海菜花属（Ottelia）植物全球约有22种，中国西南地区为其分布中心之一，约10种，其中8种为中国特有种。所有海菜花属植物代表了一类适应水生生境的植物类群，均为水生植物，且绝大多少为沉水生长，其最重要的生命活动——光合作用在水下完成。由于水体和大气理化性质存在巨大差异，高等植物水下光合作用面临一系列的难题，无机碳获取是其中之一。水体中溶解的CO₂扩散速率约为大气中的万分之一，水生植物光合作用消耗的CO₂不能及时补充，且自然水体大多数呈现弱碱性，水体无机碳组成中HCO₃^-占主导地位，CO₂浓度约为HCO₃^-浓度的十分之一，水下光合作用通常面临低CO2浓度的胁迫。本研究从形态结构、生理生化、和分子调控层面研究了海菜花属植物无机碳利用策略及其环境适应性。
在对中国西南地区8个海菜花属种群调查后，发现这8个海菜花属植物均具备利用HCO₃^-作为无机碳源进行光合作用的能力。海菜花属植物龙舌草、水菜花、灌阳水车前和卵圆叶水菜花都具有胞外碳酸酐酶催化HCO₃^-转变化CO₂这一方式进行HCO₃^-的利用。同时当外界无机碳环浓度降低时，可以启动阴离子通道以直接吸收的方式利用HCO₃^-离子。出这两种方式利用HCO₃^-外我们还发现了在龙舌草叶片的远轴面启动H+-ATP酶向外释放H+，近轴面释放OH-离子，形成pH极性叶片，提供局部CO₂的方式利用HCO₃^-。由此可见HCO₃^-的利用需要额外的付出能量，但是即使如此，在低CO₂胁迫时，HCO₃^-的利用可以显著降低光呼吸，避免光伤害并减少碳损失，从而获益。
与陆生植物中C4和CAM途径应对高温高光和干旱胁迫不同，为了应对沉水环境中CO₂的匮乏，海菜花属植物龙舌草同样叶进化出了C4和CAM代谢途径，是迄今为止发现的唯一一种植物同时具备HCO₃^-利用，C4和CAM代谢的植物。通过对龙舌草叶片结构观察、光合关键酶活性测定、基因表达和亚细胞定位，我们发现龙舌草可能是一种新型NAD-ME亚型的单细胞C4光合代谢亚型，并构建了HCO₃^-利用、C4和CAM代谢三种无机碳浓缩机制（CCM）共存模型，将促进对CCM机制多样性的进一步研究，也为水稻等C3作物改造为更有效的C4光合作用以应对不断增长的人口粮食生产的“重大挑战”提供新的可能性。 
 

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