新聞科研進(jìn)展
浮萍是浮萍科（Lemnaceae）水生植物的統(tǒng)稱(chēng)，包含紫萍、少根紫萍、浮萍、扁無(wú)根萍和蕪萍5個(gè)屬，共36個(gè)種，在世界各地廣泛分布。浮萍結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單（僅具有特化的葉狀體或與不定根組成），個(gè)體微小，是生長(zhǎng)速率最快的高等植物類(lèi)群之一（16-48小時(shí)內(nèi)生物量加倍）。適宜條件下，浮萍年生物量積累可達(dá)106噸/公頃，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)農(nóng)作物。基于浮萍在結(jié)構(gòu)、功能和代謝上的特性，被廣泛用于光合作用、形態(tài)建成和遺傳進(jìn)化等機(jī)理研究。同時(shí)，浮萍在解決人類(lèi)面臨的食物、健康、能源和環(huán)境等問(wèn)題方面也有重要的應(yīng)用價(jià)值。因此，浮萍是集基礎(chǔ)研究與產(chǎn)業(yè)應(yīng)用于一身的重要植物資源。
圖1. 紫萍在不同營(yíng)養(yǎng)條件下的表型。a，自然環(huán)境下的紫萍；b，異養(yǎng)；c，混合營(yíng)養(yǎng)；d，自養(yǎng)
近年來(lái)，中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所侯宏偉團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，紫萍不是嚴(yán)格的自養(yǎng)植物，不僅營(yíng)自養(yǎng)生長(zhǎng)，還可以代謝多種有機(jī)碳進(jìn)行混合營(yíng)養(yǎng)、異養(yǎng)和光異養(yǎng)生長(zhǎng)，具有營(yíng)養(yǎng)模式的多樣性（Sun et al.，2022a）。不同營(yíng)養(yǎng)條件下紫萍在形態(tài)（圖1）、生長(zhǎng)和生理指標(biāo)等方面具有顯著差異，表型可塑性強(qiáng)（Sun et al.，2022b。封面文章）。同時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)混合營(yíng)養(yǎng)紫萍的生長(zhǎng)速率遠(yuǎn)高于異養(yǎng)和自養(yǎng)紫萍之和，表明在混合營(yíng)養(yǎng)條件下紫萍的光合生長(zhǎng)和異養(yǎng)代謝具有協(xié)同效應(yīng)，并不是兩者的簡(jiǎn)單相加（Sun et al.，2020）。然而，混合營(yíng)養(yǎng)紫萍具體的代謝調(diào)控機(jī)制仍不清楚。
近日，該團(tuán)隊(duì)以紫萍（Spirodela polyrhiza 7498）為實(shí)驗(yàn)材料，結(jié)合表型組、蛋白質(zhì)組和代謝組等技術(shù)手段解析了其在不同營(yíng)養(yǎng)條件下的代謝特性，揭示了混合營(yíng)養(yǎng)的代謝調(diào)控機(jī)制（Sun et al.，2023）。
圖2. 紫萍在不同營(yíng)養(yǎng)條件下的光呼吸代謝
他們發(fā)現(xiàn)，紫萍作為C3植物，具有類(lèi)似于C4植物的CO2濃縮機(jī)制（C4-like carbon-concentrating mechanism，CCM）。與自養(yǎng)紫萍相比，混合營(yíng)養(yǎng)紫萍的CO2濃縮和光合作用受到顯著抑制，表明混合營(yíng)養(yǎng)紫萍減少了對(duì)光合生長(zhǎng)的依賴(lài)。而混合營(yíng)養(yǎng)紫萍的呼吸作用（糖酵解、三羧酸循環(huán)、磷酸戊糖和厭氧發(fā)酵）活性顯著高于自養(yǎng)紫萍，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)CO2濃度升高，CO2濃度降低。高濃度的CO2能夠滿足紫萍光合作用對(duì)外界CO2的需求，同時(shí)也抑制了光呼吸和氧化損傷的發(fā)生，避免了物質(zhì)和能量的大量浪費(fèi)，提高了紫萍有機(jī)碳利用效率（圖2和3）。
此外，他們還探討了混合營(yíng)養(yǎng)的生態(tài)學(xué)意義。通常認(rèn)為高等植物是嚴(yán)格的自養(yǎng)生物，該研究表明，至少在淡水生態(tài)系統(tǒng)中情況并非如此，混合營(yíng)養(yǎng)模式具有普遍性。而且，混合營(yíng)養(yǎng)中異養(yǎng)/自養(yǎng)的比率會(huì)顯著影響碳循環(huán)。該工作為高等植物營(yíng)養(yǎng)模式研究提供了重要的研究體系（Sun et al.，2023）。
圖3. 紫萍在不同營(yíng)養(yǎng)條件下的代謝特性
近日，該研究以“Metabolic flexibility during a trophic transition reveals the phenotypic plasticity of greater duckweed (Spirodela polyrhiza 7498)”為題，在線發(fā)表于New Phytologist（https://nph.onlinelibrary.wiley.com/share/H4TYKC5MRBT8XSKSAE9P?target=10.1111/nph.18844）。博士研究生孫作亮為論文第一作者，侯宏偉研究員為通訊作者。該研究得到了中國(guó)科學(xué)院國(guó)際伙伴關(guān)系計(jì)劃項(xiàng)目（152342KYSB2020021）和國(guó)家自然科學(xué)基金（32201285、32001107和32101254）的支持。
參考文獻(xiàn)：
Sun, Z., Zhao, X., Li, G., Yang, J., Chen, Y., Xia, M., Hwang, I., & Hou, H. Metabolic flexibility during a trophic transition reveals the phenotypic plasticity of greater duckweed (Spirodela polyrhiza 7498). New phytologist, 2023.
Sun, Z., Zhao, Xia, M., Yang, J., Chen, Y., Li, X., & Hou, H. Use of hemicellulose-derived xylose for environmentally sustainable starch production by mixotrophic duckweed. Sustainable Energy & Fuels, 2022a, 7, 641-651.
Sun, Z., Guo, W., Zhao, X., Chen, Y., Yang, J., Xu, S., & Hou, H. Sulfur limitation boosts more starch accumulation than nitrogen or phosphorus limitation in duckweed (Spirodela polyrhiza). Industrial Crops and Products, 2022b. 185, 115098.
Sun, Z., Guo, W., Yang, J., Zhao, X., Chen, Y., Yao, L., & Hou, H. Enhanced biomass production and pollutant removal by duckweed in mixotrophic conditions. Bioresource Technology, 2020, 317, 124029.