伴随着o h 的流出 或h 的流入 每利用一个h c 0 3 离子 就有一个氢氧根离 子释放出来以保持离子平衡h 刀 h 是h c 0 3 在细胞质中水解提供的 o h 和一的流 动在空间上是分开的 所以会导致细胞的表面出现特定的酸性或碱性区域 在生物 学系统中最常见的转运h c 0 3 的蛋白是带3 阴离子转换蛋白h 引 然而这一离子转运 系统被认为是由位于细胞膜上的钠离子泵a t p 酶介导的钠离子在原生质膜两侧产 生的浓度梯度驱动的 至今还没有发现在水生植物中存在这种带3 阴离子转运系统 但是大型水生植物和小型藻类依赖于h c 0 3 的光合作用都受到水中盐度的影响阳1 6 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 海洋被子植物z o s t e r am u e l l e r ii r m i s c ha s c h e r s 的光合作用受c a 2 m 矿 k 和n a 的影响 各种离子的重要性依次减弱h 鲫 也有研究报道眼子菜属对h c 0 3 的 利用会因为介质中的n a 被k 取代而加强临 这表明保证h c 0 3 的有效利用需要阳 离子 或许是某种特定的阳离子的参与 对离子的需要是否是由于与矿 h c 0 3 共 转移相类似的特定离子与h c 0 3 的共转移 目前还不是很清楚 另外一种可能的解 释是胞外碳酸酐酶或是h c 0 3 利用中所需要的其它酶的活化需要特殊的阳离子或是 需要介质中有较高的离子强度阻1 对e l o d e ac a n a d e n s i s 和眼子菜属的研究表明 对离子的需求也可能是与利用 h c 0 3 时的阳离子极性运输有关瞄 在e l o d e i d s 种类中对h c 0 3 的利用模型指出 周质空间及其邻近的界面层被位于叶下表面细胞膜上的氢泵a t p 酶介导的反应而 酸化畸卜锄 酸化作用改变了c 0 2 系统原有的平衡 使平衡随着h c 0 3 的水解向c 0 2 转变 这样界面层中的c 0 2 浓度增加了 使得c 0 2 可以通过扩散作用进入细胞 伴 随着叶下表面的酸化 在叶的上表面 由于o h 的释放或是h 流入细胞 形成了碱 性区域嗍 叶的极性化受环境因素的影响较大 在光合潜能很低时 例如当光强很弱 可 利用的c 0 2 浓度很高时 不存在极性反应 相反 极化反应会被与可利用碳有关的 光合潜能的增加所诱导 比如通过增加光照强度或是减少可利用的无机碳都能诱导 极化反应的产生畸制 尽管与极化反应相关的活化或抑制机制仍然不是很确定 很显 然极化反应具有重要的生态学意义 该反应通过根据实际可利用碳量以及植物自身 实际需要来调整碳利用机制 从而确保高的成本效益隋1 不是所有的能够利用h c 0 3 的沉水植物都有极性叶瞄 在一些种类中 在光下 叶的上下表面的p h 均升高 由于起始阶段只利用c 0 2 所以p h 随着时间的变化遵 循双项模式 当介质中c 0 2 浓度低于补偿点时 h c 0 3 的利用被启动 导致p h 的 进一步升高 p h 的这种双向模式变化与只利用c 0 2 的物种的单项模式不同 不含 极性叶的物种叶表面的p h 可以达到很高值 p h 9 1 0 睛1 吲 与具有极性叶的物 种叶片上表面所能达到的p h 范围相似 在这些p h 值范围内 h c 0 3 和c 0 2 之间的 转换速率很慢 1 而且p r i n se ta 1 模型指出这时产生c 0 2 的能力也很低 基于对不 含极性叶的u l v af a s c i a t ad e l i l e 的研究 发现在没有被搅动过的界面层中 计算出 来的非酶促的h c 0 3 和c 0 2 之间的转换速率不能解释已经观察到的碳利用速率 尽 管已经假设c 0 2 的补偿点为零嘲1 实际上 在c 0 2 补偿点的这种转换 是直接从 c 0 2 转化为h c 0 3 这意味着即使是c a 催化的转换也不能增加可利用的无机碳 相反 这时的催化作用会减少可利用的无机碳 因此 对于u l v a f a s c i a t a 来说 或 7 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 许与不具有极性叶 界面层有较高的恒定不变的p h 值的其它物种一样 而p r i m 提出 的机制不能为这些植物提供足够多的c 0 2 利用速率 很可能这些物种直接利用h c 0 3 嘶 5 6 对于c h a r as p 和e l o d e ac a n a d e n s i s 以及其他大型沉水植物 例如u l v as p p 越来越多的证据表明c a 对于沉水植物有效的利用h c 0 3 具有重要作用 7 嘞1 结合 p r i n se ta 1 的极性叶模型对h c 0 3 的利用 可以把胞外c a 的作用想象为增加了植物 对h c 0 3 一的亲和性 在极性叶中 位于周质空间或 和叶下表面的界面层的c a 活性 将促进h c 0 3 向c 0 2 的转化 由此增加c 0 2 流入细胞的量 对于c h a r a 的研究 有报道指出 胞外c a 可以减少细胞质中高浓度的c 0 2 回流至周质空间或界面层这 一对植物不利的过程发生呻3 从细胞中释放出来的c 0 2 将被再水化 然后解离 如 此泄露出来的碳源可以通过h h c 0 3 共转移重新吸收 c a 的存在增加了无机碳的 利用效率哺1 1 3 2c4 代谢 令人信服的关于大型水生植物存在c 4 代谢途径的研究首先由以下几篇文章发 表b r o w s ee ta 1 1 9 7 9 b r o w ne ta 1 1 9 7 4 d e g r o o t ea n dk e n n e d y 1 9 7 7 1 8 棚 嘲 所引用的以上文章的实验结果表明 大量 多于5 0 光合作用起始产物 苹果酸 和天冬氨酸 是c 4 循环中才有的产物 这种现象被r u b i s c o p e p a s e 的低比值所支 持隋利 因为脉冲实验不能反映c 4 代谢库中短期的物质转换 因此得出的结论是苹 果酸和天冬氨酸是光合作用的终产物 起不同于在c 4 循环中的其它方面的作用哺引 对h y d r i l l av e r t i c i l l a t a 的研究提供了在沉水植物中存在c 4 代谢的进一步证据 泓1 当可利用无机碳受限时 c 4 代谢的碳浓缩机制被诱导呻一引 具有以下特点 一系列c 4 关键酶活性的增加 细胞内部c 0 2 浓度增加 对氧气的敏感性下降 低 的光呼吸效率 低的c 0 2 补偿点 高的光合速率啷3 像在陆生c 4 植物中一样 h y d r i l l a 中的c 4 活性使细胞内部的c 0 2 浓度增加 无论外部的p h 值是高还是低 当外部 的可溶解的无机碳的浓度为o 5 m o l l 时 内部可检测到高达五倍于外部无机碳的浓 度 由此可发现 h y d r i l l a 中的c 4 代谢是存在于这一物种的 独立于利用h c 0 3 一 能力的另一种无机碳浓缩机制h 1 在e n g e r i a 中也存在类似的碳浓缩系统哺7 1 h y d r i l l a 中的c 4 代谢的生态学意义可能仅局限于夏天 因为在夏天 植物形成 很密集的一层 覆盖水面 导致水体中的0 2 浓度很高 高达水气平衡浓度的两倍 p h 值接近1 0 无机碳浓度也很低 c 0 2 浓度约为o g m 在这些情况下 由c 4 碳浓 缩机制引起的光合作用对0 2 的浓度的敏感性降低 以及对光呼吸的抑制 或许对碳 平衡以及h y d r i l l a 种类的生存起积极作用 在相对开放的植物密集区的条件下 8 c a r b o x y k i n a s e p e p c k 呻 驯 这些种类的另一个特性就是缺少单独存在的脱羧酶 很明显 这些种类依靠p e p c k 进行羧化和脱羧反应 关于气体交换和生物化学特点 大部分大型沉水植物适应陆生c 4 植物的特点 但是它们没有典型c 4 植物所具有的花环型的解剖结构 而是通过c 4 和c 3 途径的 羧化反应在不同的组织中进行而使两者在空间上隔开 这种空间上的分隔使得c 3 和c 4 途径能够同时 连续地进行 避免了相互冲突 无效反应的发生