喀斯特适生植物的碳酸酐酶作用机制的同位素证据

喀斯特适生植物的适生机制的阐明是人们认识植物与喀斯特环境相互作用规律的基础。来自同位素的证据对喀斯特适生植物的碳酸酐酶(CA)作用机制最有说服力。本课题将利用具有高CA活力的喀斯特适生植物为研究对象，以低CA活力的非喀斯特适生植物为对照，模拟喀斯特逆境，筛选碳氢同位素组分合适的重碳酸盐作示踪剂，调制CA活力和碳酸氢根离子的水平，研究CA对喀斯特逆境的响应方式，阐明CA影响碳、氢同位素分馏的变化规律，建立CA活力与δ13C、δD值间的关系，追踪植物细胞内的碳酸氢根离子的命运，量化碳酸氢根离子对光合作用的贡献，探讨喀斯特逆境下植物无机碳利用方式和水分利用策略，提供喀斯特适生植物的碳酸酐酶作用机制的同位素证据。研究结果将推动植物酶的稳定碳氢同位素效应研究，为植物碳氢同位素分馏模型的更新和校正提供重要参数，对揭示喀斯特生态环境演化规律，利用生物方法来治理和恢复脆弱的喀斯特生态环境具有重要的意义。

选择具有高碳酸酐酶活性的喀斯特适生植物为研究对象，以低碳酸酐酶活性的植物作为对照，筛选碳氢同位素组分合适的重碳酸盐作示踪剂，设置人工控制实验，调制碳酸酐酶活力和碳酸氢根离子的水平，建立了碳酸酐酶活力与δ13C、δD值之间的关系，阐明了碳酸酐酶影响碳、氢同位素分馏的变化规律。明确了喀斯特逆境下植物细胞内的碳酸氢根离子的命运，探讨了喀斯特逆境下喀斯特适生植物的无机碳利用方式和水分利用策略，提供了喀斯特适生植物的碳酸酐酶作用机制的同位素证据。很好地完成项目申请书中所拟定的计划任务。.取得成果如下：.（1）结合植物碳酸酐酶基因表达的分析，发现不同植物的碳酸酐酶对喀斯特逆境的响应时间、方式与强度是不同的。喀斯特适生植物的碳酸酐酶一般都能在短时间内对喀斯特逆境产生响应，受到刺激而升高，进而调节植物的生理代谢功能，引导自身适应环境。.（2）在植物遭受逆境胁迫的情况下，当气孔关闭，外来无机碳源和水源受到限制时，拥有较高碳酸酐酶活性的构树、诸葛菜等植物的光合作用利用的水和CO2部分来源于细胞液中储存的碳酸氢根离子。.（3）具有较高碳酸酐酶活力的构树、诸葛菜等植物的稳定碳或氢同位素组成（δ13C、δD）在无机碳源和水源δ13C、δD值一定的情况下明显受到碳酸酐酶的影响而发生相应的变化。碳酸酐酶活性与植物叶片的稳定碳同位素组成具有很好的线性关系。并成功利用混合同位素模型计算出植物利用碳酸氢根离子的份额及其对光合作用的贡献。.（4）在喀斯特逆境达到一定程度时, 拥有高碳酸酐酶活性的植物如构树，诸葛菜等的碳酸酐酶受激活性增加，因此植物利用碳酸氢根离子转化的CO2和H2O的能力相应增加。当内外环境改善后，气孔张开，叶片又重新回复到主要利用空气中CO2的状态。喀斯特适生植物交替利用空气中的二氧化碳和环境中的重碳酸盐。.（5）在喀斯特逆境下，通过碳酸酐酶作用，细胞内的碳酸氢根离子对植物光合作用的贡献在增大。碳酸酐酶活性越高，光合无机碳同化效率或者水分利用效率越高，碳酸氢根离子对植物光合作用的贡献就越大。同时也就会引起稳定碳、氢同位素越大的分馏，表现在植物稳定碳、氢同位素组成的变化上。.本课题的研究为现有的植物碳氢同位素分馏模型的更新和校正提供了重要参数，对揭示喀斯特生态环境演化以及植物与喀斯特环境的相互作用规律，利用生物方法来治理和恢复脆弱的喀斯特生态环境具有重要的意义。