中科院海洋所在诠释热带海草床资源退化原因与发生机制研究中获系列新进展

海草床作为近海三大海洋生态系统之一，为众多海洋生物提供栖息、繁衍和竞争场所，同时也是重要的蓝色碳汇，具有极其高效的光合放氧和碳捕获与碳封存能力，因此在维持海洋生物多样性、生态系统稳定性、渔业资源量、地球碳氮氧循环平衡以及固碳增汇过程中都发挥着不可替代的作用。近年来，全球范围内海草床资源丰度和总量持续降低、退化甚至消失。国际自然保护联盟已将几乎所有的海草纳入易危、濒危和极危物种保护名录，呼吁全社会积极关注和保护海草床生态资源。尽管如此，即便在自然保护区内，海草床资源退化趋势同样发生，但是目前具体诱因与发生机制并不清楚，严重阻碍了海草床资源保护和修复工作。
近年来，中科院海洋所重点选择海菖蒲、泰来草、圆叶丝粉草等热带海草为研究对象，生态考察耦合实验室模拟和野外原位试验，系统开展了生长繁殖规律、逆境生理、生化代谢和多组学研究。结果发现，以往忽视的全球变暖导致海水温度异常波动、人类活动引起近岸海水富营养化和海水透明度降低直接或间接地导致海水氧含量大幅下降，严重威胁热带海草正常光合与呼吸代谢和生长发育，成为海草床资源退化的重要诱发因素，进而诠释了高/低温、缺氧等对海草伤害和海草床资源衰退的机制。

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夜晚缺氧抑制海菖蒲光合活性的伤害机制
其中，海水富营养化导致微型藻类与飘浮型大型藻类爆发和悬浮颗粒等增加，引起海水透明度和海水溶氧量下降，成为热带海草资源量减少的重要因素之一。短期缺氧虽不破坏海草光合机构，但长期黑暗缺氧（如富营养化海草床夜晚含氧量下降近50%）严重抑制海草呼吸产能和线粒体向叶绿体内的能量转运，间接导致受强光抑制损伤的光系统II修复所需能量不足，从而使损伤的光系统II难以修复，也造成次日海菖蒲和丝粉草等海草的光合活性、电子传递和光能转换效率整体下降，由此产生恶性循环严重阻碍海草的正常生长发育。
- K' z0 w" E$ E3 Z. Y, L7 i1 K; _+ m同时，全球变化引起海水高/低异常变化尤也对栖息于较浅水域热带海草产生影响，成为导致海草床资源严重退化的另一重要原因。一方面，海菖蒲、泰来草和丝粉草等只适宜于栖息在温暖的热带海水中，而其耐受低温能力较差、抗氧化防御系统普遍较弱，有效抵御低温胁迫的能力不足，即便在稍低的21℃海水中，其PSII光合机构损伤就已发生，引起光合性能下降，并且温度越低所造成的损害也越大，如果同时结合强光照则损伤更加严重。另一方面，热应激也严重威胁着海草的生存，尤其36℃以上高温直接导致PSII反应中心失活，诱发光合机构发生损伤，并且热胁迫越强其光合活性的恢复就越困难，高光照可进一步加剧热应激的破坏作用，因此在无论出现异常的海洋热浪，还是自然状态下中午退潮期间，热应激与强光耦合作用都极易造成光合活性发生显著甚至不可逆转地下降；同样，相对薄弱的热带海草抗氧化防御系统也难以消除热应激引起的损伤作用。
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! f0 |3 n) Z+ F- f3 S3 X潮汐变化引发的午间低潮强光与高温对海草床资源的损伤作用
上述研究有助于全面理解海水缺氧、温度异常波动与海草床退化间的关系，为制定海菖蒲海草床资源有效保护和修复策略，提供了重要理论依据。 研究取得的系列成果分别在中科院一区 Top 期刊《 Plant Cell and Environment 》《 Marine Pollution Bulletin 》《 Marine Environmental Research 》《 Photochemistry and Photobiology 》等上线发表。车兴凯、张孟洁、栾维迎和张铁等分别作为研究论文第一作者，刘建国研究员为通讯作者，李虎助理研究员、张立涛副研究员分别参与了相关工作。研究得到了国家自然科学基金和中国科学院战略性先导科技专项（ B ）等项目支持。
Xingkai Che, Tie Zhang, Hu Li, Yongfu Li, Litao Zhang, Jianguo Liu*, Nighttime hypoxia effects on ATP availability for photosynthesis in seagrass. Plant Cell and Environment, 2023, DOI: 10.1111/pce.14654
/ U5 k2 \. G* l8 X3 h" }7 nMengjie Zhang, Hu Li, Litao Zhang, Jianguo Liu*, Heat stress, especially when coupled with high light, accelerates the decline of tropical seagrass (Enhalus acoroides) meadows. Marine Pollution Bulletin, 2023, 192 :115043. https://doi.org/10.1016/j.marpolbul.2023.115043
: d) ]/ t0 ^& F0 j' u7 O+ GXingkai Che; Tie Zhang; Hu Li; Litao Zhang; Jianguo Liu*; Effect of Hypoxia on Photosystem II of Tropical Seagrass Enhalus acoroides in the Dark, Photochemistry and Photobiology, 2022,98(2): 421-428. https://doi.org/10.1111/php.13522
Tie Zhang; Xingkai Che; Hu Li; Litao Zhang; Jianguo Liu*; The damage mechanisms of dark hypoxic stress on photosystem II of Cymodocea rotundata, Photochemistry and Photobiology, 2022, 98: 1323-1331. https://doi.org/10.1111/php.13641
Weiying Luan, Hu Li, Litao Zhang, Jianguo Liu*, Enhalus acoroides efficiently alleviate ocean acidification by shifting modes of inorganic carbon uptake and increasing photosynthesis when pH drops. Marine Environmental Research, 2023, 186: 105896. https://doi.org/10.1016/j.marenvres.2023.105896
Mengjie Zhang, Litao Zhang, Hu Li, Jianguo Liu*, The lack of low temperature tolerance of tropical seagrasses strongly restricts their geographical distribution. Marine Environmental Research, 2022, 173:105539. https://doi.org/10.1016/j.marenvres.2021.105539
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信息来源：中科院海洋所。