夜間低氧對海草光合作用ATP利用率的影響
海草草甸是沿海地區最具生產力的水生生態系統之一，也是全球重要的碳儲存地。低氧一直是海岸帶生態系統的主要威脅之一，且與海草草甸的衰退密切相關，但其損害機制尚不清楚。中科院海洋所劉建國、張立濤研究團隊以海菖蒲為研究對象，設置三個處理，分別為低光強環境下正常氧氣濃度（LN）、黑暗環境下正常氧氣濃度（DN）、黑暗環境下缺氧濃度（DH），利用英國Hansatech公司生產的Handy PEA植物效率分析儀、FMS-2葉綠素熒光儀、Oxytherm液相氧電極等儀器，研究了夜間低氧環境對海草傷害和海草床資源衰退的機制。研究結果“Nighttime hypoxia effects on ATP availability for photosynthesis in seagrass”發表在Plant Cell and Environment（生物學1區TOP IF=7.3）雜志上。
圖1 不同環境下光系統II（PSII）的恢復及再光照后的光合能力
圖2 暗缺氧對光合基因的影響
由上述可得，在LN、DN和DH處理下，受強光損傷的PSII可恢復。與LN和DN相比，DH幾乎完全抑制了PSII活性的恢復（圖1a）。在最初5h內，LN處理下PSII恢復速度略快于DN，但無顯著性差異。5小時后，LN的PSII恢復速率顯著快于DN（圖1a）。LN處理下海草的PSII活性最終恢復到與高光處理前相同的水平，但DN的PSII活性僅恢復到處理前活性的80%（圖2a）。研究人員模擬在水下5cm進行打光照射，在光照1小時后，DH處理下海菖蒲PSII的光化學效率和氧釋放速率都顯著低于在LN或DN，在DN處理下其PSII的光化學效率略低于在LN（圖1b,c）。除了先前觀察到的光合參數（Fv/Fm、O2釋放速率和ΦPSII）外，與DN處理相比，DH處理的RC/CSM和WK降低，而1?Vj沒有變化（圖2b），這表明DH導致PSII反應中心失活和OEC損傷，而沒有加重PSII的D1蛋白損傷。為了進一步探討低氧對黑暗條件下海草光合作用的影響，采用轉錄組學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基因的差異表達。與DN相比，在DH中鑒定了33個參與卡爾文循環的酶基因，其中19個是下調基因。且DH中鑒定了涉及光反應的四種主要復合物的三十六種基因，其中15種基因是下調基因（圖2c、d）。在光反應的四個復合體中，PSII復合體中下調基因的比率最高，為58%（圖2d）。
圖3 不同環境下D1蛋白、H2O2和呼吸速率的變化當D1蛋白質周轉被CAP抑制時，在DN下PSII活性的恢復沒有延遲（圖3a）。D1蛋白在強光處理1小時后顯著降解，并且在DN下PSII活性恢復期間其未重新合成（圖3b）。這些結果表明，PSII活性的恢復不涉及DN下D1蛋白的再合成。在強光處理1小時后，H2O2含量顯著增加。在恢復5小時后，處理的H2O2含量沒有變化，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產生對光系統II（PSII）恢復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（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劑FCCP消除后，PSII活性不能恢復，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II（PSII）恢復，降低海菖蒲光合能力的機制的示意圖研究人員將本試驗的發現整合為上述機制示意圖（圖5），并作出如下總結：短期缺氧雖不破壞海草光合機構，但長期黑暗缺氧（如富營養化海草床夜晚含氧量下降近50%）嚴重抑制海草呼吸產能和線粒體向葉綠體內的能量轉運，間接導致受強光抑制損傷的光系統II修復所需能量不足，從而使損傷的光系統II難以修復，也造成次日海菖蒲和絲粉草等海草的光合活性、電子傳遞和光能轉換效率整體下降，由此產生惡性循環嚴重阻礙海草的正常生長發育，導致海草草甸退化。
