[科研前线│Handy PEA丨FMS-2丨氧电极]热带海草喜盐草在同时暴露于高温和低氧胁迫下的生理及分子响应

　　海草床作为关键海洋生态系统，其退化与全球变暖和富营养化导致的高温、低氧胁迫密切相关。此前研究多关注单一胁迫对海草的影响，而高温与低氧常协同发生，其对光合电子传递链（PSII、PSI及相关组分）的损伤规律及其机制尚不明确。

　　近期，中国科学院海洋研究所刘建国老师团队在《Marine Environmental Research》期刊上发表了题为“Physiological and molecular responses of tropical Seagrass Enhalusacoroides exposed to simultaneous high temperature and hypoxia stress”的研究论文。文章以热带喜盐草（Enhalus acoroides）为对象，通过多维度测定揭示了高温低氧联合胁迫对喜盐草光合系统的差异敏感性及响应机制，为海草抗逆品种的培育提供了理论依据。

　　文章中使用英国Hansatech公司生产的Handy-PEA植物效率分析仪测定了叶绿素a荧光相关参数。结果表明，对照组（CK）、常温低氧组（NH）和高温常氧组（HN）的最大量子产率（Fv/Fm）和性能指数（PI_ABS）相对稳定；但高温低氧组（HH）在处理12小时后，Fv/Fm显著下降，24小时时降至0.35±0.05，为CK组的1/2.40；PI_ABS降至0.01±0.01，仅为CK组的1/30以上（图1、表1）。

表1 温度和氧气对喜盐草叶绿素荧光参数影响的双因素方差分析p值汇总表

　　HH组处理24小时后，W_K（0.60±0.03）和V_J（0.83±0.06）显著升高，表明PSII供体侧和受体侧均严重受损（图1C、D）。HH组单位反应中心吸能（ABS/RC）、耗散能（DIo/RC）显著增加，而电子传递能（ETo/RC）下降，反应中心数量（RC/CSo）减少2.31倍，说明能量吸收与传递的失衡在联合胁迫下更剧烈，且PSII反应中心降解速率与胁迫强度呈正相关（图1E-H、图2A）。

图1 喜盐草在CK、NH、HN和HH条件下的光系统II光化学参数变化

　　处理24小时后，作者使用Clark氧电极（英国Hansatech）、FMS-2脉冲调制荧光仪（英国Hansatech）分别测定了叶片的净光合放氧速率和PSII实际光化学效率（ΦPSII）、光化学猝灭系数（qP）。结果显示，HH组放氧速率降至0.05±0.01 μmol O₂g⁻¹min⁻¹且HH组的实际光化学效率（ΦPSII）、光化学淬灭（qP）显著降低，进一步证实光合系统受到损伤（图2B-D）。

图2 CK、NH、HN和HH条件对光合指标的影响

　　作者进行抗氧化酶及相关氧化应激指标的测定发现：单一胁迫下，HN组SOD活性略升，NH组无显著变化；联合胁迫（HH）下，SOD（93.13±7.63 U/mg prot）和GSH-Px（373.48±56.58 U/mg prot）活性分别为CK组的1.53倍和1.81倍，但仍无法清除过量H₂O₂（30.34±2.77 U/g），导致MDA（2.33±0.28 U/mg prot）激增（较CK组增加77.9%）（图3、表2）。这一结果表明，高温和低氧的协同作用使活性氧（ROS）产生及脂质过氧化水平超过单一胁迫的叠加效应，最终造成细胞不可逆损伤。

表2 温度和氧气对喜盐草中H₂O₂、MDA含量及抗氧化酶活性影响的双因素方差分析p值汇总表

图3 不同处理条件下喜盐草抗氧化酶活性及氧化损伤指标的变化

　　恢复处理24小时后，作者重新测量各组的荧光参数，结果显示：单一胁迫（NH、HN）下，叶片形态正常，Fv/Fm恢复至正常水平；联合胁迫（HH）下，叶片褐变坏死，Fv/Fm持续下降至接近0（图4），表明光合系统对联合胁迫的恢复敏感性显著低于单一胁迫。

图4 不同处理对恢复后喜盐草PSII光化学效率和叶片形态的影响

　　为探究喜盐草对高温和低氧的分子响应机制，作者进行了转录组分析。结果显示，喜盐草通过显著上调糖酵解（EMP）途径来适应缺氧环境，增强无氧呼吸以维持能量产生；同时，三羧酸循环（TCA）90%基因和磷酸戊糖途径（PPP）83.3%基因下调，表明能量代谢向低效厌氧途径倾斜，且这一趋势在联合胁迫下更为显著（图5）。

图5 胁迫条件下喜盐草的转录组与代谢分析

　　此外，叶绿体PSII、细胞色素b6/f相关基因及27个抗氧化基因（如SOD、GSH-Px）显著上调，但仍无法抵消损伤，说明分子层面的补偿机制对联合胁迫的敏感性不足（图6）。

图6喜盐草在CK和HH条件下的基因表达谱热图

　　综上所述，相较于单一胁迫，高温低氧（HH）联合胁迫对喜盐草光合系统的损伤更显著。HH组抗氧化酶活性升高仍无法清除过量H₂O₂，导致MDA激增，细胞损伤不可逆。恢复后，HH组叶片褐变坏死，光合系统难以复原。尽管喜盐草通过上调糖酵解途径维持能量，但相关补偿机制不足以抵消伤害，这为海草抗逆研究及理解全球变暖背景下海草床退化机制提供了重要参考（图7）。

图7喜盐草在高温和低氧胁迫下的损伤机制示意图