《Ecology and Evolution》：Effect of Light Intensity on the Production of Volatile Organic Compounds by Submerged Macrophyte Vallisneria natans in Different Growth Periods
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生物源挥发性有机化合物（BVOCs）由水生初级生产者释放，在碳交换过程和区域大气化学中发挥重要作用，然而沉水植物产生BVOCs的研究仍较为匮乏。本研究利用三种光照处理的条件实验，研究了生长期和光照强度对沉水植物苦草（Vallisneria natans）BVO
生物源挥发性有机化合物（BVOCs）由水生初级生产者释放，在碳交换过程和区域大气化学中发挥重要作用，然而沉水植物产生BVOCs的研究仍较为匮乏。本研究利用三种光照处理的条件实验，研究了生长期和光照强度对沉水植物苦草（Vallisneria natans）BVOCs产生的影响。结果表明，生长期与光照强度对多种BVOCs存在显著交互作用。大多数单一化合物的含量从幼苗期到成熟期下降，在衰老期再次上升。光照强度显著影响了几种关键BVOCs的产生，包括2-戊基呋喃、苯乙醛、反-2,顺-6-壬二烯醛和β-紫罗兰酮，其效应强烈依赖于生长期。适度遮阴促进了2-戊基呋喃和苯乙醛的产生，而严重遮阴则导致反-2,顺-6-壬二烯醛和β-紫罗兰酮浓度升高。总体而言，沉水植物的BVOCs产生受植物生长周期与水下光照强度的共同调控，无法基于单一因素可靠预测，这凸显了将生物发育和光驱动变异性纳入淡水生态系统BVOCs排放评估及其与碳循环和大气过程联系的重要性。
挥发性有机化合物（VOCs）是一类通过多种生物源和人为源排放途径释放到大气中的化学物质，其中植物源生物源挥发性有机化合物（BVOCs）由植物直接产生并排放。尽管水生植物BVOCs排放近年来受到越来越多的关注，但相关研究仍然有限且碎片化。沉水植物作为淡水湿地生态系统的主要初级生产者之一，对维持湿地的生态结构和功能具有极其重要的作用，但其BVOCs产生与调控机制，尤其是在不同光照强度下的变化规律，尚不清楚。
研究人员选择广泛分布于淡水生态系统的沉水植物苦草（Vallisneria natans）为研究对象，旨在探究其BVOCs产生与生长期和光照强度的关系。研究假设：沉水植物产生的BVOCs浓度在不同生长期之间存在显著差异；沉水植物的BVOCs产生与光照强度密切相关。该研究通过揭示沉水植物BVOCs的调控机制，为完善对植物BVOCs的整体认识、评估淡水生态系统的碳循环及大气过程提供了重要的理论依据。研究成果发表于《Ecology and Evolution》。
研究于2018年3月13日至10月14日在室外进行，使用9个玻璃水族箱（高0.8 m、长0.5 m、宽0.5 m），注入宁夏沙湖未过滤湖水（水深0.6 m），底部铺设10 cm预清洗河沙。选取生长良好、均匀健康的苦草幼苗移植其中，分为三组光照处理：对照组（CK，自然光照）、40%遮阴组和70%遮阴组，每组3个重复。实验期间每日补充湖水以维持水位，定期清除附着藻类及杂物。
样品采集于幼苗期、成熟期和衰老期进行，每次于上午10:00采集每缸植株顶部或相同部位新鲜叶片2–5 g（鲜重），用液氮速冻5 min以破碎细胞壁，经预冷高速研磨成粉末后，用铝箔包裹，密封于塑料袋中，?80°C保存待测。BVOCs测定采用固相微萃取（SPME）结合气相色谱–质谱联用技术（GC–MS，岛津QP2010Plus，日本），配备85 μm碳分子筛涂层萃取纤维。色谱柱为HP-5 MS UI毛细管柱（30 m × 0.25 mm × 0.25 μm），载气为高纯氦气（99.999%）。采用选择离子监测（SIM）模式，对15种主要BVOCs进行定性定量分析，以1–500 ng/L系列标准溶液构建外标校准曲线。数据统计分析采用R 3.6.3进行双因素方差分析（two-way ANOVA），并以Studentized Tukey法进行多重比较，GraphPad Prism 7用于绘图。
**3.1 光照强度和生长期对苦草总BVOCs产生的影响**
研究共检测到22种BVOCs，包含5–16个碳原子，分子量约84.12至240.42，涵盖11种醛类、3种酮类、3种醇类、2种呋喃类、2种烷烃类和1种酚类。Venn图分析显示，22种BVOCs中有16种在所有三种光照处理中普遍存在，表明沉水植物可能维持相对稳定的基准BVOCs组成。同时，部分化合物表现出处理特异性：薄荷酮、薄荷醇和反,反-2,4-癸二烯醛仅在非遮阴条件下检测到；2-甲氧基-4-甲基苯酚为70%遮阴组独有；十六醛仅在两种遮阴处理中共同检出；2,6,6-三甲基-1-环己烯为40%遮阴组与对照组共享。
15种主要BVOCs总含量在70%遮阴下呈先降后升趋势，幼苗期最高达2237.74 ng/g FW，成熟期降至最低352.12 ng/g FW。双因素方差分析表明，苦草总BVOCs产生受生长期极显著影响，光照强度与生长期存在显著交互作用，而光照强度单独无显著主效应。
**3.2 光照强度和生长期对苦草单一BVOCs浓度的影响**
苦草产生的主要BVOCs中，己醛、苯乙醛、反-2-戊烯醛和苯甲醛产量较高，苯甲醛浓度最高（1471.28 ng/g），1-戊烯-3-醇最低（0.02 ng/g）。
随生长期变化，大多数BVOCs浓度呈先降后升趋势，于成熟期达最小值；但1-戊烯-3-醇呈先升后降趋势，苯乙醛则持续下降。光照强度影响方面，1-戊烯-3-醇、己醛和壬醛浓度在对照组最高；1-辛烯-3-醇在70%遮阴下最高；2-戊基呋喃和苯乙醛浓度在40%遮阴下达到峰值。
双因素重复测量方差分析显示，光照强度和生长期对苦草BVOCs浓度均有显著影响。生长期对己醛、1-辛烯-3-醇、2-戊基呋喃、反,反-2,4-庚二烯醛、苯乙醛、反-2-己烯醛、壬醛、反-2,顺-6-壬二烯醛、β-环柠檬醛、β-紫罗兰酮、2-乙基呋喃、反-2-戊烯醛、苯甲醛和月桂烯的浓度均有显著影响。光照强度显著影响2-戊基呋喃、苯乙醛、反-2,顺-6-壬二烯醛和β-紫罗兰酮的浓度，其中反-2,顺-6-壬二烯醛受光照影响最为显著。光照强度×生长期交互作用对己醛、反,反-2,4-庚二烯醛、苯乙醛、壬醛、反-2-己烯醛、反-2,顺-6-壬二烯醛、β-环柠檬醛、β-紫罗兰酮、2-乙基呋喃和苯甲醛的产生有显著影响。
**3.3 不同光照强度下苦草BVOCs的多重比较**
对2-戊基呋喃、苯乙醛、反-2,顺-6-壬二烯醛和β-紫罗兰酮在不同光照强度下的含量进行多重比较。结果显示：70%遮阴下2-戊基呋喃和苯乙醛的产生显著低于40%遮阴；对照组苯乙醛也显著低于40%遮阴。反-2,顺-6-壬二烯醛的光照响应较为复杂：对照组显著低于70%或40%遮阴，而40%遮阴又显著低于70%遮阴。40%遮阴或对照组β-紫罗兰酮的产生显著低于70%遮阴。
对14种主要BVOCs（除1-戊烯-3-醇外）进行生长期的多重比较，这些化合物均表现出明显的阶段依赖性变化模式。己醛、反,反-2,4-庚二烯醛、苯乙醛、壬醛、反-2,顺-6-壬二烯醛、β-环柠檬醛、反-2-戊烯醛和苯甲醛在幼苗期含量显著高于成熟期或衰老期。相反，1-辛烯-3-醇、反-2-己烯醛、反-2,顺-6-壬二烯醛、β-紫罗兰酮、2-乙基呋喃、苯甲醛和月桂烯在衰老期含量显著低于成熟期。2-戊基呋喃、反-2-己烯醛、β-紫罗兰酮和2-乙基呋喃在幼苗期的产生显著高于成熟期。1-辛烯-3-醇在幼苗期的含量显著高于衰老期。
讨论部分指出，水生初级生产者排放的BVOCs是碳交换过程的重要组成部分，并影响区域大气化学。然而，目前对BVOCs动态的理解主要来自陆生植被，而沉水植物尽管广泛分布于淡水生态系统且具有可观的生物量，在现有评估中仍研究不足。本研究提供了新的实证证据，表明沉水植物的BVOCs产生可能受到内部生理状态和外部光照强度的调控。研究结果将BVOCs研究扩展至水生初级生产者，并强调了将沉水植被纳入淡水碳循环和气–水交换过程评估的重要性。
生长期对苦草BVOCs产生起主导作用。总BVOCs含量和大多数单一化合物从幼苗期到成熟期下降，在衰老期再次上升。这种模式暗示BVOCs产生可能与植物代谢和资源分配的发育变化相关。与陆生植物类似，早期生长和衰老可能涉及与组织发育或衰老相关的更高生理需求，这与BVOCs参与防御、信号和胁迫相关过程的功能一致。成熟期BVOCs产生较低，对应相对稳定的生理状态；在沉水条件下，由于水下光衰减导致碳获取受限，成熟植物可能优先将资源分配于维持生长和生理稳态，而非挥发性次级代谢产物的产生。
不同光照强度处理下，苦草总BVOCs产生无显著差异。但光照强度显著影响几种关键BVOCs的产生，且其效应强烈依赖于生长期。这一响应不同于陆生植物中常见的光照强度与BVOCs的正相关关系。结果表明，在沉水植物中，光照对BVOCs产生的调控通过发育状态介导：幼苗期和衰老期可能代表代谢可塑性增强或胁迫敏感性增强的生理敏感期，而成熟植物对水下光照变化的响应相对较弱。适度遮阴促进2-戊基呋喃和苯乙醛的产生，严重遮阴则增加反-2,顺-6-壬二烯醛和β-紫罗兰酮浓度。这些化合物间的 contrasting响应差异可能反映了其背后代谢途径的变异，包括类胡萝卜素周转和氧化过程相关途径。低光强下β-紫罗兰酮的积累与此前水生生物中的发现一致，强调了进一步阐明其在降低光照可用性下产生过程的生化和生理机制的重要性。
光照强度与生长期对多种BVOCs的显著交互作用表明，沉水植物的BVOCs产生无法基于单一环境因素预测，而是反映了外部光照强度与植物生命周期内部生理调控的综合影响。BVOCs组成的相对稳定性和化合物特异性环境响应的共存，进一步表明沉水植物中BVOCs的调控涉及组成型代谢功能与环境响应性生理调整。这种灵活性可能使沉水植物能够在不同发育阶段波动的水下光环境中维持基本生态功能。总之，植物物候和水下光气候是淡水生态系统BVOCs动态的关键决定因素。将这种生物学和环境变异性纳入评估，对于改进沉水植被BVOCs动态的评估、更好地理解其在连接淡水生态系统与区域碳循环和大气过程中的作用至关重要。
