海洋所在詮釋熱帶海草床資源退化原因與發(fā)生機制研究中獲系列新進展
海草床作為近海三大海洋生態(tài)系統(tǒng)之一,為眾多海洋生物提供棲息、繁衍和競爭場所,同時也是重要的藍色碳匯,具有極其高效的光合放氧和碳捕獲與碳封存能力,因此在維持海洋生物多樣性、生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性、漁業(yè)資源量、地球碳氮氧循環(huán)平衡以及固碳增匯過程中都發(fā)揮著不可替代的作用。近年來,全球范圍內(nèi)海草床資源豐度和總量持續(xù)降低、退化甚至消失。國際自然保護聯(lián)盟已將幾乎所有的海草納入易危、瀕危和極危物種保護名錄,呼吁全社會積極關注和保護海草床生態(tài)資源。盡管如此,即便在自然保護區(qū)內(nèi),海草床資源退化趨勢同樣發(fā)生,但是目前具體誘因與發(fā)生機制并不清楚,嚴重阻礙了海草床資源保護和修復工作。
近年來,中科院海洋所重點選擇海菖蒲、泰來草、圓葉絲粉草等熱帶海草為研究對象,生態(tài)考察耦合實驗室模擬和野外原位試驗,系統(tǒng)開展了生長繁殖規(guī)律、逆境生理、生化代謝和多組學研究。結果發(fā)現(xiàn),以往忽視的全球變暖導致海水溫度異常波動、人類活動引起近岸海水富營養(yǎng)化和海水透明度降低直接或間接地導致海水氧含量大幅下降,嚴重威脅熱帶海草正常光合與呼吸代謝和生長發(fā)育,成為海草床資源退化的重要誘發(fā)因素,進而詮釋了高/低溫、缺氧等對海草傷害和海草床資源衰退的機制。

夜晚缺氧抑制海菖蒲光合活性的傷害機制
其中,海水富營養(yǎng)化導致微型藻類與飄浮型大型藻類爆發(fā)和懸浮顆粒等增加,引起海水透明度和海水溶氧量下降,成為熱帶海草資源量減少的重要因素之一。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(yǎng)化海草床夜晚含氧量下降近50%)嚴重抑制海草呼吸產(chǎn)能和線粒體向葉綠體內(nèi)的能量轉運,間接導致受強光抑制損傷的光系統(tǒng)II修復所需能量不足,從而使損傷的光系統(tǒng)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(chǎn)生惡性循環(huán)嚴重阻礙海草的正常生長發(fā)育。
同時,全球變化引起海水高/低異常變化尤也對棲息于較淺水域熱帶海草產(chǎn)生影響,成為導致海草床資源嚴重退化的另一重要原因。一方面,海菖蒲、泰來草和絲粉草等只適宜于棲息在溫暖的熱帶海水中,而其耐受低溫能力較差、抗氧化防御系統(tǒng)普遍較弱,有效抵御低溫脅迫的能力不足,即便在稍低的21℃海水中,其PSII光合機構損傷就已發(fā)生,引起光合性能下降,并且溫度越低所造成的損害也越大,如果同時結合強光照則損傷更加嚴重。另一方面,熱應激也嚴重威脅著海草的生存,尤其36℃以上高溫直接導致PSII反應中心失活,誘發(fā)光合機構發(fā)生損傷,并且熱脅迫越強其光合活性的恢復就越困難,高光照可進一步加劇熱應激的破壞作用,因此在無論出現(xiàn)異常的海洋熱浪,還是自然狀態(tài)下中午退潮期間,熱應激與強光耦合作用都極易造成光合活性發(fā)生顯著甚至不可逆轉地下降;同樣,相對薄弱的熱帶海草抗氧化防御系統(tǒng)也難以消除熱應激引起的損傷作用。
潮汐變化引發(fā)的午間低潮強光與高溫對海草床資源的損傷作用
上述研究有助于全面理解海水缺氧、溫度異常波動與海草床退化間的關系,為制定海菖蒲海草床資源有效保護和修復策略,提供了重要理論依據(jù)。研究取得的系列成果分別在中科院一區(qū)Top期刊《Plant Cell and Environment》《Marine Pollution Bulletin》《Marine Environmental Research 》《Photochemistry and Photobiology》等上線發(fā)表。車興凱、張孟潔、欒維迎和張鐵等分別作為研究論文第一作者,劉建國研究員為通訊作者,李虎助理研究員、張立濤副研究員分別參與了相關工作。研究得到了國家自然科學基金和中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項(B)等項目支持。
Xingkai Che, Tie Zhang, Hu Li, Yongfu Li, Litao Zhang, Jianguo Liu*, Nighttime hypoxia effects on ATP availability for photosynthesis in seagrass. Plant Cell and Environment, 2023, DOI: 10.1111/pce.14654
Mengjie Zhang, Hu Li, Litao Zhang, Jianguo Liu*, Heat stress, especially when coupled with high light, accelerates the decline of tropical seagrass (Enhalus acoroides) meadows. Marine Pollution Bulletin, 2023, 192 :115043. https://doi.org/10.1016/j.marpolbul.2023.115043
Xingkai Che; Tie Zhang; Hu Li; Litao Zhang; Jianguo Liu*; Effect of Hypoxia on Photosystem II of Tropical Seagrass Enhalus acoroides in the Dark, Photochemistry and Photobiology, 2022,98(2): 421-428. https://doi.org/10.1111/php.13522
Tie Zhang; Xingkai Che; Hu Li; Litao Zhang; Jianguo Liu*; The damage mechanisms of dark hypoxic stress on photosystem II of Cymodocea rotundata, Photochemistry and Photobiology, 2022, 98: 1323-1331. https://doi.org/10.1111/php.13641
Weiying Luan, Hu Li, Litao Zhang, Jianguo Liu*, Enhalus acoroides efficiently alleviate ocean acidification by shifting modes of inorganic carbon uptake and increasing photosynthesis when pH drops. Marine Environmental Research, 2023, 186: 105896. https://doi.org/10.1016/j.marenvres.2023.105896
Mengjie Zhang, Litao Zhang, Hu Li, Jianguo Liu*, The lack of low temperature tolerance of tropical seagrasses strongly restricts their geographical distribution. Marine Environmental Research, 2022, 173:105539. https://doi.org/10.1016/j.marenvres.2021.105539
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