沉水植物的光合生态生理响应

沉水植物的光合生态生理响应

水生植物是水生生态系统和湿地生态系统的重要组成部分（scothompe，1968）。在这一生态类群中,沉水植物与水的关系最为密切,占据着湖泊生态系统的关键界面,对湖泊生产力及生物地球化学循环具有重要的影响(CarpenterandLodge,1986)。目前,我国水体富营养化问题日益严重,水生植被特别是沉水植物的衰退和消失普遍发生,水生植被的恢复重现已经成为我国湖泊富营养化治理的关键。要解决这些问题,必须对水生高等植物光合生理生态特征进行系统的研究。本文将环境因素,如光、温度、pH以及CO2与沉水植物光合作用相结合进行论述,重点讨论沉水植物无机碳的利用以及为浓缩CO2所呈现的光合生理特性。由于沉水植物生长于水体中,环境因素对其光合作用和生长发育等有重要影响,这些是研究沉水植物光合作用以及光合生理的重要内容,同时也是开展水生植被研究的基础和热点,这将为水生生态系统的保护和持续利用提供基础资料。1沉水植物叶绿体的特性光合作用是沉水植物最重要的代谢活动。在水中,由于水体溶解物、悬浮颗粒以及水深的影响,源自太阳的光能迅速衰减,加之在空气与水交界处的损失(10%左右),光照不足的现象在水体中最易发生,水体光强是沉水植物生长的必需环境因子。一般认为,水底光强不足入射光的1%时,沉水植物就不能定居(许木启和黄玉瑶,1998)。另外,光在水中的衰减依赖于波长、光强和光质,它们均随水体深度而变化。随着水深增大,红光(660nm)与远红光(730nm)的比率会增加,这将影响水生植物的形态发生(MaberlyandSpence,1989)。大型沉水植物对水下极度变化的光照环境具有很大的可塑性与适应性。为了适应水体中迅速衰减的光照条件,沉水植物在形态学及生理机制上发生大量变化以最大限度地吸收光辐射。从形态上看,沉水植物的叶片通常仅几层细胞厚(2或3层),很多种类的叶片分裂纤细,以增大单位生物量的叶面积,从而有利于其对有限资源如光和无机碳等的利用。大多数沉水植物叶片的表皮细胞中含有叶绿体,这是与陆生植物最显著的区别。陆生植物的叶绿体一般仅局限于叶肉细胞,除了在保卫细胞中外,很少在表皮细胞中出现。从生理上看,所有的沉水植物都是阴生植物,叶片的光合作用在全日照的很小一部分时即达到饱和,沉水植物的光饱和点(净光合作用最大时的光强)及光补偿点(净光合作用为零时的光强)比陆生阳生植物低很多(Bowes,1985)。研究表明,许多沉水植物的光补偿点范围约为全日照的0.5%和3%(Vanetal.,1976;Bowesetal.,1977)。如狐尾藻属(Myriophyllum)植物的沉水叶的光饱和点和光补偿点分别为全日照的15%和2%,其光合作用特征是对阴生环境的适应(SulvucciandBowes,1982)。较低的光补偿点对沉水植物实现碳的净获得具有十分重要的意义,因为入射辐射光强必须在光补偿点以上,植物才能生长。日出后辐射呈指数上升,但在最初的1或2小时内,沉水植被所处环境中的辐射光强低于其中一些种的光补偿点。当有充足的光照时,溶解无机碳(dissolvedinorganiccarbon,DIC)由于光合作用的消耗成为一个重要的限制因素。而低光补偿点的植物在一天中的较长时间内即可达到净光合生产,并能有效地利用有限的DIC。当种间为光而竞争时,黑藻(Hydrillaverticillata)由于需要较少的光,其光补偿点也较低(Vanetal.,1976),因此在受到光限制时,它能够比其他的大型水生植物具竞争优势。在高光低CO2水平时,沉水植物光呼吸作用可发生。在可利用的CO2浓度较低以及光强较高时,光呼吸防止高光强对光后器官的破坏(Heberetal.,1996)。Rubisco有羧化和加氧双重的功能,当O2增加,温度升高,再加上高光时,则有利于Rubisco发挥加氧作用,从而发生光呼吸。大多数沉水植物的光呼吸活性比陆生植物的要低(Beeretal.,1991;FrostChristensenandSand-Jensen,1992)。再加上环境条件,如水体流速和光密度的减少将使Rubisco趋向于羧化酶方向而非氧化酶方向,因为这些条件减少了植物在光合作用中氧气的累积(Frost-ChristensenandSand-Jensen,1992)。2温度对黑藻光合的影响沉水植物所处水环境的温度变化比较缓慢而且稳定,其不同的代谢过程对温度的反应有所不同,而生长则代表了所有这些过程及反应的综合。在不同的沉水植物中已发现与温度有关的光合速率存在着很大差异。尽管某些物种光合作用的最适温度比较相似(25～30℃),但它们在较低的温度下(10～15℃)常常表现出光合作用能力的显著差异(BarkoandSmart,1981)。短期内,黑藻、穗花狐尾藻(Myriophyllumspicatum)、金鱼藻(Ceratophyllumorzetorum)及埃格草(Egeriadensa)在10～40℃的范围内表现出净光合作用,最适温度范围在28～37℃之间变动。在饱和光强下,陆生植物光合作用和呼吸作用最适温度和忍耐范围显示出很大的变化,而大多数海草类在相对较狭的25～35℃温度范围内却显示出最大饱和光强的光合作用(LeuschnerandRees,1993)。温度对光合作用的影响与生长反应相关。从抽条生物量、抽条长度及抽条数目看,黑藻在较高温度(32℃)时比穗花狐尾藻和埃格草表现出较大的生长反应(BarkoandSmart,1981)。对埃格草而言,顶生生长(terminalgrowth)在夏季停止,当温度达到30℃时植株开始衰亡,秋季时则恢复生长。当水温降至10℃时,生物量达最大。黑藻和埃格草均表现出生长温度与CO2补偿点呈负相关反应。黑藻较低的CO2补偿点与植物生长在32℃时关联,而生长在16℃时则出现高的CO2补偿点(BarkoandSmart,1981)。CO2补偿点指示了光合作用发生的限度:补偿点高表明呼吸作用明显,低则反之。因此当这两种沉水植物在较高温度下生长时,能限制通常由于光呼吸作用所带来的DIC的损失,所以能够在DIC可利用性低的环境中提高碳的吸收。3ph对最佳光合速率的影响在一些缓冲性能良好的淡水中,pH可以是一个非常稳定的因子。但是在植被生长茂密从而相对静止的水体中,由于植物光合作用和呼吸作用的影响,可以在这些地段产生相当大的pH昼夜变化(Bowesetal.,1979)。另外,在致密植被与无植被水面交互分布的地方,可发现在不到1m的距离内pH值的差异可以达到4个单位。在一些营养水体中,水生植物是H+的净生产者,必须把它们排除体外以进行内部pH调控。一些沉水植物,包括Elodeacanadensis和光叶眼子菜(Potamgetonlucens)分别从叶表面远轴和近轴处分泌H+和OH-,以此调控叶片周围液相扩散层的pH值。沉水植物可以于短期内在一定pH范围内进行光合作用。黑藻在饱和DIC水平下,净光合作用从pH3.0到6.0时达最大,pH在6.0以上时光合速率与游离CO2浓度一起下降,这表明其光合作用优先利用CO2而不是HCO3-(Vanetal.,1976)。类似地,金鱼藻光合作用在pH5.8～6.2时最大,pH高于9.0时,光合速率为最大值的20%。Elodeanuttallii在pH高于7.0和低于6.0时,光合作用速率均下降(Jonesetal.,2000)。在较高pH下光合速率的降低更多反映了可利用DIC的形式。当存在充足的DIC时,黑藻、穗花狐尾藻和金鱼藻在pH8.0时的光合速率与pH4.0时的相似(Vanetal.,1976),因此虽然淡水植物优先利用自由CO2,但大多数在一定程度上也能利用HCO3-,但由于对HCO3-亲和力低,因此需要更多的HCO3-以达到一定的光合速率。对沉水植物来说,pH最重要的间接影响是对水体中DIC不同形式(自由CO2、H2CO3、HCO3-和CO32-)间的平衡产生作用。在低pH(<7.0)水体中,大多数DIC以自由态CO2的形式存在,在高pH(>7.0)水体中,大量DIC以HCO3-和/或CO32-形式存在。因此,在淡水系统中,沉水植物光合作用所利用的无机碳源会由于pH的影响而变化。4有机碳对水下植物的相互作用的影响4.1外部碳源利用的能力CO2是陆生植物也是水生植物光合作用中最易利用的无机碳源形式,与陆生植物最大的区别是许多种类的水生植物在进行光合作用时具有利用外部碳源重碳酸盐(HCO3-)的能力。水体中无机碳源以3种形态存在,即自由CO2(溶解于水中分子形式的CO2和H2CO3)、离子态的重碳酸盐以及碳酸盐(CO32-)。无机碳源3种分布形态由pH决定,大多数淡水pH值通常都高于7,溶解无机碳源形式HCO3-占优势(Madsen,1993)。在pH值7.0～8.5之间,HCO3-/CO2从4倍增大到140倍(SandJensen,1983),当碱度高于1meq.L-1,水体中DIC限制水生大型植物的生长(MadsenandMaberly,1991),但能够吸收HCO3-的水生植物其最大生长量要比吸收CO2的低(MaberlyandSpence,1983)。即便如此,具有利用HCO3-能力的大型水生植物比起缺少此能力的植物更能适应高pH低CO2的水体环境(MaberlyandSpence,1983)。一般来说,满足沉水植物生长和进行光合作用所需的CO2浓度至少要达到300～1000µmol.L-1(MadsenandSand-Jensen,1991)。虽然CO2能轻易地穿透生物膜,但在水中的扩散速率比在空气中低104倍,再加上厚的细胞外扩散层,使沉水植物在水中进行光合作用受到CO2供应的胁迫。白天,沉水植物光合作用消耗CO2,释放出O2,使水体pH升高,作为溶解无机碳源可利用的CO2更少,因而会诱导高的光呼吸产生(Jahnkeetal.,1991)。另外,在许多水体中特别是在高生产力的湖泊中,沉水植物快速进行光合作用使水体表面的CO2浓度接近于零(Maberly,1996)。由于这些原因,为确保无机碳供应促使光合作用顺利进行,促进CO2朝着Rubisco活性部位方向进行,而加强Rubisco的羧化活性、抑制光呼吸作用对沉水植物是至关重要的。适应水中低CO2环境并保持较高的光合作用,利用HCO3-作为光合作用的外部碳源是沉水植物在进化过程中对沉水生活的重要适应。沉水植物利用HCO3-作为外部碳源的能力并不是普遍存在的,能够利用HCO3-的物种与仅仅利用CO2为无机碳源的物种明显不同(Sand-Jensenetal.,1992)。如水马齿苋科(Callitrichaceae)的线叶水马齿(Callitrichehermaphroditica)是完全沉水生植物,它除了利用CO2外还具有利用外部无机碳源HCO3-的能力(MaberlyandMadsen,2002),但是其他几个营两栖生活的物种仅仅可利用CO2。另外,对于两栖性的沉水植物,如眼子菜属(Potamogeton)和狐尾藻属的物种,有些具有利用HCO3-的能力,有些则不具有(MaberlyandSpence,1989),例如,竹叶眼子菜(P.malaianus)能够利用HCO3-,而P.fryerii不能利用HCO3-(Kadono,1980);穗花狐尾藻(Mgriophyllumspicatum)具有利用HCO3-的能力,轮叶狐尾藻(M.verticillatum)则不具有(MaberlyandMadsen,1998)。沉水植物对DIC利用能力的差异影响其在大型水生植物群落中的分布和种群竞争优势(PaganoandTitus,2004;PieriniandThomaz,2004),E.canadensis受水体中可利用性DIC的限制,而E.aquaticum则相反,当水体中DIC浓度较低时,E.aquaticum趋于获得竞争优势(PaganoandTitus,2004)。一般海洋大型水生植物对HCO3-的亲和性比淡水大型水生植物高,海洋和淡水大型沉水植物对HCO3-亲和性的差别可能与HCO3-利用机制的不同有关(Sand-JensenandGordon,1984)。CO2自由扩散易通过原生质膜进入细胞,然而HCO3-仅可以通过细胞壁却不能通过原生质膜,因此HCO3-可能通过特殊载体穿过质膜直接被吸收,在非原生质体部位快速转换成CO2进入细胞(Rascio,2002)。通过载体主动运输HCO3-扩散进入细胞的系统一般存在于蓝细菌、微藻和大型藻类中(BadgerandPrice,1992;MoroneyandSomanchi,1999),在水生植物中却十分罕见。研究发现E.nuttalliid中存在这样的系统,HCO3-的吸收使叶细胞中的HCO3-主动流入与H+的同向转移一起发生(Fagerbergetal.,1991)。沉水植物采用的最为普遍的对策是非原生质体的HCO3-转化为CO2。那些具有薄而扁平叶型的水生植物像眼子菜属和Elodea属的植物存在由HCO3-转变为CO2的系统,在它们的下表皮细胞或质膜处存在具有光学活性的质子泵(PrinsandElzenga,1989;HiedemaandPrins,1992;Bauretal.,1996),这样使H+被释放导致非原生质体的酸化继而促进HCO3-向CO2的转化而进入细胞,同时伴随着OH-从上表皮细胞被释放出来。因此,在利用HCO3-过程中使叶片上下表皮细胞“极化”。由于HCO3-或H2CO3不能通过双脂膜扩散而进入细胞,因此这些过程需要能量消耗。另一种系统是由胞外具活性的碳酸酐酶(carbonicanhydrase,CA)催化HCO3-转化为CO2扩散进入细胞,这种HCO3-的利用机制在许多海草中较为普遍(MillhouseandStrother,1986;BeerandRehnberg,1997;Beeretal.,2002)。胞外碳酸酐酶的介入加速了HCO3-向CO2的转化,可维持CO2恒定不断地向细胞供应以进行光合作用(NewmanandRaven,1993;Sültemeyeretal.,1993;Raven,1995;Rascioetal.,1999)。然而,利用HCO3-作为无机碳源的所有方式并不是独立进行的,而是同时进行。Hellblom(2001)曾报道并证实海草大叶藻(Zosteramarina)对HCO3-的利用同时存在以上两种利用系统。轮藻(Charophyceae)对HCO3-的利用机制研究得较为透彻。节间细胞被证实存在交替出现的酸性和碱性区带,同时细胞膜上存在称为轮藻小体(charasome)或质膜体(plasmalemasome)的折叠凹入结构。实验证明,质子泵就存在于这种结构中,同时,小体中还有碳酸酐酶存在。一般认为轮藻小体就是细胞表面酸性区的形成部位,由于折叠凹入导致的膜表面积的增加提高了其保有H+的能力。Walker等(1980)提出的轮藻HCO3-利用模式认为:轮藻小体是细胞表面特化的行使HCO3-吸收功能的结构,在这里,质子泵将细胞质中的H+输送到小体内形成酸性环境,扩散进入小体的外界HCO3-由碳酸酐酶催化形成较高浓度的CO2后扩散进入细胞。由于质子转出而在细胞质内形成的多余OH-则在细胞膜的其他部位集中排出而形成碱性区带。Lucas(1983)又提出,HCO3-也有可能以HCO3-/H+协同运输的方式直接进入细胞。4.2提高实际羧化速率沉水植物为适应水中低CO2环境并保持较高的光合作用,需要提高细胞内CO2浓度的方式,以提高Rubisco周围的CO2浓度,进而提高体内实际羧化速率。为增强对水体无机碳的吸收,许多水生植物除了利用重碳酸盐作为无机碳源以外,在生理生化方面也有一些特殊的方式,即选择不同的光合代谢途径,如景天酸代谢(crassulaceanacidmetabolism,CAM)和拟C4(C4-like)代谢,使得在时间和空间上最大可能地利用无机碳以及在此过程中碳酸酐酶所起的作用。4.2.1黑藻结构单元利用的生物活性化合物栖息于水环境中的绝大部分沉水植物属于C3型,如毛茛属(Ranunculus)、金鱼藻属(Ceratophyllum)和狐尾藻属的种类均呈现C3型的光合代谢。C3型的大型水生植物能将CO2载到具羧化活性的酶部位,使光呼吸处于低水平。尽管如此,为最大可能地获得无机碳,沉水植物出现了拟C4型光合途径。由于环境条件常常限制DIC的利用,特别是由于光合放氧又不断地使O2的浓度升高,这有利于Rubisco氧化酶活性的增加,因而一些沉水植物能够激活C4型光合代谢,使其CO2补偿点降低而克服光呼吸并增加植物对碳的获得能力(Reiskindetal.,1997)。在富营养水体中的繁茂植被中,水生植物C4途径是可诱导和可调节的,并且与C3途径相伴随发生(Rascio,2002)。C4代谢途径的诱导是植物碳浓缩机制的表现形式之一,这与磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(phospoenopyruvatecarboxylase,PEPC)活性明显增加有关。当受到无机碳胁迫时,黑藻通过增加其C4关键酶的活性数目来提高内部CO2浓度。有大量证据说明沉水植物黑藻具有典型的C4型光合途径(BowesandSalvucci,1989),用14C标记发现光合作用初始产物主要是苹果酸和天冬氨酸复合物,然后14C标记物快速转移进入PCR循环而再次被固定成为光合产物(SalvucciandBowes,1983a)。研究还发现黑藻具有低CO2补偿点,类似于陆生C4型植物但缺少Kranz解剖结构。当黑藻生长受到CO2的胁迫时,其C4光合途径可被诱导,在减少光呼吸抑制的同时也增加了PEPC的活性(SalvucciandBowes,1981)。Reiskind等(1997)也证实黑藻C4途径可被诱导,当溶解无机碳浓度较低时,它可从C3转移到C4代谢途径从而抑制光呼吸的进行。黑藻浓缩CO2是在叶绿体细胞中进行的(Reiskindetal.,1997)。PEPC的有效底物是HCO3-,PEPC将磷酸烯醇式丙酮酸(phosphoenolplyruvate,PEP)羧化形成苹果酸和天冬氨酸,进而脱羧生成3-C产物,释放出的CO2在Rubisco周围形成较高的浓度,从而抑制Rubisco的氧化酶活性,减少光呼吸。C4途径的出现使沉水植物可以直接利用HCO3-作为PEPC光合作用初始阶段的固定碳源。除此之外,研究发现CAM在沉水植物中也存在,如水韭(Isoeteshowellii)(KeelyandBowes,1982)。CAM型水生植物在夜间对CO2有很高的吸收能力,进而形成苹果酸,然后苹果酸脱羧释放出的CO2,再由Rubisco固定进入C3途径。这种代谢由夜间高活性的PEPC和细胞内日夜变化的酸度所调控。水生植物CAM型代谢可称为AAM(aquaticacidmetabolism),在水韭型(isoetids)物种中普遍存在。一般来说,CAM型被认为是植物对干旱环境的适应,但对于沉水植物选择这种途径的驱动力是为了加强对水体中无机碳的利用。CAM型沉水植物缺少功能性的气孔,在夜间固定来自于周围呼吸作用产生的CO2。由于其他一些光能自养型生物在夜间对碳的需求很小,它们对CAM型水生植物产生的竞争较小,因而CAM型水生植物在夜间拥有相对较高浓度的CO2。C4型沉水植物黑藻也出现了CAM型代谢(HoladayandBowes,1980),这对CO2的浓缩起修饰作用。沉水植物C4和CAM光合代谢是沉水植物在环境胁迫下增加CO2浓度的一种适应,具有生理可塑性(KeelyandBowes,1982;Spenceretal.,1996)。4.2.2植物界ca碳酸酐酶(CA)对大型水生植物吸收利用HCO3-起重要作用(Sültemeyeretal.,1993)。研究表明在沉水植物Ranunculuspenicillatusspp.pseudofluitans(NewmanandRaven,1993)和Ranunculuspenicillatus(Rascioetal.,1999)中CA的活性对维持光合作用速率起决定性因素,然而此酶在其他物种诸如光叶眼子菜中所起的作用却不明显(Staaletal.,1989)。CA分布在所有的绿色植物中,从低等的藻类和蕨类到高等的被子植物中都含有CA。CA是CCM(carbonconcentratingmechanism)中的重要组成部分,促进Rubisco的羧化作用,在水体中DIC主要以HCO3-形式存在的情况下,CA可加速HCO3-向CO2的转化,为Rubisco提供有效底物。CA存在于细胞内即叶绿体和细胞质中,也存在于胞外,即它常常附着于细胞膜附近。在C3植物中,CA与Rubisco同存在于叶绿体基质中,CA蛋白含量仅次于Rubisco(Nathalieetal.,1990)。据报道,在某些植物中CA约占可溶性蛋白的1%～2%(Tobin,1970),并且其主要活性集中于叶绿体基质中(Rumeauetal.,1996)。C4植物中,大量的CA分布于叶肉细胞的细胞质里(郭敏亮和高毓珠,1989;Kuetal.,1996)。C4植物主要以HCO3-作为最初的无机碳源,而且CA与PEP羧化酶在C4植物细胞内的分布是一致的,C4植物的CA起着为PEP提供有效无机碳源的作用(郭敏亮和高毓珠,1989)。已证明胞外CA在CCM中可维持质膜内CO2浓度,加强Rubisco的羧化作用而抑制光呼吸。光合作用过程中胞内CA对CCM是必要的(Funkeetal.1997),但它在胞内的具体作用机制并不清楚。在大型海藻中,胞内CA被认为具有催化胞内无机碳库产生、向Rubisco部位供应CO2的作用(Dixonetal.,1987)。在沉水植物C3代谢途径中,CO2是Rubisco羧化酶的有效底物,因此为使光呼吸处于低水平,必然要通过胞内CA的有效活性促使CO2对羧化酶的供应(Sültemeyeretal.,1993)。沉水植物黑藻依赖于CA的溶解无机碳浓缩机制可同时与C4途径一起被诱导(SalvucciandBowes,1981;SalvucciandBowes,1983b)。5c型水生植物由于沉水植物生境的特殊性,它对无机碳的需求相对比较困难,为适应水中生活并进行光合作用,沉水植物形态与陆生植物相比也发生了很大的改变。气孔减少,但在茎和叶中存在气室,叶型常呈裂叶或异叶型,表皮层薄,叶表皮含有大量的叶绿体,机械组织不发达,以及水中授粉(Sculthorpe,1967)。表皮层薄,叶表皮具叶绿体以及叶形成高度裂叶可增大单位生物量的表面积比,这些使得从环境到CO2的固定距离可被减少到最小。淡水大型植物这种形态和生理学特性可削弱光和无机碳的限制。一些水韭型的物种拥有气腔系统对获取无机碳起一定作用。C4型水生植物一般缺少像陆生C4型植物那样的Kranz解剖结构,沉水植物黑藻(HoladayandBowes,1980)和埃格草(Casatietal.,2000),对它们具有C4型的光合途径研究较为深入,并证实它们缺少Kranz解剖结构。就沉水植物而言,高等植物C4光合碳循环并非专一性地依赖于Kranz解剖结构。然而Keely(1998)对禾本科中Neostapfiacolusana和Tuctoriagreenei的研究发现,它们具有C4型光合途径,但是在沉水叶中却存在Kranz解剖结构。说明在某些水生物种中存在