浮萍是浮萍科（Lemnaceae）水生植物的統稱，包含紫萍、少根紫萍、浮萍、扁無根萍和蕪萍5個屬，共36個種，在世界各地廣泛分布。浮萍結構簡單（僅具有特化的葉狀體或與不定根組成），個體微小，是生長速率最快的高等植物類群之一（16-48小時內生物量加倍）。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、形態建成和遺傳進化等機理研究。同時，浮萍在解決人類面臨的食物、健康、能源和環境等問題方面也有重要的應用價值。因此，浮萍是集基礎研究與產業應用于一身的重要植物資源。 

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

　　近年來，中國科學院水生生物研究所侯宏偉團隊研究發現，紫萍不是嚴格的自養植物，不僅營自養生長，還可以代謝多種有機碳進行混合營養、異養和光異養生長，具有營養模式的多樣性（Sun et al.，2022a）。不同營養條件下紫萍在形態（圖1）、生長和生理指標等方面具有顯著差異，表型可塑性強（Sun et al.，2022b。封面文章）。同時，他們發現混合營養紫萍的生長速率遠高于異養和自養紫萍之和，表明在混合營養條件下紫萍的光合生長和異養代謝具有協同效應，并不是兩者的簡單相加（Sun et al.，2020）。然而，混合營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）為實驗材料，結合表型組、蛋白質組和代謝組等技術手段解析了其在不同營養條件下的代謝特性，揭示了混合營養的代謝調控機制（Sun et al.，2023）。 

圖2. 紫萍在不同營養條件下的光呼吸代謝 

  他們發現，紫萍作為C3植物，具有類似于C4植物的CO₂濃縮機制（C4-like carbon-concentrating mechanism，CCM）。與自養紫萍相比，混合營養紫萍的CO₂濃縮和光合作用受到顯著抑制，表明混合營養紫萍減少了對光合生長的依賴。而混合營養紫萍的呼吸作用（糖酵解、三羧酸循環、磷酸戊糖和厭氧發酵）活性顯著高于自養紫萍，導致細胞內CO₂濃度升高，CO₂濃度降低。高濃度的CO₂能夠滿足紫萍光合作用對外界CO₂的需求，同時也抑制了光呼吸和氧化損傷的發生，避免了物質和能量的大量浪費，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養的生態學意義。通常認為高等植物是嚴格的自養生物，該研究表明，至少在淡水生態系統中情況并非如此，混合營養模式具有普遍性。而且，混合營養中異養/自養的比率會顯著影響碳循環。該工作為高等植物營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，在線發表于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院國際伙伴關系計劃項目（152342KYSB2020021）和國家自然科學基金（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.