浮萍是浮萍科（Lemnaceae）水生植物的統(tǒng)稱，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，高于傳統(tǒng)農(nóng)作物?；诮Y(jié)構(gòu)、功能和代謝上的特性，浮萍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。 

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)發(fā)現(xiàn)紫萍不是嚴(yán)格的自養(yǎng)植物。紫萍不僅營(yíng)自養(yǎng)生長(zhǎng)，而且可以代謝多種有機(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，且表型可塑性強(qiáng)（Sun et al.，2022b。封面文章）。同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)混合營(yíng)養(yǎng)紫萍的生長(zhǎng)速率高于異養(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）。 

研究發(fā)現(xiàn)，紫萍作為C3植物，具有類似于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。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、O₂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)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、3）。 

此外，研究探討了混合營(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。同時(shí)，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）。 

相關(guān)研究成果以Metabolic flexibility during a trophic transition reveals the phenotypic plasticity of greater duckweed (Spirodela polyrhiza 7498)為題，在線發(fā)表在《新植物學(xué)家》（New Phytologist）上。研究得到中科院國(guó)際伙伴關(guān)系計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金的支持。 

論文鏈接 

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)。 

圖2.紫萍在不同營(yíng)養(yǎng)條件下的光呼吸代謝 

圖3.紫萍在不同營(yíng)養(yǎng)條件下的代謝特性 

來(lái)源：水生生物研究所