External α carbonic anhydrase and solute carrier 4(SLC4)bicarbonate transporter are required for HCO3- uptake in a freshwater angiosperm  

外部碳酸酐酶和溶質載體4（SLC4）碳酸氫鹽轉運蛋白是淡水被子植物中HCO3-吸收所必需的  

來源: 預印本，未正式發表，無期刊信息 

 

摘要:  

摘要描述了淡水被子植物Ottelia alismoides的無機碳（Ci）獲取機制。研究表明，該植物具有主動CO2濃縮機制（CCM），能利用HCO3-作為碳源。通過抑制劑實驗（AZ和DIDS）和轉錄組分析，發現外部碳酸酐酶（aCA-1）和SLC4家族HCO3-轉運蛋白是HCO3-吸收的關鍵組成部分。這些機制在低CO2條件下保持組成性表達，支持植物在高pH環境中維持光合作用效率。最終提出一個模型，解釋CO2擴散、HCO3-轉化和轉運的協同作用。  

 

研究目的:  

研究目的是闡明淡水被子植物Ottelia alismoides中HCO3-吸收的分子和生理機制。具體包括驗證外部碳酸酐酶（CAext）和陰離子交換蛋白（SLC4家族）在HCO3-利用中的作用，并探究這些機制是否受CO2濃度調控。  

 

研究思路:  

研究思路基于多學科方法整合生理學、分子生物學和建模。首先，使用pH漂移技術評估HCO3-利用能力；其次，應用特異性抑制劑（AZ抑制CAext，DIDS抑制SLC4轉運蛋白）分析其對Ci吸收的影響；第三，通過轉錄組測序（SGS和TGS）鑒定aCA-1和SLC4基因的表達；最后，構建數學模型量化不同Ci獲取途徑的貢獻。所有實驗均在控制CO2濃度（高CO2和低CO2適應）條件下進行，確保機制分析的可靠性。  

 

測量的數據及研究意義:  

1. pH漂移終點和最終CO2濃度（來自圖1和圖2）：測量漂移結束時的pH和CO2濃度，顯示抑制劑如何阻斷HCO3-利用。研究意義在于證實HCO3-吸收機制的存在，并量化其對環境碳耗盡的響應（圖2a,b）。  

  

 

 

 

 

  

2. Ci吸收速率與CO2濃度的關系（來自圖3和圖4）：在不同CO2水平下測量Ci吸收速率，分析抑制劑對斜率（αC）和CO2補償點的影響。研究意義在于區分被動CO2擴散與主動HCO3-轉運的貢獻，并揭示AZ和DIDS對碳獲取效率的抑制程度（圖3a,b）。  

  

 

 

 

3. 外部CA活性和基因表達（來自圖5和圖6）：通過酶活測定（REA）和轉錄組數據，比較高/低CO2適應葉片中aCA-1和SLC4的表達。研究意義在于確認這些機制的組成性（非誘導性），并關聯CA活性與Ci吸收速率的正相關性（圖5c,d）。  

  

 

 

 

4. 碳獲取模型量化（來自圖7）：基于實驗數據，計算CO2擴散、HCO3-轉化（aCA-1介導）和HCO3-轉運（SLC4介導）的貢獻比例。研究意義在于提供量化框架，解釋不同碳濃度下各機制的動態權重（圖7b）。  

  

 

 

結論:  

研究結論包括：1. O. alismoides的HCO3-吸收依賴外部CA（aCA-1）和SLC4轉運蛋白，兩者均為組成性表達，不受CO2濃度影響。2. AZ和DIDS分別抑制CAext和SLC4，完全阻斷HCO3-利用，證明兩者不可或缺。3. 在低CO2條件下，HCO3-轉化和轉運成為主要碳源，而被動CO2擴散在高CO2時占主導。4. 提出的模型顯示，CAext貢獻約64.4%（9μM CO2時），SLC4貢獻約11.5%，為淡水植物碳獲取策略提供新見解。  

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義:  

在pH漂移實驗中，使用丹麥Unisense OX-13298電極實時監測氧氣濃度。該電極測量溶解氧濃度的變化（例如，控制組終點氧濃度達353μM，約137%空氣平衡水平），其研究意義在于：1. 確保實驗在非缺氧條件下進行，避免氧氣脅迫影響光合速率；2. 通過關聯氧積累與pH漂移，驗證光合活性與碳消耗的同步性，例如在高pH終點時低CO2與高氧的共存（圖1）表明高效CCM的運行；3. 在抑制劑實驗中，氧電極數據（如DIDS處理后氧濃度為232μM）幫助區分碳獲取抑制與潛在光呼吸效應，確保結果特異性。這些高精度測量支持了HCO3-利用機制與光合效率的直接關聯，提升了生理學數據的可靠性。