浮萍是浮萍科（Lemnaceae）水生植物的統稱(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。浮萍結構簡(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(cháng)速率最快的高等植物類(lèi)群之一（16-48小時(shí)內生物量加倍）。適宜條件下，浮萍年生物量積累可達106噸/公頃，遠高于傳統農作物?；诟∑荚诮Y構、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用價(jià)值。因此，浮萍是集基礎研究與產(chǎn)業(yè)應用于一身的重要植物資源。 

圖1. 紫萍在不同營(yíng)養條件下的表型。a，自然環(huán)境下的紫萍；b，異養；c，混合營(yíng)養；d，自養 

　　近年來(lái)，中國科學(xué)院水生生物研究所侯宏偉團隊研究發(fā)現，紫萍不是嚴格的自養植物，不僅營(yíng)自養生長(cháng)，還可以代謝多種有機碳進(jìn)行混合營(yíng)養、異養和光異養生長(cháng)，具有營(yíng)養模式的多樣性（Sun et al.，2022a）。不同營(yíng)養條件下紫萍在形態(tài)（圖1）、生長(cháng)和生理指標等方面具有顯著(zhù)差異，表型可塑性強（Sun et al.，2022b。封面文章）。同時(shí)，他們發(fā)現混合營(yíng)養紫萍的生長(cháng)速率遠高于異養和自養紫萍之和，表明在混合營(yíng)養條件下紫萍的光合生長(cháng)和異養代謝具有協(xié)同效應，并不是兩者的簡(jiǎn)單相加（Sun et al.，2020）。然而，混合營(yíng)養紫萍具體的代謝調控機制仍不清楚。 

　　近日，該團隊以紫萍（Spirodela polyrhiza 7498）為實(shí)驗材料，結合表型組、蛋白質(zhì)組和代謝組等技術(shù)手段解析了其在不同營(yíng)養條件下的代謝特性，揭示了混合營(yíng)養的代謝調控機制（Sun et al.，2023）。 

圖2. 紫萍在不同營(yíng)養條件下的光呼吸代謝 

  他們發(fā)現，紫萍作為C3植物，具有類(lèi)似于C4植物的CO₂濃縮機制（C4-like carbon-concentrating mechanism，CCM）。與自養紫萍相比，混合營(yíng)養紫萍的CO₂濃縮和光合作用受到顯著(zhù)抑制，表明混合營(yíng)養紫萍減少了對光合生長(cháng)的依賴(lài)。而混合營(yíng)養紫萍的呼吸作用（糖酵解、三羧酸循環(huán)、磷酸戊糖和厭氧發(fā)酵）活性顯著(zhù)高于自養紫萍，導致細胞內CO₂濃度升高，CO₂濃度降低。高濃度的CO₂能夠滿(mǎn)足紫萍光合作用對外界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，提高了紫萍有機碳利用效率（圖2和3）。

　　此外，他們還探討了混合營(yíng)養的生態(tài)學(xué)意義。通常認為高等植物是嚴格的自養生物，該研究表明，至少在淡水生態(tài)系統中情況并非如此，混合營(yíng)養模式具有普遍性。而且，混合營(yíng)養中異養/自養的比率會(huì )顯著(zhù)影響碳循環(huán)。該工作為高等植物營(yíng)養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(xiàn)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。該研究得到了中國科學(xué)院國際伙伴關(guān)系計劃項目（152342KYSB2020021）和國家自然科學(xué)基金（32201285、32001107和32101254）的支持。 

　　參考文獻： 

　　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.