CIRAS-3│EGM-5] 岷江蓝雪花在高钙环境中将大气中的二氧化碳矿化为碳酸钙

[科研前线│CIRAS-3│EGM-5] 岷江蓝雪花在高钙环境中将大气中的二氧化碳矿化为碳酸钙

在应对气候变化的议题中，植物光合作用的固碳能力备受关注。然而，你是否知道，某些植物还能直接将大气中的二氧化碳转化为矿物质？四川农业大学的高素萍研究团队在《Plant Physiology》发表的最新研究中，揭示了岷江蓝雪花（Ceratostigma willmottianum）在高钙环境中矿化二氧化碳为碳酸钙的独特机制。这项研究不仅为植物适应极端环境提供了新见解，还为碳固定技术开辟了新思路！

 植物如何“点气成石”？

岷江蓝雪花的叶片表面密布白色结晶（图1），过去科学家认为这些晶体只是普通的矿物沉淀。但四川农业大学的最新研究发现，这些晶体90%以上是碳酸钙（CaCO₃）（图2）

 图1、岷江蓝雪花叶片和分泌晶体。（A）叶片密布白色分泌晶体。（B）从叶片上采集的分泌晶体。

图2、岷江蓝雪花分泌晶体的组成和白垩腺的形态特征

本研究中，作者使用_CO2分析仪（EGM-5，PP systems）连续监测容器和培养瓶内的二氧化碳浓度，并通过“断碳”实验阻断植物接触大气CO₂后，晶体分泌量骤减，证明大气二氧化碳是关键来源（图3）。同时，本研究中作者使用EGM-5实时监测实验环境中CO₂浓度，确保“地上-地下”分区控气实验的准确性，为验证大气CO₂的主导作用提供可靠数据。另外，通过碳同位素分析，发现晶体中的碳与大气CO₂高度匹配，而非土壤或植物代谢碳（表1）。

图3、控制通气处理后岷江蓝雪花CaCO₃积累的变化。（A）不同处理下叶片背面的照片。+S或-S表示植物的地上部分暴露在环境或无二氧化碳的空气中；+R或-R表示植物的地下部分暴露在环境空气或无二氧化碳的空气中。

表1、不同通气处理下岷江蓝雪花茎、叶和碳酸钙晶体的稳定碳同位素组成(δ13C）

 便携式光合作用测定仪（CIRAS-3，PP systems）可以精准测量叶片光合速率、气孔导度和胞间CO₂浓度等气体交换参数，动态解析矿化过程与植物代谢的昼夜关联，揭示光暗周期对碳源利用的影响。本研究结果显示，持续光照或持续黑暗条件下植物的净光合作用或呼吸速率基本稳定，与对照组无差异（图4A），表明整个处理期间植物的能量代谢保持在正常水平。以上结果表明，岷江蓝雪花的碳酸钙沉积主要依赖大气二氧化碳（而非土壤中的无机碳）。白天植物通过开放的气孔吸收CO₂，夜间则利用自身代谢产生的CO₂，昼夜交替的碳源切换展现出高效的环境适应策略。

图4、不同光周期对岷江蓝雪花植物气体交换、CaCO₃积累和CaCO₃稳定碳同位素组成（δ13C）的影响。

碳酸酐酶的关键作用研究发现，叶片内的细胞外碳酸酐酶（CA）催化CO₂水合为HCO₃^-，为矿化反应提供原料（图5）。这一过程通过抑制实验（如使用抑制剂AZ和EZ）得到验证，揭示了酶活性对矿化速率的直接影响（图6）

  图5、岷江蓝雪花叶片分泌离子的特征

图6、不同浓度CA抑制剂对岷江蓝雪花叶片HCO₃^-分泌的影响。（A）叶片的CA活性。（B）和（C）不同抑制剂浓度下分泌液中HCO₃^-浓度和HCO₃^-分泌速率。D）分泌液中DIC的稳定碳同位素组成（δ13C）。AZ和EZ分别为乙酰唑胺和6-乙氧基唑胺。

高钙耐受的生态密码

当Ca²⁺浓度达到100mM后，净光合速率（Pn）和气孔导度（Gs）随着浓度的增加而降低，但胞间二氧化碳浓度（Ci）呈先下降后上升的趋势，在100mM时达到最小值，表明植物的光合作用受到抑制（图7）。在200mM Ca（_NO3）₂下生长相对正常，没有观察到的损伤，说明岷江蓝雪花对Ca²⁺具有良好的耐受性。实验显示，即使土壤钙浓度高达200mM，植物仍能通过增大分泌腺密度和活性维持正常生长，这一机制为耐钙作物培育提供了新方向（图8）。作者认为岷江蓝雪花通过钙离子区隔化和碳酸钙分泌，有效缓解高钙环境对细胞的毒性。

图7、不同Ca（NO₃）₂浓度对岷江蓝雪花生长、气体交换和Ca²⁺含量的影响。

图8、不同Ca（NO₃）₂浓度对岷江蓝雪花白垩腺解剖和生理的影响。

综上所述，岷江蓝雪花在高钙环境中将大气中的二氧化碳矿化为碳酸钙晶体的过程如图9所示。本研究解释了岷江蓝雪花碳酸钙生物矿化的机制及其生态适应意义；然而，其他有价值的研究方向也应予以关注，例如，植物碳酸钙生物矿化可能对钙和碳的生物地球化学循环具有重要意义。目前，随着大气中二氧化碳浓度的增加，通过特定植物代谢过程将大气中的二氧化碳矿化为碳酸钙沉积物可能是除光合作用外另有价值的固碳途径。

图9、岷江蓝雪花在高钙环境中将大气中的CO₂转化为CaCO₃晶体的示意图。（1）大气中的二氧化碳（CO₂（At），橙线）和代谢中的CO₂（CO₂（Me），蓝线）都可以用作碳酸钙形成的碳源；然而，前者占主导地位（橙色线）。CO₂（At）通过气孔进入细胞间隙。（2）CO₂在细胞外CA（CA（e））的催化下水合为HCO₃^-。（3）HCO₃^-和Ca²⁺被输送到白垩腺。Ca²⁺由根从土壤中吸收，并通过木质部运输到叶片组织。（4）白垩腺分泌富含HCO₃^-和Ca²⁺的溶液，随着水分蒸发，最终在叶表面形成CaCO₃沉积物。

汉莎科仪深感荣幸能为四川农业大学高素萍团队的前沿研究提供产品和技术支持！感谢雷霆教授对汉莎科仪的信任和支持！未来，我们将继续以可靠的产品和创新技术赋能科研探索，与研究者共同解锁自然界的无限可能！