The "Oxygen Sink" of Bamboo Shoots Regulates and Guarantees the Oxygen Supply for Aerobic Respiration

竹筍的“氧匯”調節和保證有氧呼吸的氧氣供應

來源：Forests 2023, 14, 944.

 

1. 摘要核心內容

 

竹子（Phyllostachys prominens）的快速生長（如毛竹日生長超1米）需強有氧呼吸支持，但氧氣來源未知。本研究通過控制實驗發現：

 

竹筍（地下芽US、2米高芽AS、8米高芽HS）呼吸類型以有氧為主（>99.9%），厭氧呼吸可忽略（表1）。

 

 

氧氣來源異常：

空氣處理組（21% O?）：59.66%（US）、54.47%（AS）、45.84%（HS）的O?來自外部空氣，僅0.06%-0.65%來自竹腔，40.28%-53.51%來源未知（表2）。

 

氮氣處理組（0% O?）：竹腔供氧占0.19%-4.79%，95.21%-99.81%來源未知（表2）。

 

莖干光合作用產氧量極低（0.01-0.13 mg·L?1），無法滿足需求（圖6）。

 

結論：竹子存在 “氧匯”（Oxygen Sink） 現象，可從未知來源獲取大量O?，保障快速生長。

 

2. 研究目的

 

探究竹子快速生長過程中有氧呼吸的氧氣來源與供應機制，解決“竹子如何在密閉組織（如竹鞘包裹）中獲取充足O?”的科學謎題。

3. 研究思路

 

采用三階段竹筍 + 雙氣體處理設計：

 

樣本選擇：

地下筍（US）、2米高筍（AS）、8米高停止生長筍（HS）（圖1）。

 

以第5節間為實驗單元（生長活躍區）。

氣體處理：

空氣組（21% O? + 79% N?） vs. 氮氣組（100% N?），密封處理1.5小時（圖2）。

 

指標測量：

呼吸速率、竹腔O?/CO?濃度、乙醇含量（厭氧標志）、莖干光合速率。

計算分析：

有氧/厭氧呼吸比例、O?來源占比（外部空氣、竹腔、未知來源）。

 

4. 測量數據及研究意義

指標 圖表 研究意義

密封袋氣密性驗證 圖3    使用Unisense電極（OX-NP）證實袋子對O?/CO?完全密封，排除氣體泄漏干擾（實驗基礎）。

呼吸速率 圖4     US/AS/HS呼吸速率均極高（170–360 mg CO?·kg?1·h?1），氮氣處理下速率不變，暗示O?供應不受限。

乙醇含量 圖5     空氣/氮氣組乙醇含量無差異（厭氧呼吸可忽略），支持有氧呼吸主導（表1）。

O?來源占比 表2 核心發現：揭示“未知來源O?”占比40-99%，直接提出 “氧匯”假說。

莖干光合產氧量 圖6    光合速率≤0.4 μmol·m?2·s?1，產氧量僅0.01-0.13 mg·L?1，排除光合供氧可能性。

O?消耗與CO?產生量 表3-4 總CO?產量顯著高于O?消耗量（如空氣組US：CO?:13,116 vs. O?:5,667 mg·L?1），違背呼吸商1:1規律，支持未知O?輸入。

 

 

 

 

 

 

5. 核心結論

 

呼吸類型：竹子生長全程以有氧呼吸為主（>99.9%），厭氧呼吸可忽略。

氧氣來源：

外部空氣通過竹鞘氣孔是主要途徑（空氣組占46-60%）。

土壤水溶氧、莖干光合作用貢獻可忽略（<1%）。

40-99%的O?來源未知，提出 “氧匯”機制——竹子可能通過進化形成的O?存儲/釋放系統保障供氧。

科學意義：首次揭示竹子快速生長的氧氣供應謎題，為植物呼吸理論提供新視角。

 

6. Unisense電極數據的詳細解讀

技術優勢

 

高精度實時監測：Unisense OX-NP電極直接插入密封袋（圖3a），實時追蹤O?濃度變化（精度達0.1%），避免傳統采樣誤差。

氣密性驗證關鍵：持續6小時監測O?/CO?濃度無變化（圖3），確保實驗環境嚴格封閉，為“未知O?來源”結論提供技術保障。

 

關鍵發現與意義

觀測點 數據 科學意義

氮氣處理下O?持續消耗 袋內O?濃度穩定下降（表2, 表3） 直接證明存在外部O?輸入途徑（非袋內殘留），支撐“氧匯”假說。

O?消耗速率量化 US階段O?消耗最高（5,667 mg·L?1，表3） 揭示幼筍代謝最旺盛，與快速生長需求匹配。

排除實驗誤差 氣密性驗證（圖3） 技術可靠性：Unisense數據排除了氣體泄漏對“未知O?”結論的質疑。

研究價值

 

機制突破：Unisense數據為“氧匯”假說提供直接實驗證據，挑戰傳統植物呼吸模型。

技術不可替代性：在密閉系統中，Unisense電極是唯一能實時監測微量O?變化的工具（傳統紅外分析儀無法實時原位監測）。

學科影響：為研究其他速生植物（如巨杉）的呼吸機制提供方法論范式。

 

總結

 

本研究通過Unisense電極等關鍵技術，首次揭示竹子通過 “氧匯”機制 解決快速生長的氧氣供應難題：

 

顛覆性發現：40-99%的O?來源未知，暗示植物可能存在新型氧氣存儲/調動系統。

技術核心：Unisense電極的高精度氣密性驗證和O?動態監測是支撐結論的關鍵。

應用前景：啟發作物育種（如設計“人工氧匯”提升抗缺氧能力）及生態修復（速生植物固碳優化）。

科學意義：為植物呼吸理論開辟新方向，推動跨學科研究（植物生理學、生物化學、進化生物學）。