太湖沉水植物对大气CO2浓度升高的响应机制

The effect of elevated CO2 concentration on macrophyte growth has become a focus of researches on the relationship between global climate change and ecosystem evolution. It is an urgent scientific issues needed to be focused on that submerged macrophyte, as an important part of aquatic ecosystem in a shallow lake, responds to elevated CO2 concentration. The submerged macrophyte P. malaianus, collected from Gonghu Bay in Taihu Lake, will be used as experimental materials to clarify the effect of elevated CO2 concentration on P. malaianus growth. The variation characteristics of plant P. malaianus morphology, photosynthesis and respiration rates, ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase (Rubisco), cytochrome oxidase (COX) and protective enzymes activity, nonstructural carbohydrate, and nutrient contents were investigated in a self-developed culture apparatus under constant temperature with elevated CO2 concentration using a Clark-type O2 mini-electrode connected to a pA meter and transmission electron microscopy (TEM), in order to elucidate the interaction among the submerged P. malaianus morphology, photosynthesis and respiration rates, and distribution of nutrients in P. malaianus. The primary response mechanisms of the submerged P. malaianus growth to elevated CO2 concentration will be illuminated from the variation of morphology, physiology and biochemistry of plant. It is of critical scientific significance that the research findings will help to predict the effect of global climate change on the population evolution of submerged macrophyte from shallow lake in China in the future and be conducive to the development of protection countermeasures of submerged plant.

大气CO2浓度升高对植物生长的影响是全球气候变化与生态系统演化关系研究领域中的热点。沉水植物作为湖泊水生生态系统的重要组成部分，其对大气CO2浓度升高的响应机制是当前迫切需要关注的科学问题。本项目以太湖沉水植物马来眼子菜为研究对象，利用自主研发的沉水植物恒温培养装置以及溶氧微电极在线监测与透射电子显微镜扫描技术，研究大气CO2浓度升高对马来眼子菜生长的影响，分析马来眼子菜植株形态、光合作用与呼吸速率、核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶、细胞色素氧化酶及保护酶活性、非结构性碳水化合物与营养物质含量的变化特征，阐明马来眼子菜植株形态-光合与呼吸作用-营养物质分配之间的反馈调节关系，从植物形态学、生理学以及生物化学等角度揭示马来眼子菜生长对大气CO2浓度升高的主要响应机制。本项目的实施对预测未来全球气候变化条件下我国湖浅水泊沉水植物种群演化趋势以及制定沉水植物保护对策具有十分重要的科学意义。

化石燃料的大量燃烧以及土地利用方式的快速转变，导致了全球大气CO2浓度由工业革命前的280μmol/mol上升到2005年的375 μmol/mol，预计2100年将达到750μmol/mol，大气CO2浓度逐年升高改变了湖泊水体中无机碳形态组成及其浓度。我国浅水湖泊呈现出明显的富营养化状态，在氮磷含量能满足沉水植物整个生长过程对营养盐的需求条件下，水体中无机碳形态与浓度成为制约沉水植物光合作用和生长的关键因子。因此，开展大气CO2浓度升高与沉水植物生长变化响应关系研究。.以沉水植物苦草、水盾草为研究对象，主要采用室内模拟的实验方法，通过控制培养箱内CO2浓度，研究模拟CO2浓度升高条件下对苦草、水盾草形态、生理生化、光合生理及物种内、种间竞争方面的影响，主要包括1）、大气CO2浓度升高对沉水植物苦草、水盾草形态特征的影响，2）、大气CO2浓度升高对沉水植物苦草、水盾草生理特征的影响3）、大气CO2浓度升高对沉水植物苦草、水盾草光合特性的影响，以及4）、多环境因子调控对苦草、水盾草生长、竞争的影响。.CO2浓度升高增加了水生植被体内电子传递速率（ETRmax）、叶片潜在光合能力与光能利用能力，促进了植物叶片内可溶性蛋白、可溶性糖的合成以及生物量积累，导致水生植物异速生长，表明水体中无机碳水平是当前沉水植物生长的限制性因子，提高CO2浓度有利于沉水植物生长。CO2浓度升高能有效提高苦草的竞争能力，CO2浓度是影响沉水植物苦草、水盾草竞争的主要因子，其次是温度。研究结果对认识全球环境变化条件下我国浅水湖泊沉水植被生态系统的演化趋势具有重要的意义。