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广西防城海草光合作用研究 摘要 海草是生活在潮间带和潮下带海水中的高等草本植物，营沉水 生活，并且能够适应海水中高盐度和低光照的生活环境。海草常连片 形成海草床，为典型的滨海湿地生态系统，与其它海洋生态系统相比， 它不仅具有高生产力，还有重要的生态功能。但是由于人类活动和气 候变化，使得海草床逐年呈现衰退的趋势。为了保护和恢复海草，必 须对海草的光合生理生态特征进行系统的研究。本研究以广西常见海 草种类一矮大叶藻为对象，旨在探讨矮大叶藻的光合作用对环境因 子，如光照、温度、无机碳、盐度的响应，以及在水分胁迫下的光合 荧光效率的变化，并结合野外环境因子及自然状态下光合作用测定的 结果来揭示矮大叶藻光合作用与外部环境因子之间的关系，经实验分 析，结果如下： 矮大叶藻光合速率随光照增大而加快，最适光照为2 0 0 0 0 1 x 左 右，光补偿点在10 0 4 0 0 1 x 之间，并且随温度上升光补偿点也增加。 其光合作用的最适温度在2 5 3 0 。c 之间，在1 5 。c 时光合和呼吸速率都 明显下降。此外，对野外水下光照和潮汐的测定分析，可知矮大叶藻 在4 m 水深以内的水域可正常生长。 在p h 值为6 7 之间时，矮大叶藻光合速率最大，p h 过高或过 低都会导致光合速率的下降。并且随h c 0 3 浓度的升高，其光合速率 i i 明显加陕，说明矮大叶藻具有较强的利用h c 0 3 作为无机碳源的能 力。 水分丧失是潮间带海草所面临的最大环境胁迫。当水分丧失超 过5 0 时，f v f m 趋于线形下降，虽然矮大叶藻可以忍耐一定程度的 失水，但是过分失水则会导致死亡。 矮大叶藻在盐度是2 5 。3 5 之间显示出最大的光合速率，高盐度下 的光合速率要高于低盐度下的，体现了矮大叶藻对盐生环境的适应。 通过对野外矮大叶藻光合速率的季节变化的测定发现，在春、秋 两季光合速率较高，而夏季光合速率最低，这是由光照、温度、潮汐 等几个因素共同决定的，其中潮汐起着关键的作用。 研究结果表明，矮大叶藻是一个适应性较强的海草种类，对各 个环境因子都有较强的耐受能力。其中，光照和无机碳浓度是其光合 作用最主要的限制因子。由于它处于潮闻带，潮汐对其存活起着关键 的调节作用。 关键词：海草矮大叶藻光合作用光照无机碳 s t u d yo np h o t o s y n t h e s i s0 f s e a g r a s sz 傩刀互见4j a p d ? 、7 ：，( i n r 悄g c h e n go fg u a n g a b s t r a c t s e a g r a s sa l eh i g h e r - l e v e lp l a n t sl i v e di nt h ei n t e r t i d a la n ds u b t i d a l z o n e ，a n d l e ya r eas m a l lb u td i v e r s eg r o u po fm o s t l ys u b m e r s e dm a r i n e a n g i o s p e r m s ，w h i c hi n h a b i te n v i r o n m e n t st h a tc h a r a c t e r i z e db yp e r i o d i c u g h t l i m i t a t i o na n dh i g hs a l i n i t y s e a g r a s sb e di so n eo ft h em a j o r n e a r s h o r eh a b i tt y p e sa n dp l a y sai m p o r t a n tr o l ei nm a r i n ee c o s y s t e m s t h eh i 曲p r o d u c t i v i t yo fs e a g r a s sb e d sp l a c e st h e ma m o n gt h em o s t p r o d u c t i o no fa l lm a r i n ee c o s y s t e m s b u tt h eg l o b a lc h a n g ea n dh u m a n a c t i v i t yh a v el e dt ot h el a r g es c a l el o s so fs e a g r a s s f o rp r o t e c t i o na n d r e c o v e r yo f s e a g r a s s ，w es h o u l ds t u d yt h e i rp h o t o s y n t h e t i ce c o p h y s i o l o g y t h eo b j e c t i v eo ft h i ss t u d ya i m st or e v e a lt h ep h o t o s y n t h e s i so fz o s t e r a j a p o n i c ae f f e c t e db yf a c t o r ss u c ha sl i g h t ，t e m p e r a t u r e ，i n o r g a n i cc a r b o n , s a l i n i t ya n dw a t e rs t r e s s t h i ss t u d yc o m b i n e st h el a b o r a t o r ya n dt h ef i e l d e x p e r i m e n tt oa n a l y z et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ep h o t o s y n t h e s i so f z o s t e r a j a p o n i c aa n de n v i r o n m e n tf a c t o r s i v t h en e tp h o t o s y n t h e t i cr a t ea n dr e s p i r a t i n gr a t eg e n e r a l l yi n c r e a s e d i nr e s p o n s et oi n c r e a s i n gt e m p e r a t u r ef o rp h o t o s y n t h e s i sw i t h i nt h er a n g e 1 5 - 3 0 * ( 2a n dt h eo b s e r v e dt r e n d ss u g g e s t e dt h eo p t i m u mt e m p e r a t u r e r a n g e f o r p h o t o s y n t h e s i sw a sb e t w e e n2 5 - 3 0 。c ，b e l o wt h e2 0 。c t h e p h o t o s y n t h e t i cr a t ed r o p p e ds h a r p l y a l s ow i t ht h ei n c r e a s i n gl i g h t i n t e n s i t yt h en e tp h o t o s y n t h e t i cr a t ei n c r e a s e da n dt h eo p t i m u ml i g h t i n t e n s i t yi sa b o u t2 0 0 0 0 i x t h ec o m p e n s a t i o nl i g h ti n t e n s i t yr a n g ew a s b e t w e e n1 0 0 4 0 0 i x a c c o r d i n gt oe x a m i n et h ev e r t i c a ld i s t r i b u t i o no f l i g h ti n t e n s i t i e si nt h ef i e l d ，w ee s t i m a t e dt h a tz o s t e r a j a p o n i c aw a sa b l e t ol i v ei nt h ea r e aw i t ht h ew a t e rd e p t ho f 4 m t h ee f f e c t so fp hc h a n g e so np h o t o s y n t h e s i si nz o s t e r aj a p o n i c a w e r ee x a m i n e du n d e rl a b o r a t o r yc o n d i t i o n i ts h o w e da g e n e r a li n c r e a s e i np h o t o s y n t h e t i cr a t ew i t hp n , a n do b t a i n e dt h ep e a k p h o t o s y n t h e t i cr a t e a t7a n dm a i n t a i n i n gh i g hp h o t o s y n t h e t i cr a t eu pt o9 i na d d i t i o n ，t h e p h o t o s y n t h e s i sr e l a t e dw i t ht h ei n c r e a s i n gh c o s 。c o n c e n t r a t i o no fw a t e r t h er e s u l t ss h o w e dt h a tz o s t e r aj a p o n i c am a i n l yu s eh c o s 。嬲t h e i n o r g a n i cc a r b o ns o u r c e i n t e r t i d a ls e a g r a s su s u a l l ye x p e r i e n c e sp e r i o d i c a le x p o s u r e st oa i ra t l o wt i d e ，w h i c hi st h eg r e a t e s te n v i r o n m e n t a ls t r e s s z o s t e r aj a p o n i c a e x h i b i t e dal i n e a rd e c l i n ei nf v f mw h e nt h ew a t e rl o s se x c e e d e d5 0 b e l o wt h e5 0 w a t e rl o s s ，t h i st r e n dw a sn o ts i g n i f i c a n t t h er e s u l t s i n d i c a t e dt h ez o s t e r aj a p o n i c ah a dat o l e r a n c et os l i g h tw a t e rl o s s ，b u t v e x c e s s i v ew a t e rl o s sw o u l dl e a dt od e a t h z o s t e r a j a p o n i c aw a sa b l et ot o l e r a t eh i g hs a l i n i t yu pt o4 5p s u ，a n d t h e i ro p t i m u ms a l i n i t yw a sb e t w e e n2 5 3 5 p s u i to b t a i n e dah i g h e r p h o t o s y n t h e t i cr a t ei nh i g hs a l i n i t yt h a ni nl o ws a l i n i t ya n ds h o w e dal o w s a l i n i t yt h r e s h o l d ( o - 1 0p s u ) i t st o l e r a t c et oh i g hs a l i n i t ya s s o c i a t e dw i t h t h er e l a t i v e l yh i g hs a l i n i t yc o n d i t i o n z o s t e r a j a p o n i c ah a dr e l a t i v eh i g hp h o t o s y n t h e t i cr a t ei ns p r i n ga n d a u t u m n , b u th a dl o w e s tp h o t o s y n t h e t i cr a t ei ns u m m e r t h i ss e a s o n a l c h a n g ed e p e n d e do nt h ei n t e r a c t i o no fl i g h t , t e m p e r a t u r ea n dt i d e i nc o n c l u s i o n , z o s t e r aj a p o n i c aw a sas p e c i e so fg r e a tt o l e r a t e l i g h ta v a i l a b i l i t y a n dl i m i t e d i n o r g a n i c c a r b o ns o u r c em a yh a v e c o n t r i b u t e dt ot h ev a r i v a t i o no fp h o t o s y n t h e s i s d u et ot h es i g n i f i c a n t i n f l u e n c eo ft i d ei n l i g h ta v a i l a b i l i t yr e s u l t i n gi nl i g h tr e s t r i c t i o n sa n d e x p o s u r e st oa i ra tl o wt i d ef o rs e a g r a s s ，t i d es h o u l db et a k ei n t oa c c o u n t w h e nm a n a g e i n gc o a s t a lw a t e r sw i t ht h ea i mo fa l l o w i n gf o r t h e s u c c e s s f u lg r o w t ho f s e a g r a s s k e yw o r d s ：s e a g r a s s ；z o s t e r aj a p o n i c a ；p h o t o s y n t h e s i s ；l i g h t ； i n o r g a n i cc a r b o n v i 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和 相关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本 论文的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也 不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个 人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：备毒嗜 学位论文使用授权说明 目年5 月巧日 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即； 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间 曲时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 敝储繇却巩龟聊签名称邛一年b 胁日 广西防冀海摹光寺作用研兜 第一章海草及其光合作用研究进展 1 1 海草研究概述 1 1 1 海草的种类和地理分布 海草是指那些生活在热带到温带海域沿岸浅水中的单子叶植物，是一种开花 的草本高等植物，由叶、根茎和根系组成，生长在淤泥质和沙质沉积物上，是唯 一在浅海中生长的被子植物，常在沿岸潮间带和潮下带浅水中形成海草床，与红 树林，珊瑚礁同为典型的海洋生态系统。 全世界海草约有5 0 种，隶属于沼生目( h e l o b i a e ) 的眼子菜科 ( p o t a m o g e t o n a c e a e ) 和水鳖科( h y d r o c h a r i t a c e a e ) ，共1 2 个属【l 】。具体种属见表1 。 表1 海草系统分类 多数种类分布于东半球的印度洋和西太平洋地区，部分种类分布在西半球加 勒比海地区【n 。我国分布有8 属，包括大叶藻属( z o s t e r a ) 、虾形藻属 广西助r 城海草光合作用研究 ( p h y l l o s p a d i x ) 、二药藻属( h a l o d u l e ) 、海神草属( c y m o d o c e a ) 、针叶藻属 ( s y r i n g o d i u m ) 、海菖蒲属( e n h a l u s ) 、海黾草属( t h a l a s s i a ) 、喜盐草属( h a l o p h i l a ) 。 其中大叶藻属和虾形藻属多分布于辽宁、河北和山东沿海。江苏及浙江由于海水 透明度太低，未见有海草分布。而其余6 属多为分布于海南、广西和广东1 2 1 。海 南由于所处纬度较高，并以其特有的气候、地形等特点分布了中国最多种类的海 草，主要种类有喜盐草、海菖蒲、海黾草、二药藻等4 属。 1 1 2 海草的进化 海草是单子叶植物的一个类群，在植物学上更接近百合科和天南星科，在分 类学上处于比较进化的地位。它的一个重要特征是能够适应海洋中的沉水环境。 陆地上的高等植物都是由海洋里的藻类等低等植物进化而来的。海草不同于海里 的藻类等低等植物，它是二次下海，从淡水环境逐渐过渡到咸水环境，慢慢适应 海洋环境的。另一种关于海草进化的观点，是认为海草是在第三纪( 在白垩纪) 由早生盐沼植物进化而来的，这种观点源于化石的记载，但现在仍以第一种观点 占优势【3 j 。其中，大叶藻、喜盐草、波喜荡三属在海草进化史上属于比较早的， 占有海草种数的5 5 ，而海菖蒲( e n h a l u sa c o r o i d e s ) 是最后进化的种类，只有 一个种【“。 为了适应海洋生活，海草具备以下4 种机能：1 、具有适应盐介质的能力；2 、 具有一个发达的支持系统来抗拒波浪和潮汐；3 、当完全为海水覆盖时，有完成 正常生理活动以及实现花粉释放和种子传播的能力；4 、在环境条件较为稳定的 情况下，具备与其它海洋生物竞争的能力【4 】。 1 1 3 海草的形态结构 海草在外观上都表现出高度的一致性，都有发达的根茎和线状或带状叶，喜 盐草是个例外。因此，一般认为海草是一个同源类群。为适应海洋环境，它们在 形态结构上也有一些相应的特征。 叶：叶片柔软，呈带状或切面构造为圆柱状，以便在海水流动时保持直立； 叶片内部有规则排列的气腔，以便于漂浮和进行气体交换。叶表没有或很少角质 2 层，有助于吸收营养物质。在叶的基部具有膜质的叶鞘。叶片有带状、线状、披 针形、卵形、椭圆形。以带状和线状居多，喜盐草属的叶比较特殊，是椭圆形的， 并且不具有叶鞘，也没有气腔。 茎：有发育良好的根状茎( 水平方向的茎) ，匍匐生长，使各个个体在附着 基上交织生长以巩固植体，进而形成海草床。茎上通常有环状的节。根状茎大多 较纤细，也有肉质的，如喜盐草属。 根：在根茎的节上向下长的须根，海草的根一般都不太深，但是茂密，且交 错在一起，能很好的固定底质。也具有更多的气腔，可以更好的吸收营养物质。 花：花着生于叶丛的基部，单性或两性，雌雄同株或异株。雄蕊( 花药) 和 雌蕊( 花柱和柱头) 高出花瓣以上，长花柱或长花序的种类，如喜盐草、二药藻、 海神草属等，可以完全在水中授粉，或可以凭借花粉在水面漂流与花柱的水面部 分接触，此为半水面授粉。只有海菖蒲花粉可以升高到水面以上，进行空气授粉。 花粉一般为念珠形且粘结成链状，以借海水的流动受粉。 1 1 4 海草床的生态作用 海草床在海洋生态环境中的作用非常重要，它不仅具有很高的生产力，而且 具有重要的生态功能。一方面可以改善水的透明度，减少富营养质，控制浅水水 质，另一方面它又是许多海洋动物的直接食物来源，为大量海洋生物提供了重要 的栖息地和隐蔽保护场所，如儒艮和海龟就经常出没于海草床。同时也是许多海 洋经济生物，如鱼虾蟹等繁育和避难的场所，而海草床里的腐殖质也有利于海鸟 的栖息。所以海草床维持了浅海生态系统的多样性，也是巨大的海洋生物基因库。 此外，它还具有抗波浪与潮的能力，是保护海岸的天然屏障，具有巩固及防护海 床底质和海岸线的作用。海草床资源保护区是开发海洋生态旅游的理想场所，成 片的海草床是海洋生态养殖业的重要基地，海草还是编织工艺品的重要原料，最 近的研究还表明海草可以制成人造骨，尤其适于做假牙【埘。大叶藻和虾形藻等的 干草还是良好的保温材料和隔噪音材料，可用于建筑业，因此海草床是胶东沿海 地区的一种典型的民居形式。沿海的部分居民将海草作为饲料喂养牲畜。因此海 草不仅具有生态价值，还具有一定的经济价值。 但是由于人们对海草在海洋生态系统中的重要性认识不足，缺乏保护海草及 蔓查堡! 室生望丝苎堕堕曼墨! 墨! 堡旦堡皇 其生态环境的意识，更缺乏对海草的保护和管理。而且近年的调查结果表明，各 地的海草场的生态环境受到明显的威胁，主要包括围海养虾、海水养殖，如打桩 吊养贝类( 包括牡蛎和珍珠贝等) 、海藻( 包括麒瞬菜等) 、围网养殖；炸鱼、毒鱼 和电鱼；挖螺( 贝) 与拖网；人为污染，包括陆地和海上( 主要为交通、倾废和投饵 养殖等1 排放的污染以及开挖港池航道与台风等。所以对海草床的保护工作迫在 眉睫。 1 2 我国海草研究进展 我国海草研究起步于上个世纪五十年代，中国科学院海洋研究所的杨宗岱、 吴宝铃于五十年代末开始对我国的海草场进行研究，分别于1 9 5 8 年、1 9 5 9 年、 1 9 7 4 年至1 9 7 5 年间，1 9 7 9 年在我国沿海采回海草样品进行分析，分类，第一次 明确了我国海草的种类及其分布1 7 1 。阐述了海草床是一个高生产力地带，它的固 碳能力可以与陆地的热带雨林相媲美：对海草划分了生长型，分为狭叶大叶藻型、 阔叶大叶藻型、针叶藻型、海菖蒲型、喜盐草型五个类型并指出不同生长型的海 草的垂直分布情况，特别指出二药藻届海草的分布范围比较广，从中潮带到潮下 带下部均有分布，在其他海草不能适应的环境它都可能成为优势种，是一种广适 应性的类群，但是竞争力不强；并对海草床生物群落的结构、能流、物流做了简 要叙述1 2 6 1 可以说，这是我国海草生态学研究的开端，此后杨宗岱又利用支序 分类，借助计算机技术，详细的探讨了海草各科间的系统演化关系，对海草进行 了新的分类划分嗍。此外，于1 9 8 6 年，中科院海洋研究所的范振目q 在中国生态 学会和中科院海洋研究所的资助与支持下，在以往生态学调查研究的基础上开展 海草场生态学专题调查。对中国北方沿海海草种类、数量分布、季节变化、群落 组成结构以及大叶藻生态习性和繁殖生长特点等有了更加深入的全面了解。在此 基础上，1 9 8 7 年申请并获得国家自然科学基金的资助，系统的开展了海草场生 态系统保护与开发利用的研究。他连续数年( 1 9 8 7 - 1 9 9 3 ) 的研究表明，海草场 生态环境优势，饵料生物丰富，对经济动物的诱集与增殖作用明显，经济效益显 著，并进一步证明海草场是实现海洋经济动物增养殖农牧化的重要途径之一唧。 此后，大叶藻在海参养殖中的应用也取得成功i i o j 。而对于海草光合作用的研究 4 广西大掌硕士掌位论文广霹r 防城海草光分作用研究 仅见于高振泮等对阳离子诱导大叶藻( z o s t e r am a r i n a ) 叶绿体膜中激发能在p si i 和p s i i i 之间分配变化的机理进行讨论1 1 1 l 和汪文俊等对大叶藻p si 和p si i 复合 物分离鉴定这两篇报道【1 2 1 。另外，中国水产科学研究院的刘志鸿、董树刚等对 青岛汇泉湾的大叶藻种群的遗传多样性进行的探讨【1 3 】以及山东师范大学的赵可 夫、叶春江对大叶藻的形态解剖结构特点，生理学基本特点以及耐盐机制、环境 限制因子的研究1 1 4 j 也是我国海草研究的重要部分。而最新的研究仅见于中科院 南海海洋研究所对于稳定同位素在海草生态学研究中的应用的讨论【”】。可以说 我国的海草研究是从北方开始的，尤其是大叶藻，研究得比较多，而对我国南方 的海草床的研究几乎就是空白。仅在2 0 0 5 年，暨南大学的梁智渊对海菖蒲的化 学成分和生物活性进行了研究，这个研究主要是针对生物制药，而非生态学方面。 在海草生态学方面，在2 0 0 2 年，邓超冰编写的北部湾儒艮及海洋多样性一 书中对广西的海草床有比较详细的记录。他指出广西的海草有3 个种，即喜盐草 ( h a l o p h i l ao v a l i s ) 、二药藻( h a l o d u l eu n i n e r v i s ) 、矮大叶藻( z o s t e r aj a p o n i c a ) 。对 这3 种海草的形态、生长特性以及分布情况都有记录，而且对广西北部湾的海草 床的具体位置和这些海草床自1 9 8 7 年到2 0 0 1 年的面积变化都有详细记录，可以 说为广西以后海草的研究工作提供了宝贵的资料【旧。自2 0 0 2 年开始，中国科学 院南海海洋所承接了联合国环境署( u n e p ) 全球环境基金( g e f ) “扭转南中国海及 泰国湾环境退化趋势”项目海草方面的工作后，对南中国海的海草研究做了大量 的工作，于2 0 0 5 年在广西合浦建立了中国首个海草床保护与管理示范区。目前 广西除了上面提到的3 个种外，还发现有贝克喜盐草( h a l a p h i l ab e c c a r i o 和羽叶 二药藻( h a l o d u l e p i n i f o l i a ) ，这样广西发现的海草种类增至5 种。总而言之，我国 对海草的认识比较晚，研究工作起步也比较晚，所以在海草研究方面的工作做得 比较少，即便是一些基础的研究工作还有很多没有做。尤其是2 0 世纪9 0 年代初 至2 0 0 0 年这段时间，我国的海草的研究几乎没有，所以在今天，当我们认识到 海草的重要性后，应该积极的做大量的工作来弥补这一空白。 1 3 海草光合作用研究方法 许多年来，海草的研究者们一直想知道海草是如何利用水下有限的光资源 广曩r 大掣q 一士学位论文广西防城海摹光合作用研究 的。所以，对于海草光合作用的研究也是众多学者关注的热点。海草光合作用的 研究最初是从实验室研究开始的，采用以氧释放为基础的测定方法。最早使用的 是溶解氧量法，它的原理是通过测定一段时间内海草叶片释放的氧量来表示光合 速率，单位是m 9 0 2 d w h 或m 9 0 2 g h 。对于水中溶氧的测定最初是使用化学实 验的方法，即碘量法进行测定。而随着技术的发展，溶氧测定仪的问世，使水中 溶氧含量的测定越来越方便、快捷，所以此方法曾广泛应用于海草及其它沉水植 物光合速率的测定。而随着光合作用研究的深入，不少学者开始使用光合量子效 率来表示光合效率，它是以光合机构每吸收一个光量子所释放的氧气的分子数来 表示，单位是t t m o l0 2 j m 2 s ，即与光强是同类单位，它能更好的表示光合效率与 光强之间的关系，使用氧电极测定叶片释放的氧量。该法灵敏度高，可以检测出 o 1 i _ t m o l 氧的变化，操作简便，在几分钟内就可以获得光合放氧速率。但是，以 上两种方法由于采用离体叶片进行实验所以会存在一些问题：叶子碎片的呼吸速 率会因为受伤效应偏高，因此测定的净光合速率、光补偿点和光饱和点可能偏高。 此外，光合作用通常与叶子年龄也有关系，叶子碎片可能是来自不同的植株，包 括不同年龄的叶子，这跟取自完整的植株是不一样的。而且，这两种方法只能应 用于实验室，实验室的温度、压力等因素也会对光合作用产生影响，导致实验室 的光合参数和野外测定的会有很大的不同 1 7 - 1 9 l 。但如果是在可控条件下进行实 验，如设定一定的光照、温度、盐度等还是相当可行的。 目前，叶绿素荧光分析是进行海草光合效率测定的比较先进的方法。其原理 是：光合机构吸收的光能有三个可能的去向：一是用于推动光化学反应；二是转 变为熟散失：三是以荧光的形式发射出来。由于这三者存在此消彼长的相互竞争 关系，所以可以通过荧光的变化来探测光合作用的变化。常用的荧光参数是 f d f 。它表示在没有遭受环境胁迫并经过充分暗适应的植物叶片p si i 最大的或 潜在的量子效率指标。叶绿素荧光分析具有观测手续简便，获得结果迅速，反应 灵敏，可以定量，对植物无破坏、少干扰等特点。它既可以用于叶绿体、叶片， 也可以遥感用于群体、群落。它既是室内光合基础研究的先进工具，也是室外自 然条件下诊断植物体内光合机构运转状况、分析植物对逆境响应机理的重要方 法。现在人们可以通过叶绿素荧光分析估计量子效率、光合能力，利用荧光参数 计算光合电子传递速率、胞问二氧化碳浓度等【2 0 1 。s c h r e i b c r ( 1 9 8 6 ) 及其同事 6 ( 1 9 8 6 ) 研制的p a m 荧光仪作为一种调制式荧光测定系统在叶绿素荧光测定中 是一个革命性的进展f 2 1 1 ，现在改进后的p a m 荧光仪已经成功应用在海草上。它 能够在自然状态下测量海草的光合作用，得到各种有用的参数，而不需要将海草 运回实验室，运用这种技术比溶解氧测定的方法能提供更多可靠的信息2 2 2 3 1 。 1 4 海草的光合特征 1 4 1 海草的生境 1 4 i 1 海水中可利用的光能 光合作用是将太阳能转化为可用于生命过程的化学能并进行有机物合成的 过程。光是光合作用的发动机，太阳光的获得对于植物光合作用至关重要。光能 透过水域，但是光在水中穿透力比在空气中小很多。光强随水深显著降低，甚至 在十分清澈的海水中，在2 0 0 米以下就已经不能进行光合作用了。除了水的吸收 之外，水中的可溶性物质和微粒对光的吸收也使得光在水中减弱更快。不同波长 的光在水中被吸收的强度不一样。例如，在纯净的水中，波长在5 5 0 r i m 以上的 光很容易被吸收 2 4 1 。由于含有较多的微粒和不溶性有机物，光在浅海海水中的 传播比在纯净的大洋中要弱。所以，在浅海海水中，光合有效辐射( 波长在3 5 0 r a m 至7 0 0 r a m ) 能达到的深度可在几米到几十米之间变化。所以海草的分布被限制 在比较浅的海水中。最大海草分布深度据报道是在水下9 0 米处1 4 】。大多的海草 种类分布在水下2 0 米以上。研究表明，海草定居的最大深度是在能收到4 至 2 9 水表面光的地方【2 5 1 ，平均最大深度是在能收到1 1 水表面光的地方。 1 4 1 2 海水中可利用的无机碳源 在光合作用中和光一样重要的还有无机碳源。植物体干重中碳占到 3 0 - 4 0 ，它包含在对植物体结构和功能十分重要的有机化合物中。充足的c 0 2 是陆地植物进行光合作用的主要底物，但是在海洋环境中则有所不同。首先，海 水中c 0 2 的浓度比较低。温度是1 0 c 至02 0 c 时，淡水中c 0 2 浓度和空气中c o , 7 g - 西大掌马n b 掌位论文g - 西防城海事光奢作用研究 浓度几乎相同，但是由于盐度的关系，c t h 在海水中的溶解度比在淡水中要低 1 0 - 1 5 。在2 0 时，海水中溶解的c 0 2 在1 2 9 m o l l 。其次，c 0 2 在海水中的 扩散速度比空气中要慢1 0 4 倍。再次，海草叶子表面的细胞外扩散层又阻碍了 c 0 2 的扩散。这个细胞外扩敖层的厚度随水动力和叶子表面的粗糙程度而变化。 在水环境较好的时候这个层达到5 0 i t m 厚，但在自然状态下，水动力不是很好的 情况下这个层达到1 0 0 0 i _ t m 【2 ”。另外，附生藻类、淤泥微粒、丝状物等的存在， 也会影响这个层的厚度。一个连续的厚的附生生物层会促进这个细胞外扩散层的 扩张田】。所以，综上所述，c 0 2 在海洋中很容易成为一种限制因子。 1 4 2 海草的光合特征 与陆地植物相比，海草的光合速率是相对低的。据报道，海草的光合速率在 3 - 1 3 m 9 0 2 d w h 之间田j ，然而陆地c 3 型和c 4 型植物的光合速率则分别在1 0 到 7 5m 9 0 2 d w h 之间和7 5 到1 7 5m 9 0 2 9 d w h 之间变化【3 0 】。这种低的光合速率首 先与它叶绿素含量较陆地植物更低有关，这是沉水植物的一个共同特点1 3 1 l 。其 次，与它的沉水生活有关，是对上述的低光和低c 0 2 浓度的一种适应。所以从 生理上说，海草属于阴生植物。为了适应弱光环境，海草具有较低的光补偿点， 这对于海草在低光环境下实现碳的净获有十分重要的意义，因为入射光强在只有 在光补偿点以上，植物才能生长。较低的光补偿点保证了海草一天中有较长的时 间达到净光合生产，使其正常生长。但是，与陆地植物相比，海草光呼吸较弱， 减少了碳损失，从而具有较高的固碳效率。 1 4 2 1 海草的光合代谢途径 碳浓缩机制( c a r b o nc o n c e n t r a t i n gm e c h a n i s m ) 是沉水植物为了适应水中低 无机碳浓度的环境而发展起来的利用无机碳的一种机制吲。它可以尽可能的利 用水中的无机碳，减少由于光呼吸而造成的碳损失。它包括c 4 途径，c o dh c 0 3 一 泵，h c 0 3 脱氢机$ i j t 3 3 。3 4 ) 。 大多数的海草遵循c 3 途径，即通过r u b i s e o 来催化实现c 0 2 的固定。r u b i s e o 既能催化r u b p 与c 0 2 的羧化反应，又能催化r u b p 与0 2 的加氧反应，所以酶 s 催化反应的方向决定于c o j 0 2 比值。由于环境常常限制无机碳的利用，而海草 的光合作用又使得水中的0 2 浓度上升，使得加氧反应加剧，羧化反应减弱，光 呼吸增加，c 0 2 固定的效率下降。海草为适应水中低c 0 2 环境并保持较高的光合 速率，最大获得水中的无机碳，部分海草出现了c 4 途径，这被认为是海草碳浓 缩机制的表现之一。在c 4 途径中，进入叶肉细胞的c 0 2 在c a 催化下形成h c 0 3 。， 在p e p c 催化下与p e p 结合，而p e p c 与h c 0 3 - 的亲和力极高，能固定较低浓度 的c 0 2 ，而且没有与0 2 的竞争反应，因此固定c 0 2 的效率高。然后，其羧化产 物转移到维管束鞘细胞时，发生脱羧反应，释放c 0 2 ，使维管束鞘细胞有相对较 高的c 0 2 浓度，然后在叶绿体中进入卡尔文循环，促进了r u b i s c o 催化的羧化反 应，而抑制了加氧反应，降低了光呼吸，因此，c 4 途径能更有效的固定进入细 胞的c 0 2 。在有光的条件下，c 4 型植物几乎没有c 0 2 的损失。所以，c 4 型植物 在高光强和高温下有较高的光合效率，它具有高的最适温度( 3 0 到4 0 ) ，正 常情况下很难达到光饱和，以及低的二氧化碳补偿点( o 到1 0p p m ) 3 s l ，但是， c 4 型植物的这种“c 0 2 泵”的运转是消耗a t p 的，在光强较弱以及温度较低的情 况下就体现不出优势。 但是，海草的c 3 和c 4 途径区分并不象陆地植物那么明显，而且对海革的 c 3 型和c 4 型的界定标准也不同 3 6 - 3 9 。但是通过大量的观察，海草中必然存在 c 4 途径。有人用c 1 4 标记的方法来确定海草的光合代谢途径，如t h a l a s s i a t e s t u d i n u m ，用c 1 4 标记发现它的第一个羧化产物是3 - p g a ，所以被认为是c 3 植 物 4 0 1 。而p o s i d o n i ao c e a n i c a ，发现有5 0 的标记的c 1 4 在苹果酸中发现，说明 苹果酸是它的主要的中间产物，所以它是c 4 途径的 3 7 1 。而z o s t e r an o l t i i 由于光 呼吸速率很低并且光饱和点高，被认为是拟c 4 途径( c 4 1 i k e ) 1 4 ”。又如h a l o p h i l a s t i p u l a c e s ，发现刚开始苹果酸浓度升高，但随后并不象其它c 4 植物那样，苹果 酸浓度继续升高，所以被认为是c 3 c 4 中间型( c 3 c 4i n t e r m e d i a t e ) p t 。其实， 所有的海草种类都不是严格意义上的c 4 植物，它缺乏象陆生植物那样的“花环型” 结构，是否具有c 4 途径只能从从细胞内具体的代谢产物来确定。而且海草的c 4 途径通常是在环境胁迫下被激发产生的，特别是在低无机碳的环境中，它是可诱 导和可调节的。所以即使是同一个种，由于生境不同，也可能具有不同的光合代 谢途径。 9 p - 曹 爿曲曩士学位论文 f 西防城海革光合作用研究 1 4 2 2 海草对h c 0 3 。的利用 水中c 0 2 对海草的限制使海草研究者们注意到另外一种在水中比较充足的 碳源，重碳酸盐。在水中c 0 2 不仅可以溶解，还存在以下反应： c 0 2 + h 2 0 h 2 c 0 3 一旷+ h c 0 3 。_ c 0 3 2 。+ 2 i r 但是在海水中各种形式的无机碳所占的比例并不象上面的方程式所表示的 那么均衡【4 2 j 。当海水p h 为8 2 ，盐度为3 5 ，温度为1 5 x 3 时，海水中无机碳的主 要存在形式为h c 0 3 ，占到9 0 ，而溶解的c 0 2 仅占到o 6 ，大约9 是c 0 3 厶， 还有微小的部分是未分解的h 2 c 0 3 4 3 。c 0 2 和h c 0 3 的扩散系数是差不多的，但 是由于h c 0 3 。占的比例大，当海草叶子表面的化合物被叶子表皮细胞耗尽后， h c 0 3 比c 0 2 扩散快得多。 海草对h c 0 3 的利用有着特别的方式。h c 0 3 不能象c 0 2 那样以自由扩散的 方式易通过原生质膜进入细胞，h c 0 3 仅可以通过细胞壁却不能通过原生质膜， 因此h c 0 3 必须通过特殊载体穿过质膜后被才能被吸收 4 4 1 。对大叶藻光合作用的 研究中发现，加入a t p 酶( a t p a s e ) 抑制剂使得其光合速率降低，因为通过特 殊的离子泵可使h c 0 3 。直接进入细胞内，当a t p 酶受抑制后，h c 0 3 。无法进入细 胞使得光合速率降低【4 5 1 。从这个实验也可看出通过载体主动运输h c 0 3 进入细胞 的系统也可出现在海草中，在喜盐草、丝粉藻( c y m o d o c e ar o t u n d a t a ) ，钎叶藻 ( s y r i g o d i u mi s o e t i f o i l u m ) ，zt e s t u d i n u m ，大叶藻都存在这样的利用系统【删。但 是，由胞外具活性的碳酸酐酶( c a m i l i ca n h y d r a s e ，c a ) 催化h c 0 3 转化为c 0 2 扩散 进入细胞的机制在海草中则更为普遍。c a 存在于细胞内即叶绿体和细胞质内， 也存在于细胞外，主要是附在细胞膜的附近【4 刀。胞外碳酸酐酶的介入加速了 h c 0 3 向c 0 2 的转化，可维持c 0 2 恒定不断地向细胞供应以进行光合作用| 4 8 - 5 ”。 实验证明，在向海草中添加a z ( 一种胞外碳酸酐酶抑制剂) 后光合作用降低5 0 以上。可见胞外碳酸酐酶对维持较高的光合速率起着十分重要的作用【4 5 一“5 2 1 。 但是，这种方式不如通过载体主动运输的效率高，因为h c 0 3 转化为c 0 2 是一个 比较缓慢的过程，并且受到胞外碳酸酐酶数量和活性的影响，而且还要消耗a t p 。 然而，利用h c 0 3 。的所有这些方式并不是独立进行的，而是同时进行。曾报道并 证实大叶藻对h c 0 3 的利用同时存在以上两种利用系统f 5 3 1 。利用h c 0 3 。作为碳源 的潜力已经在丝粉藻、海菖蒲、二药藻、喜盐草、波喜荡、针叶藻、大叶藻这7 1 0 g - 西大国嘎士学位论文g - 西防城海摹光合作用研究 个属中证实。在泰来藻属和全楔草属中，除了泰来藻已经被证实外，其它种中还 需要进一步证樊5 4 1 。而泰来藻( t h a l a s s i ah e m p r i c h i i ) t h a l a s s o d e n d r o nc i l i a t u m 则被证实缺乏利用h c 0 3 。作为碳源的能力闻。 1 4 3 其它影响海草光合作用的因子 1 4 3 1 温度对光合作用的影响 除了北冰洋沿岸，全世界几乎所有的海岸都有海草分布，因为那里