黑暗暴露后的存活和叶片生长


在好氧或缺氧水中黑暗预孵育长达8天，随后在好氧光照水中恢复24天，显示所有洛贝利亚·多特曼纳在好氧水中黑暗8天和缺氧水中5天存活，而5株个体中有3株在缺氧8天后存活（图2）。所有利托雷拉·单叶在好氧水中黑暗8天也存活，但缺氧导致5株个体中仅3株在5天后存活，8天后仅2株存活。由于每个处理仅5株个体，统计功效低，未对物种间存活差异进行统计检验。


24天恢复后产生和/或死亡的叶片数量与先前好氧水中黑暗期长度无关。相比之下，两种物种在恢复阶段的叶片死亡率随先前缺氧期长度逐渐增加，在缺氧8天后（图2）。


两种物种在24天恢复后获得的叶片和根系加茎生物量随时间或处理无显著变化（双因素方差分析，P > 0.05）。然而，好氧黑暗暴露8天后24天恢复的平均根系加茎/叶片生物量比对于洛贝利亚·多特曼纳为1.90，利托雷拉·单叶为1.14；而初始缺氧黑暗暴露后恢复的比值对于洛贝利亚·多特曼纳仅为0.71，利托雷拉·单叶为0.25（图2）。

图2 显示了洛贝利亚·多特曼纳（左列）和利托雷拉·尤尼弗洛拉（右列）在黑暗条件下分别于富氧环境（蓝色符号）和缺氧环境（红色符号）中培养1、2、5及8天后，以及随后在光照下的富氧水中恢复培养24天后的植株存活率、叶片形成/脱落情况及组织生物量。上图：存活率（%）；中图：每株植物的新叶形成量（圆圈）与叶片脱落量（三角形）；下图：每株植物的最终叶片质量（圆圈）及根茎总质量（三角形）。数据均值±标准误（n=5）。叶片生成与脱落量以及叶片与根系最终质量仅针对存活个体计算。当数据存在重叠时，误差条以单侧形式显示。

讨论


黑暗耐受性


洛贝利亚·多特曼纳和利托雷拉·单叶在20°C好氧水中对长时间黑暗具有很强的抗性。长达8天的黑暗对黑暗后立即或24天恢复后的代谢无显著影响。随后的生长和存活也不受先前长时间好氧水中黑暗的影响。与其他沉水植物生长形式的物种相比，两种异黄醇类物种具有固有的低代谢和生长速率，延长黑暗期间的低能量消耗可能解释了它们完全维持光合作用和呼吸的能力。因此，叶片和根系加茎的平均呼吸速率对于洛贝利亚·多特曼纳仅为44 μmol O₂ g⁻¹ DM h⁻¹，利托雷拉·单叶为58 μmol O₂ g⁻¹ DM h⁻¹。与洛贝利亚·多特曼纳不同，利托雷拉·单叶通过CAM代谢的黑暗CO₂固定可能有助于前者更高的呼吸速率。假设相同速率持续长达8天，约25%和33%的碳生物量可能已损失，因为C与O₂的摩尔比为1.0，植物干物质的40%是碳。这种呼吸损失显然不是存活的问题，尽管更长时间的黑暗必须导致催化机制的减少。两种物种都是多年生和常绿的，在冬季冰和雪覆盖下0-4°C的黑暗中以健康状态存活长达4个月，表明呼吸在低温下进一步降低，允许存活并在春季光照恢复时恢复生长。这些物种也能在非常低的冬季辐照度（<20 μmol光子m⁻²s⁻¹）下进行光合作用，这反映在沉积物孔隙水中O₂浓度的增加。


缺氧耐受性


对于两种异黄醇类物种，以CO₂释放测定的厌氧呼吸显著低于（1.9-2.7倍）好氧呼吸。这一结果与先前对利托雷拉·单叶根系和另一种常见异黄醇类植物Isoetes lacustris的测量一致。它们在黑暗中相对于好氧O₂消耗的厌氧CO₂释放仅为0.1-0.25，而睡莲科植物由于更高的酒精发酵速率具有更高的比例（0.6-1.4）。


考虑到每分子葡萄糖发酵仅形成2-4个ATP分子，而好氧呼吸下最大产出为36个ATP分子，异黄醇类植物在缺氧下可获得的细胞能量确实非常低。两种异黄醇类物种没有通过加快发酵过程来补偿厌氧呼吸的低效率。相反，厌氧呼吸保持更低。


洛贝利亚·多特曼纳在缺氧8天后出现植物死亡，利托雷拉·单叶在缺氧5天后，尽管两种物种的一些个体存活了8天。缺氧的显著且逐渐增强的亚致死效应降低了两种物种在好氧条件下24天恢复期间的叶片和根系加茎后续生长。在随后的恢复阶段，长达8天的缺氧对根系加茎生长的阻碍大于叶片生长，可能是因为植物将更多能量投入到恢复叶片的活力而非根系加茎，因为叶片可以回报额外的光合能量产出，而根系加茎代表代谢汇。


缺氧是异黄醇类植物活力的真正威胁，因为随着湖泊营养富集和更高有机沉积，浅层沉积物中的O₂消耗增加。我们认为缺氧耐受性很高，因为所有洛贝利亚·多特曼纳和60%的利托雷拉·单叶植物存活了5天缺氧。相比之下，超过90%的大叶藻植物（Zostera marina）在20°C缺氧仅24小时后死亡，尽管该物种生长在永久缺氧沉积物中，更能进行厌氧发酵，特别是在根系中。两种异黄醇类植物的高缺氧耐受性，以及洛贝利亚·多特曼纳比利托雷拉·单叶更高的耐受性，与我们的预期一致。洛贝利亚·多特曼纳比利托雷拉·单叶更高的耐受性可能通过较低的呼吸速率解释，降低了耗尽有机能量储备和在缺氧期间积累有毒终产物（如乙醛）的风险。此外，洛贝利亚·多特曼纳可能在生化上适应了比利托雷拉·单叶更耐受缺氧。尽管利托雷拉·单叶由于更高的叶片通透性在更多有机沉积物中持续更好，缺氧在夏季洛贝利亚·多特曼纳叶片中是反复出现的自然现象，而在利托雷拉·单叶叶片中则不是。


我们得出结论，两种常见的异黄醇类物种栖息于一些最贫营养、透明的湖泊，拥有充分氧化的水体和表面沉积物，但由于高度气体通透的根系向沉积物泄漏氧气，仍然面临周期性缺氧。它们对这种胁迫具有惊人的耐受性，可维持数天，而在夏季温度约20°C下长时间缺氧数天会阻碍代谢性能并导致更高死亡率。因此，异黄醇类物种对湖泊富营养化的低耐受性与对缺氧的高耐受性相伴，因为根系从沉积物获取光合作用所需CO₂的高气体通透性增加了组织缺氧的风险。