在應(yīng)對(duì)氣候變化的全球議題中，植物光合作用的固碳能力備受關(guān)注。然而，你是否知道，某些植物還能直接將大氣中的二氧化碳轉(zhuǎn)化為礦物質(zhì)？四川農(nóng)業(yè)大學(xué)的高素萍研究團(tuán)隊(duì)在《Plant Physiology》發(fā)表的最新研究中，揭示了岷江藍(lán)雪花（Ceratostigma willmottianum）在高鈣環(huán)境中礦化二氧化碳為碳酸鈣的獨(dú)特機(jī)制。這項(xiàng)研究不僅為植物適應(yīng)極端環(huán)境提供了新見(jiàn)解，還為碳固定技術(shù)開辟了新思路！

　　植物如何“點(diǎn)氣成石”？

　　岷江藍(lán)雪花的葉片表面密布白色結(jié)晶（圖1），過(guò)去科學(xué)家認(rèn)為這些晶體只是普通的礦物沉淀。但四川農(nóng)業(yè)大學(xué)的最新研究發(fā)現(xiàn)，這些晶體90%以上是碳酸鈣（CaCO?）（圖2）

圖1、岷江藍(lán)雪花葉片和分泌晶體。（A）葉片密布白色分泌晶體。（B）從葉片上采集的分泌晶體。

圖2、岷江藍(lán)雪花分泌晶體的組成和白堊腺的形態(tài)特征

　　本研究中，作者使用CO₂分析儀（EGM-5，PP systems）連續(xù)監(jiān)測(cè)容器和培養(yǎng)瓶?jī)?nèi)的二氧化碳濃度，并通過(guò)“斷碳”實(shí)驗(yàn)阻斷植物接觸大氣CO?后，晶體分泌量驟減，證明大氣二氧化碳是關(guān)鍵來(lái)源（圖3）。同時(shí)，本研究中作者使用EGM-5實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)環(huán)境中CO?濃度，確?！暗厣?地下”分區(qū)控氣實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，為驗(yàn)證大氣CO?的主導(dǎo)作用提供可靠數(shù)據(jù)。另外，通過(guò)碳同位素分析，發(fā)現(xiàn)晶體中的碳與大氣CO?高度匹配，而非土壤或植物代謝碳（表1）。

圖3、控制通氣處理后岷江藍(lán)雪花CaCO₃積累的變化。（A）不同處理下葉片背面的照片。+S或-S表示植物的地上部分暴露在環(huán)境或無(wú)二氧化碳的空氣中；+R或-R表示植物的地下部分暴露在環(huán)境空氣或無(wú)二氧化碳的空氣中。

　　表1、不同通氣處理下岷江藍(lán)雪花莖、葉和碳酸鈣晶體的穩(wěn)定碳同位素組成(δ13C）

　　便攜式光合作用測(cè)定儀（CIRAS-3，PP systems）可以精準(zhǔn)測(cè)量葉片光合速率、氣孔導(dǎo)度和胞間CO?濃度等氣體交換參數(shù)，動(dòng)態(tài)解析礦化過(guò)程與植物代謝的晝夜關(guān)聯(lián)，揭示光暗周期對(duì)碳源利用的影響。本研究結(jié)果顯示，持續(xù)光照或持續(xù)黑暗條件下植物的凈光合作用或呼吸速率基本穩(wěn)定，與對(duì)照組無(wú)差異（圖4A），表明整個(gè)處理期間植物的能量代謝保持在正常水平。以上結(jié)果表明，岷江藍(lán)雪花的碳酸鈣沉積主要依賴大氣二氧化碳（而非土壤中的無(wú)機(jī)碳）。白天植物通過(guò)開放的氣孔吸收CO?，夜間則利用自身代謝產(chǎn)生的CO?，晝夜交替的碳源切換展現(xiàn)出高效的環(huán)境適應(yīng)策略。

圖4、不同光周期對(duì)岷江藍(lán)雪花植物氣體交換、CaCO₃積累和CaCO₃穩(wěn)定碳同位素組成（δ13C）的影響。

　　碳酸酐酶的關(guān)鍵作用研究發(fā)現(xiàn)，葉片內(nèi)的細(xì)胞外碳酸酐酶（CA）催化CO?水合為HCO₃^-，為礦化反應(yīng)提供原料（圖5）。這一過(guò)程通過(guò)抑制實(shí)驗(yàn)（如使用抑制劑AZ和EZ）得到驗(yàn)證，揭示了酶活性對(duì)礦化速率的直接影響（圖6）

　　圖5、岷江藍(lán)雪花葉片分泌離子的特征

圖6、不同濃度CA抑制劑對(duì)岷江藍(lán)雪花葉片HCO₃^-分泌的影響。（A）葉片的CA活性。（B）和（C）不同抑制劑濃度下分泌液中HCO₃^-濃度和HCO₃^-分泌速率。D）分泌液中DIC的穩(wěn)定碳同位素組成（δ13C）。AZ和EZ分別為乙酰唑胺和6-乙氧基唑胺。

　　高鈣耐受的生態(tài)密碼

　　當(dāng)Ca²⁺濃度達(dá)到100mM后，凈光合速率（Pn）和氣孔導(dǎo)度（Gs）隨著濃度的增加而降低，但胞間二氧化碳濃度（Ci）呈先下降后上升的趨勢(shì)，在100mM時(shí)達(dá)到最小值，表明植物的光合作用受到抑制（圖7）。在200mMCa（NO₃）₂下生長(zhǎng)相對(duì)正常，沒(méi)有觀察到的損傷，說(shuō)明岷江藍(lán)雪花對(duì)Ca²⁺具有良好的耐受性。實(shí)驗(yàn)顯示，即使土壤鈣濃度高達(dá)200mM，植物仍能通過(guò)增大分泌腺密度和活性維持正常生長(zhǎng)，這一機(jī)制為耐鈣作物培育提供了新方向（圖8）。作者認(rèn)為岷江藍(lán)雪花通過(guò)鈣離子區(qū)隔化和碳酸鈣分泌，有效緩解高鈣環(huán)境對(duì)細(xì)胞的毒性。

圖7、不同Ca（NO₃）₂濃度對(duì)岷江藍(lán)雪花生長(zhǎng)、氣體交換和Ca²⁺含量的影響。

圖8、不同Ca（NO₃）₂濃度對(duì)岷江藍(lán)雪花白堊腺解剖和生理的影響。

　　綜上所述，岷江藍(lán)雪花在高鈣環(huán)境中將大氣中的二氧化碳礦化為碳酸鈣晶體的過(guò)程如圖9所示。本研究解釋了岷江藍(lán)雪花碳酸鈣生物礦化的機(jī)制及其生態(tài)適應(yīng)意義；然而，其他有價(jià)值的研究方向也應(yīng)予以關(guān)注，例如，植物碳酸鈣生物礦化可能對(duì)鈣和碳的生物地球化學(xué)循環(huán)具有重要意義。目前，隨著大氣中二氧化碳濃度的增加，通過(guò)特定植物代謝過(guò)程將大氣中的二氧化碳礦化為碳酸鈣沉積物可能是除光合作用外另有價(jià)值的固碳途徑。

圖9、岷江藍(lán)雪花在高鈣環(huán)境中將大氣中的CO₂轉(zhuǎn)化為CaCO₃晶體的示意圖。（1）大氣中的二氧化碳（CO₂（At），橙線）和代謝中的CO₂（CO₂（Me），藍(lán)線）都可以用作碳酸鈣形成的碳源；然而，前者占主導(dǎo)地位（橙色線）。CO₂（At）通過(guò)氣孔進(jìn)入細(xì)胞間隙。（2）CO₂在細(xì)胞外CA（CA（e））的催化下水合為HCO₃^-。（3）HCO₃^-和Ca²⁺被輸送到白堊腺。Ca²⁺由根從土壤中吸收，并通過(guò)木質(zhì)部運(yùn)輸?shù)饺~片組織。（4）白堊腺分泌富含HCO₃^-和Ca²⁺的溶液，隨著水分蒸發(fā)，最終在葉表面形成CaCO₃沉積物。

　　漢莎科儀深感榮幸能為四川農(nóng)業(yè)大學(xué)高素萍團(tuán)隊(duì)的前沿研究提供產(chǎn)品和技術(shù)支持！感謝雷霆教授對(duì)漢莎科儀的信任和支持！未來(lái)，我們將繼續(xù)以可靠的產(chǎn)品和創(chuàng)新技術(shù)賦能科研探索，與全球研究者共同解碼自然界的無(wú)限可能！