环境浓度微囊藻毒素对水生植物毒性效应研究取得进展

微囊藻毒素（Microcystins, MCs）已成为淡水有害蓝藻水华的主要危害之一。MCs作为真核生物蛋白磷酸酶1和2A的特异性抑制剂，在直接对不同水生生物造成危害的同时，还可通过食物链威胁相关生物以及人类的生命财产安全。高等水生植物是水生生态系统中的重要组成部分，先前已有报到涉及MCs对水生植物相关生理指标负面影响的研究，但大部分实验设置的MCs浓度水平往往远高于自然水体中MCs的实际浓度，这很大程度上限制了对MCs生物学功能的深入理解。因此，环境低浓度水平MCs的毒性效应研究亟需更为敏感的指标和更多的实验数据来支撑。 

　　中国科学院南京地理与湖泊研究所谢丽强研究员课题组程晨博士，通过非损伤微测技术研究了MC-LR对沉水植物苦草钙（Ca2+）、氢离子（H+）稳态的影响。发现MC-LR通过影响苦草叶片和根部Ca2+和H+稳态，直接或间接地影响了其维持正常生长所必需的营养物质的积累，进而导致叶片肿胀和有机物合成减少。此外，Ca2+稳态的破坏和过渡金属积累减少还会导致苦草叶片和根部的活性氧（ROS）水平下降。而1 μg/L MC-LR对水生植物Ca2+和H+稳态的破坏，表明环境低浓度水平MCs引起的生态危害亦需得到更多关注。相关成果以标题The disruption of calcium and hydrogen ion homeostasis of submerged macrophyte Vallisneria natans (Lour.) Hara caused by microcystin-LR于最近发表在环境毒理学领域主流期刊Aquatic Toxicology（论文链接：https://doi.org/10.1016/j.aquatox.2022.106377）。

图1. MC-LR影响苦草叶片和根部钙、氢离子稳态导致营养元素积累和有机物合成减少 

　　渗透胁迫通常发生在植物应对非生物胁迫时，能够引起植物形态改变、生长抑制等不利后果。基于上述研究中MC-LR导致苦草叶片发生肿胀的结论，研究者推测水体中MC-LR的存在可能会引起苦草叶片产生渗透胁迫。 

　　本研究同样以沉水植物苦草为对象，在探究MC-LR能否引起水生植物产生渗透胁迫的同时，获取了水生植物对渗透胁迫的响应和适应机制。结果表明，MC-LR能够引起叶片表皮和叶肉细胞体积增大、木质化程度升高、叶绿体破坏和淀粉颗粒溶解，暗示叶片水平衡受到破坏，而叶片中含水量、水势和压力势的增加，为MC-LR能够引起渗透胁迫提供了直接证据。同时，渗透势的减小亦表明渗透调节的发生。在MC-LR胁迫下，作为信号分子的Ca2+通过Ca2+-ATPase的激活从细胞质基质中流出，K+的吸收作为对MC-LR引起的质膜超极化的响应而被动激活。K+的吸收是对MC-LR胁迫的响应，而不是适应，并被认为是叶片吸水的原因。环境浓度MC-LR能够影响苦草叶片的Ca2+和K+稳态，表明大多数富营养化湖泊中的水生植物可能会遭受MC-LR引起的渗透胁迫带来的负面影响。相关成果以标题The osmotic stress of Vallisneria natans (Lour.) Hara leaves originating from the disruption of calcium and potassium homeostasis caused by MC-LR于近日发表在水环境研究领域权威期刊Water Research（论文链接：https://doi.org/10.1016/j.watres.2023.120575）。 

　　上述研究得到国家自然科学基金项目的支持。 

图2. MC-LR影响苦草叶片钙、钾离子稳态引发渗透胁迫 

来源：中国科学院南京地理与湖泊研究所