夜間低氧對(duì)海草光合作用ATP利用率的影響

　　海草草甸是沿海地區(qū)最具生產(chǎn)力的水生生態(tài)系統(tǒng)之一，也是全球重要的碳儲(chǔ)存地。低氧一直是海岸帶生態(tài)系統(tǒng)的主要威脅之一，且與海草草甸的衰退密切相關(guān)，但其損害機(jī)制尚不清楚。中科院海洋所劉建國(guó)、張立濤研究團(tuán)隊(duì)以海菖蒲為研究對(duì)象，設(shè)置三個(gè)處理，分別為低光強(qiáng)環(huán)境下正常氧氣濃度（LN）、黑暗環(huán)境下正常氧氣濃度（DN）、黑暗環(huán)境下缺氧濃度（DH），利用英國(guó)Hansatech公司生產(chǎn)的Handy PEA植物效率分析儀、FMS-2葉綠素?zé)晒鈨x、Oxytherm液相氧電極等儀器，研究了夜間低氧環(huán)境對(duì)海草傷害和海草床資源衰退的機(jī)制。研究結(jié)果“Nighttime hypoxia effects on ATP availability for photosynthesis in seagrass”發(fā)表在Plant Cell and Environment（生物學(xué)1區(qū)TOP  IF=7.3）雜志上。

圖1 不同環(huán)境下光系統(tǒng)II（PSII）的恢復(fù)及再光照后的光合能力

圖2 暗缺氧對(duì)光合基因的影響

　　由上述可得，在LN、DN和DH處理下，受強(qiáng)光損傷的PSII可恢復(fù)。與LN和DN相比，DH幾乎完全抑制了PSII活性的恢復(fù)（圖1a）。在最初5h內(nèi)，LN處理下PSII恢復(fù)速度略快于DN，但無(wú)顯著性差異。5小時(shí)后，LN的PSII恢復(fù)速率顯著快于DN（圖1a）。LN處理下海草的PSII活性最終恢復(fù)到與高光處理前相同的水平，但DN的PSII活性?xún)H恢復(fù)到處理前活性的80%（圖2a）。研究人員模擬在水下5cm進(jìn)行打光照射，在光照1小時(shí)后，DH處理下海菖蒲PSII的光化學(xué)效率和氧釋放速率都顯著低于在LN或DN，在DN處理下其PSII的光化學(xué)效率略低于在LN（圖1b,c）。除了先前觀察到的光合參數(shù)（Fv/Fm、O₂釋放速率和ΦPSII）外，與DN處理相比，DH處理的RC/CS_M和W_K降低，而1?V_j沒(méi)有變化（圖2b），這表明DH導(dǎo)致PSII反應(yīng)中心失活和OEC損傷，而沒(méi)有加重PSII的D1蛋白損傷。為了進(jìn)一步探討低氧對(duì)黑暗條件下海草光合作用的影響，采用轉(zhuǎn)錄組學(xué)比較的方法分析了低氧脅迫下DN和DH處理下海草光合作用相關(guān)基因的差異表達(dá)。與DN相比，在DH中鑒定了33個(gè)參與卡爾文循環(huán)的酶基因，其中19個(gè)是下調(diào)基因。且DH中鑒定了涉及光反應(yīng)的四種主要復(fù)合物的三十六種基因，其中15種基因是下調(diào)基因（圖2c、d）。在光反應(yīng)的四個(gè)復(fù)合體中，PSII復(fù)合體中下調(diào)基因的比率最高，為58%（圖2d）。

　　圖3 不同環(huán)境下D1蛋白、H₂O₂和呼吸速率的變化當(dāng)D1蛋白質(zhì)周轉(zhuǎn)被CAP抑制時(shí)，在DN下PSII活性的恢復(fù)沒(méi)有延遲（圖3a）。D1蛋白在強(qiáng)光處理1小時(shí)后顯著降解，并且在DN下PSII活性恢復(fù)期間其未重新合成（圖3b）。這些結(jié)果表明，PSII活性的恢復(fù)不涉及DN下D1蛋白的再合成。在強(qiáng)光處理1小時(shí)后，H₂O₂含量顯著增加。在恢復(fù)5小時(shí)后，處理的H₂O₂含量沒(méi)有變化，除了DH處理略微降低（圖3c）。與DH處理的呼吸速率相比，DN的呼吸速率下降了近50%（圖3d）。

　　圖4 抑制呼吸道ATP產(chǎn)生對(duì)光系統(tǒng)II（PSII）恢復(fù)的影響在考克斯途徑和ATP酶分別被AA和Olig抑制后，即使在常氧下PSII活性也不能恢復(fù)（圖4a）。與DN相比，DH、DN-AA及DN-Olig 的ATP含量均顯著降低（圖4b）。在氧化磷酸化被解偶聯(lián)劑FCCP消除后，PSII活性不能恢復(fù)，DN-FCCP比其他處理降低程度更顯著（圖4a），且DN-FCCP處理的ATP含量也低于DH和DN其他處理的ATP含量（圖4b）。

　　圖5黑暗條件下缺氧抑制光系統(tǒng)II（PSII）恢復(fù)，降低海菖蒲光合能力的機(jī)制的示意圖研究人員將本試驗(yàn)的發(fā)現(xiàn)整合為上述機(jī)制示意圖（圖5），并作出如下總結(jié)：短期缺氧雖不破壞海草光合機(jī)構(gòu)，但長(zhǎng)期黑暗缺氧（如富營(yíng)養(yǎng)化海草床夜晚含氧量下降近50%）嚴(yán)重抑制海草呼吸產(chǎn)能和線粒體向葉綠體內(nèi)的能量轉(zhuǎn)運(yùn)，間接導(dǎo)致受強(qiáng)光抑制損傷的光系統(tǒng)II修復(fù)所需能量不足，從而使損傷的光系統(tǒng)II難以修復(fù)，也造成次日海菖蒲和絲粉草等海草的光合活性、電子傳遞和光能轉(zhuǎn)換效率整體下降，由此產(chǎn)生惡性循環(huán)嚴(yán)重阻礙海草的正常生長(zhǎng)發(fā)育，導(dǎo)致海草草甸退化。