陳旭淼, 徐奎棟

(中國科學院海洋研究所 海洋生物分類與系統(tǒng)演化實驗室, 山東 青島 266071)

1 引言

原生動物是一大類單細胞真核生物的統(tǒng)稱, 其中自由生活的主要類群包括異養(yǎng)鞭毛蟲、纖毛蟲和肉足蟲(有孔蟲和放射蟲為代表); 它們是生物圈中數量最為龐大的吞噬營養(yǎng)類群, 部分種類具有內共生藻類或功能性葉綠體而進行兼性營養(yǎng)。在水環(huán)境中, 不論是浮游或是底棲生活的原生動物, 其生命過程與水體和底質的環(huán)境存在著密切的聯系; 并且通過各種營養(yǎng)關系與其他生物共同聯結成為一個有機整體。同時, 原生動物的基礎研究也為探索真核生物系統(tǒng)進化提供了重要素材。

回顧原生動物 300多年的研究歷史: 從基礎的形態(tài)分類、系統(tǒng)發(fā)育研究, 逐步拓展至對其生態(tài)功能、新陳代謝方式和真核細胞進化模式的探索中[1]?，F生的原生動物中, 自由生活的約有2萬余種[2], 其中一半以上來自海洋[3]。近 30年來, 我國對于海洋原生動物的研究側重于物種多樣性、分子多樣性、群落結構以及時空變化等方面。樣品采集范圍集中于潮間帶、河口濕地、較特殊的養(yǎng)殖水體和紅樹林生境以及近海等。在近岸海域已發(fā)現自由生活的原生動物約3000種, 其中鞭毛蟲20余科40余屬300余種、有孔蟲120余科400余屬約1500種、放射蟲近60科240屬500余種、纖毛蟲近百科200余屬700余種[4-7]。然而, 我國對于深海的物種多樣性研究僅在大型動物和細菌、古菌等方面有所開展, 針對原生動物多樣性的調查尚屬空白。

深海, 通常是指深度大于 1000m 的海洋, 占據了全球海洋總面積的75%, 環(huán)境特征多為黑暗、低溫(多低于 4℃)、高壓和寡營養(yǎng)等, 這樣的極端環(huán)境常被視為“生命禁區(qū)”。然而, 深海中的一些特殊地貌,譬如海山區(qū)、深海盆地、熱液噴口、冷泉等, 由于特殊的水文條件(泰勒環(huán)流等)和環(huán)境因子(乏氧、高鹽、硫化、富含甲烷等), 往往造就出獨特的生態(tài)價值, 因而成為生物多樣性研究的熱點區(qū)域[8-9]。國際上, 隨著研究理論與技術的提高, 人們對于深海原生動物多樣性已有初步認識和研究方法的拓展。開展深海原生動物多樣性研究, 全面了解該生境內原生動物主要形態(tài)功能類群的物種組成, 發(fā)現處于真核生物演化分支重要節(jié)點的代表生物, 闡明其特有的生命現象和生命過程以及驅動其變化的主要環(huán)境因子,進而深入探索原生動物在深海環(huán)境的生態(tài)功能, 已成為當今海洋微型生物研究的主流方向, 具有十分重要的意義。

1.1 生態(tài)功能

在海洋生態(tài)系統(tǒng)中, 水體和底質中自由生活的原生動物具有十分重要的生態(tài)功能; 它們通過直接或間接作用, 調節(jié)水體中微型生物的群落結構和新陳代謝。例如: 異養(yǎng)和兼性自養(yǎng)的浮游原生動物, 其群落結構的時空演替在很大程度上影響著海洋生物圈中碳的動態(tài)平衡[1]; 同時作為細菌、單胞藻的攝食者和小型浮游動物的餌料來源, 以纖毛蟲為主要功能類群的異養(yǎng)原生動物源源不斷地從微型生物類群向更高營養(yǎng)級傳遞物質和能量, 是海洋浮游和底棲微食物網不可替代的組成部分[10-14]。

大洋中浮游生有孔蟲和放射蟲, 死亡后沉積海底形成的軟泥, 占據了現代海底三分之一以上的面積[15-16]。它們的種群消長與深海中有機碳通量和沉降模式顯著相關[17-19], 多被應用于海洋深部水團變化規(guī)律和海洋表層初級生產力的研究[20]。

在深海中, 除上述重要生態(tài)功能外, 在一些極端環(huán)境下原生動物常常發(fā)揮著更為獨特的生態(tài)學作用。例如: 在熱液噴口[21]和冷泉[22], 活躍著一些特殊的原生動物(以眼蟲、纖毛蟲和有孔蟲為主), 它們通過在細胞表面或內部共生的產甲烷細菌、硫化細菌等, 將極端生境內的特殊化合物轉化成細胞能夠直接利用的營養(yǎng)物質[23]。此外, 許多原生動物在深海沉積物中以包囊的形式存在, 它們的豐度和群落結構在一定程度上能夠對長期的環(huán)境變化起到指示作用[24]。

因此, 開展深海原生動物多樣性的研究, 對不同的功能類群進行更深入、細致的劃分, 在一定程度上可為探尋其在深海浮游、底棲以及一些極端環(huán)境下(寡營養(yǎng)、乏氧、高鹽、熱液噴口、冷泉等)微型生物種群消長規(guī)律和在生態(tài)系統(tǒng)中的功能與作用奠定基礎, 也為了解深海生態(tài)系統(tǒng)的組成和如何響應環(huán)境長期變化的機制提供可行的方式。

1.2 模式生物與進化節(jié)點

原生動物的很多類群在進化過程中擁有不同的生命周期、營養(yǎng)方式、能動性以及細胞分化類別[25]。盡管僅為單細胞結構, 但它們在外形、運動方式、表面結構的分化和特化等方面, 均表現出極高的多樣性。特殊類群可通過獨特的方式來進行遺傳物質的傳遞、表達和新陳代謝等等。一些能夠建立純培養(yǎng)的原生動物, 已成為遺傳學、細胞學和分子生物學研究的重要模式生物[26-28]。

從基因信息分析的證據來看, 真核生物可能是某種古菌與細菌共生、異種結合的基因融合體。有科學家通過比較物質能量新陳代謝的生物化學過程,認為真核生物的起源, 很可能需要在乏氧的海洋環(huán)境中進行[29]。深海中熱液噴口附近的生化環(huán)境(溫度可達400℃, pH為3~8, 并具有特殊的化合物)與生命起源之前的海洋非常相似[30-33]。同時, 亦有分子進化的證據表明: 在這種極端環(huán)境下生存的嗜熱微生物(細菌和原生生物)極有可能是現存生物的共同祖先[34-35]。

因此, 作為生物界系統(tǒng)進化上兩大跨越(即原核到真核、單細胞到多細胞)極其重要的節(jié)點代表類群,在深海極端環(huán)境(寡營養(yǎng)、乏氧、高鹽、硫化等)下進行原生動物多樣性研究, 極有可能發(fā)現并獲取一些在系統(tǒng)進化過程中的代表模式生物。

2 物種多樣性研究進展

由于研究手段的限制、缺乏有經驗的分類學家等原因, 深海原生動物物種多樣性研究很少。20世紀90年代初首先在日本和歐美國家展開, 采集不同深度的水體和底層沉積物, 依賴常規(guī)的形態(tài)學研究手段進行多樣性調查, 涉及的區(qū)域范圍主要集中在地中海、太平洋和大西洋的局部深海海域。

2.1 研究手段

原生動物個體微小且細胞特化程度高, 具有多樣化的表面和深層結構。19世紀末, 人們對原生動物的認識主要依賴于光學顯微鏡下的觀察和細胞學染色技術。20世紀中, 電子顯微鏡的發(fā)明使人們對原生動物的超微結構有所了解, 從而使形態(tài)學鑒定所參考的特征更為細致、全面。

基于培養(yǎng)模式的形態(tài)學研究方法, 能夠十分準確、可靠地完成物種鑒定; 完成樣品中物種多樣性的定性分析。不足之處在于: (1)操作過程中, 無法培養(yǎng)、個體數目過少的許多種類易被忽視; (2)適宜的條件會促使樣品中原先以休眠包囊形式存在的種類萌發(fā)、大量增殖甚至形成優(yōu)勢種。因此, 這樣的分析方法, 對樣品所包含的物種數目、豐富度、存活狀態(tài)等信息無法給出全面、綜合的考量。

當研究側重原生動物的多樣性、群落結構和時空變化規(guī)律等生態(tài)學分析時, 需要在樣品采集后進行快速固定, 隨后再分離、染色, 既能進行物種鑒定,又能較為保真地還原樣品的本來面目(區(qū)分活動/休眠狀態(tài)、保持豐度不變等), 從而較全面、準確地進行海洋原生動物多樣性和區(qū)系結構的分析。但采用固定樣品進行生態(tài)學研究的方法, 也有其局限性: (1)對其中處于休眠狀態(tài)的蟲體, 由于缺乏相關的基礎研究資料尚無法直接進行準確的鑒定; (2)對于個體數目極少的種類, 也無法提供足夠的檢測敏感度。

深入而準確的形態(tài)鑒定, 往往需要原生動物活體狀態(tài)下的特征, 因此常局限于能夠培養(yǎng)或在樣品采集后數日仍能保持生存和一定豐度的種類, 極多的類群遠遠達不到這樣的要求, 就極容易被遺漏掉。即使舍棄活體特征, 固定后的樣品進行種類鑒定和計數, 仍舊非常容易將一些低豐度的物種忽略掉。因此, 經典、傳統(tǒng)的分類學研究方法, 即便能非常準確地完成物種鑒定, 在深海極端生境原生動物物種多樣性的探索中, 尚無法完全發(fā)揮作用。

2.2 研究概況

作為西北太平洋最大的邊緣?！毡竞? 日本學者從 1991年起對其內的 Sagami灣(1450m深)開展為期3年的底棲有孔蟲調查, 共鑒定來自40屬的76種有孔蟲, 發(fā)現有孔蟲群落在底泥中垂直遷移,主要的生態(tài)驅動因子是氧化還原層的厚度[36]。在這份工作中, 物種多樣性的研究雖不夠完善, 但為生態(tài)學的探索奠定了重要基礎。

1993年, 德國學者對地中海東部的 Ionian海盆(最深處4617m)進行底棲原生動物的摸底調查, 使用3種培養(yǎng)基(麥粒、酵母、熱帶魚餌料)對樣品中的原生動物進行促萌發(fā)和后續(xù)培養(yǎng), 共獲得鞭毛蟲 87種、無殼阿米巴12種、纖毛蟲35種, 其中58%為近海的常見種類[37]。這是一份較為系統(tǒng)的工作, 嘗試了多種培養(yǎng)基, 對18個站位的108個樣品進行了為期8天的觀察, 工作量大且對鑒定人員的專業(yè)素質要求高, 為日后深海原生動物多樣性研究的開展提供了重要參考。

1995~1998 年, 美國學者對東太平洋4個深海熱液噴口(深度為 2000~2550m)進行鞭毛蟲多樣性的調查, 使用酵母浸出液進行培養(yǎng), 采用光鏡和電鏡共同觀察, 共分離出9種鞭毛蟲的18個種群, 并結合核糖體小亞基基因序列分析、構建系統(tǒng)關系樹, 對它們的進化關系進行探討[38]。上述 2份研究均應用基于培養(yǎng)模式的形態(tài)學手段來進行, 對深海較特殊環(huán)境下原生動物的群落結構有了初步了解。

Buck等[22]在加州 Monterey海灣的深海冷泉區(qū)域(深 903m)采集表層1cm的沉積物, 經戊二醛固定后進行掃描電鏡和透射電鏡觀察, 發(fā)現多種眼蟲的體表共生著大量行化能自養(yǎng)的細菌, 原生動物和細菌通過代謝方式的互利共同生活在富含硫化氫的極端環(huán)境下。如前所述, 對樣品先進行固定處理再分析,在一定程度上能夠反映其原位生活狀態(tài)。

基于經典分類學手段對深海原生動物物種多樣性的研究目前在國際間較為罕見, 除研究手段本身局限外, 更主要的問題在于缺乏有經驗的原生動物分類學家, 無法在短時間內快速處理和準確鑒定樣品, 而分類學專業(yè)人員的培養(yǎng), 不僅要經歷非常細致、嚴謹、枯燥的科研訓練, 更需要長時間刻苦的實踐工作和經驗的積累以減少主觀認識造成的偏差。相較于此, 能夠流程化處理的分子生物學技術手段,可在短期內完成人員培訓, 開展的工作更為廣泛和全面。

3 分子多樣性研究進展

研究方法的提高, 為科研探索造就更有力的武器、提供更廣闊的平臺, 進而帶來快速發(fā)展。近 30年, 分子生物學技術的應用, 開辟出原生動物分子系統(tǒng)與進化研究的新領域。以基因測序為基礎, 研究深海原生動物的分子多樣性, 大大提高了人們探索海洋原生動物的分辨率和準確度。

3.1 研究手段

現代分子多樣性研究方法, 無須進行任何培養(yǎng)而直接分析環(huán)境樣品中某段標記基因(通常選取較為保守的核糖體小亞基基因的部分可變區(qū)域), 通過序列信息的比對和聚類分析, 進而顯示其中原生動物的群落結構。這不僅彌補了基于培養(yǎng)模式的形態(tài)學研究所遺失的大量信息(無法培養(yǎng)的種類, 多樣性和豐度等定量信息), 也大大提高了檢測的分辨率和敏感度, 將環(huán)境中個體數量極少、處于休眠狀態(tài)等難以通過形態(tài)學研究手段發(fā)現和鑒定的種類揭示出來。

技術較為成熟、應用比較廣泛的分子多樣性研究方法有: 分子指紋圖譜分析和結合一代測序技術(Sanger測序)的克隆文庫構建。結合生物統(tǒng)計軟件對分子指紋圖譜進行分析, 可以為評價原生動物的多樣性和群落結構組成提供更多的參考依據[39]。這種方法存在的主要問題是: (1)僅僅適用于分析較短的DNA鏈, 其獲得的序列信息雖能明顯區(qū)別出不同類群的相對豐度, 但所包含的系統(tǒng)分類信息不夠全面,且無法提供準確的分類階元信息; (2)若出現同種內不同個體基因序列的細小差異, 就可能出現多個條帶來自同一種的錯誤信息; 或者來自不同種類的擴增條帶恰好無法分開, 導致同一條帶包含多個分類階元等, 而結合一代測序技術的克隆文庫構建, 工作量巨大: 每個樣品, 研究人員需要對成百上千的菌斑進行轉化和培養(yǎng), 費時費力, 其獲取的信息量已被新技術遠遠超越。

高通量測序技術(即二代測序技術)能夠同時完成幾十萬到幾百萬條DNA序列的測定, 為海量的環(huán)境樣品分析提供更為迅速、準確、高通量的分析平臺; 實驗操作簡單、工作周期短, 需要投入大量精力用于數據分析。常用的測序方法包括: 454焦磷酸測序(454 pyrosequencing)、Illumina測序、大規(guī)模平行簽名測序(massively parallel signature sequencing,MPSS)、聚合酶克隆測序(polony sequencing)、離子半導體測序(ion semiconductor sequencing)、DNA納米球測序(DNA nanoball sequencing)等。在對加勒比海Cariaco海盆中深海沉積物進行的原生動物分子多樣性研究中, 研究者將 454焦磷酸測序技術與構建克隆文庫的方法做了對比, 結果發(fā)現: 在亞門/綱/目級階元上, 454焦磷酸測序技術具有更高的分辨率,進而能更詳盡、細致、全面地揭示群落結構的組成和變化[40]。

然而, 高新技術在開發(fā)和應用的過程中, 也為科研探索帶來一定程度的困擾: 譬如通過高通量測序技術獲取的宏基因組信息, 應用不同方法對其進行數據分析, 往往會得到相差甚遠的結果[41], 而測序的誤差很可能會過分放大物種的多樣性[42]等, 這些問題需通過分析方法的優(yōu)化、計算模型的篩選來修正[43]。

3.2 研究概況

深海的原生動物多樣性研究, 由于現場取樣、高保真要求、分析方法分辨率等諸多方面的限制, 難以應用傳統(tǒng)的形態(tài)學研究方法, 分子手段能彌補這樣的不足。全球范圍內, 應用分子技術對深海原生動物多樣性的研究已經較為成熟, 對原生動物在微環(huán)境至全球尺度下的分布模式、與環(huán)境中理化/生物因子之間相互作用的規(guī)律等研究均提供了可靠的基礎信息。目前, 全球范圍內開展原生動物分子多樣性研究的深海區(qū)域主要有: 極地海域、太平洋局部、地中海、墨西哥灣和加勒比海。

在南極附近海域, 研究者分別選取 250、500、2000和3000m 4個層面的水樣對微型生物進行克隆文庫構建, 得到的序列經系統(tǒng)分析表明: 其原生動物的多樣性極其豐富; 不同水層物種多樣化的模式并無明顯的差別[44]。應用同樣的方法, 在太平洋西北部日本海Sagami灣內的冷泉區(qū)域, 亦發(fā)現活躍著大量的、多樣化的纖毛蟲, 種類涵蓋8個綱級階元和一些未知類群, 它們在底棲微食物網中發(fā)揮著重要的作用[45]。

在地中海東部新發(fā)現的一個乏氧、高鹽(鹽度348)海盆(深度 3258m)——Thetis的真核微型生物多樣性調查表明: 乏氧的鹵水層中, 生存著大量原生生物; 無論在鹽躍層還是鹵水層中, 纖毛蟲和鞭毛蟲的物種數目均占據較大的比例; 而鹽躍層和鹵水層中的原生動物群落結構呈現顯著差異[46]。在地中海東部的兩個高鹽乏氧海盆(Bannock和 Discovery)開展的多樣性調查也得到了相似的結果: 發(fā)現多種多樣的原生生物, 其中一些類群很可能代表新的階元; 且在不同水層, 原生生物群落結構特征表現出明顯差異[47]。

通過構建克隆文庫, 對墨西哥西北部 Guaymas海盆內熱泉沉積物中纖毛蟲原生動物的多樣性和分布模式進行的研究發(fā)現: (1)此處生存的纖毛蟲物種非常豐富, 在 548條序列中共檢出 156個 OUT(operational taxonomic units); (2)在不同環(huán)境條件下,纖毛蟲的分布模式與細菌有著很高的一致性, 但二者與環(huán)境因子的相關性并不高; (3)此處豐度較高的纖毛蟲, 也同樣出現在其他的熱泉、深海和乏氧的微環(huán)境中, 在全球具有廣布性[48]。然而, 在距離并不遙遠的加勒比海、世界上最大的乏氧海盆 Cariaco中,研究者卻有不同發(fā)現: 不同的水層, 生存著相異的原生生物類群, 極有可能在特殊的環(huán)境脅迫下形成獨立的進化單元[49]。

這些工作, 應用不同的分析手段, 且采樣地點多樣化, 不僅在了解深海原生動物分子多樣性方面獲得開拓性的進展, 而且在對其分布模式與環(huán)境因子之間的關系、全球尺度下的分布格局, 以及特殊環(huán)境下能否形成獨立的進化單元也做出深入的分析和探討, 大大推動了我們對于深海環(huán)境中多樣化的原生動物在微型生物生態(tài)系統(tǒng)中復雜的結構與功能的了解。

4 多樣性研究熱點

自由生活的原生動物廣泛存在于土壤、淡水、半咸水至海洋生境, 甚至是極地的凍土、深海的高鹽/乏氧盆地/熱液/冷泉等極端環(huán)境中, “Everything is everywhere, but, the environment selects”[50]這一觀點在得到大量認可的同時, 也受到激烈的反駁。全球范圍內, 原生動物的分布格局是以擴散作用為主導的全球性分布嗎？當微型生物的擴散被阻滯, 特殊環(huán)境下, 是否能夠形成完全獨立、以環(huán)境因子為主導的限定性地理分布進化單元, 進而衍生出限定性地理分布的物種？這些是學者們長期爭論不休的焦點問題。在深海環(huán)境下, 地理分布格局和新奇種類的發(fā)現將成為深海原生動物多樣性研究的熱點。

4.1 地理分布格局

生物在地球上的分布模式, 綜合反映了時間長河里生物在擴散過程中機遇與挑戰(zhàn)并存、生存與滅亡交戰(zhàn)的復雜相互作用[51]。研究原生動物多樣性和地理分布的領域內, 多年來存在著激烈的爭論:Fenchel等[52]認為微型生物的全球分布模式取決于其龐大的種群而非特定的分類群, 其多樣性在局部尺度下遠遠超過大型生物, 而在全球尺度上則恰恰相反, 即微型生物具有區(qū)域上的高多樣性, 在全球范圍內多樣性則相對較低, 以纖毛蟲為例, Finlay[53]認為世界上的纖毛蟲可能僅有 3000種左右。而Nanney[54]和 Foissner等[55]則表達出與此大相徑庭的觀點: 認為微型生物在一定程度上表現出限定性的地理分布特征, 存在一定數量的“旗艦種”僅存在于極少數的地理分區(qū), 同時, Foissner學派認為纖毛蟲的物種多樣性相較于Fenchel和Finlay提出的3000種高出1個甚至2個數量級。

在過去二三十年不斷深入的原生動物分類學研究中, 隨著研究涉及的地理范圍擴大, 越來越多的新物種被發(fā)現; 然而對于海洋這個廣闊無邊的生命搖籃, 當前的諸多新發(fā)現極可能只是冰山一角。俄國學者[56]選取來自多于350個地點的1342種底棲纖毛蟲數據, 以分析17個地理分區(qū)內海洋底棲纖毛蟲的多樣性和地理分布格局。結果表明: 25%的種來自唯一的地理分區(qū), 18%的種是廣布的(出現于半數以上的地理分區(qū), 跨越兩個半球); 僅有5%~7%的物種具有地理局限性; 某一特定地理分區(qū)內的纖毛蟲多樣性與分區(qū)面積或是海岸線的長度均無明顯線性關系,而是更多地取決于是否有研究者專注于此, 同時與鹽度呈負相關。由此可見, “廣布”或“限定性分布”可能都是原生動物地理分布格局的常態(tài), 這與采樣所涉及小生境復雜多元的環(huán)境因子相關。就目前研究而言, 阻擋我們探索原生動物多樣性和地理分布格局的主要因素在于嚴重的采樣不足和數據缺乏。

Patterson于2009年在Science上發(fā)表關于微型生物全球分布格局的綜述文章[51], 簡略而系統(tǒng)地回顧人們對該問題近200年的探索歷史, 并且結合“稀有生物圈”假說(rare biosphere, 即生物圈是由個體數目少但生物多樣性高的類群組成)[57]將微型生物的分布特點歸納為 2種模式: (1)每個生境內都存在著大量的微型生物生態(tài)位, 它們共同組成非常復雜、多樣化和活躍的群落結構; (2)僅有少數種類保持著活躍的新陳代謝, 而其余的處于休眠狀態(tài), 擴散至其他每個生境中。這一觀點能夠較好地解釋目前的許多發(fā)現, 并且陸續(xù)得到一些新研究結果的驗證。

應用基于核糖體小亞基(SSU rRNA)基因構建的分子多樣性研究體系, 國外學者在對深海微型生物多樣性的研究中, 在不同環(huán)境均能發(fā)現普遍存在的原生生物種類。但是, 因地理化學條件的隔離, 它們在不同環(huán)境中呈現出群落結構模式的顯著不同。對加勒比海 Cariaco海盆的研究發(fā)現, 理化環(huán)境不同(含氧、低氧、乏氧/硫化等)的各個站位, 生存著特有的原生生物類群。結合系統(tǒng)關系和群落結構/豐度的多元分析表明: 地理位置、季節(jié)和地球化學參數的梯度變化是原生生物在Cariaco海盆分布的主要限定性因素; 即使在距離很近的站位間, 仍存在著各自特異的原生生物群落, 這在一定程度上造就了物種的分化和形成[49]。地中海東部的 Bannock、Discovery這兩個高鹽乏氧海盆, 極端的生存條件使其被視為生命禁區(qū), 然而人們在這里發(fā)現了多種多樣的原生生物, 其中大部分的序列與普通生境來源的呈現出較大分化, 形成十分獨特的進化支系, 且在高鹽水層和普通海水-高鹽水交界層, 分別表現出不同的原生生物群落結構特征, 在物種組成上與上覆的普通海水層具有很低的相似性。因此, 很可能是該水域的生物地球化學條件對原生生物施加了特有的物種選擇壓力, 進而形成地理格局限制造成的獨立進化分支單元[47]。

不得不承認的是, 現有的分析技術尚無法精準地反應出樣品中絕對的物種數目和豐度, 科學家們只能夠通過大膽的假設和嚴密的邏輯來逐步探索、推敲, 接近更真實的描述, 而在這漫長過程中, 嚴肅的理論爭議和快速的技術發(fā)展, 是推動人們探求真理的重要力量。

4.2 特殊-極端環(huán)境中新奇類群的發(fā)現

浩瀚海洋孕育無數生命, 萬丈深淵下蘊藏著神秘、新奇的原生動物類群。目前的原生動物系統(tǒng)學研究毫無疑問缺失了若干具有生態(tài)學、進化系統(tǒng)學關鍵意義的類群, 亟待獲取更多新類群的可靠信息去修正現有觀點, 對原生動物重要類群的起源和進化進行更加深入的探索和揭秘[58]。

深海環(huán)境特殊(多樣的地貌特征、獨特的水文環(huán)境、極端的化學環(huán)境因子等), 造就了獨特的生物多樣性。近年的原生動物多樣性調查(如地中海、加勒比海等), 發(fā)現許多新奇的原生動物, 分子系統(tǒng)學分析表明它們與現有的已知類群表現出綱級[59]、甚至界級[60]水平的巨大差異。然而, 即便是得到大量代表新階元的部分序列信息, 由于形態(tài)學研究手段的限制, 針對這些特殊類群仍鮮有基于經典分類學的細致描述。迄今, 僅有一份此類工作, 即應用熒光探針原位雜交和掃描電鏡相結合的方法, 對Cariaco海盆的一種纖毛蟲原生動物建立新的綱級階元[59,61]。潛在的未知類群, 將成為未來 10年甚至更長時間, 國際間海洋原生動物多樣性研究的重點之一。

5 我國未來研究展望

我國的原生動物多樣性研究起步較晚, 通過近二三十年國內諸多學者的不懈努力, 在近岸水體的原生動物多樣性研究、近海浮游和底棲微小型生物生態(tài)調查等方面已達到國際領先水平, 但對深遠海的特殊和極端生境(海山、海盆, 乏氧、高鹽的深海等)原生動物多樣性的研究尚處在空白階段。隨著研究技術的發(fā)展, 國際上的研究者們不斷開拓原生生物樣品采集的地理范圍(由土壤、淡水至近海、深海甚至各種極端環(huán)境)、嘗試多種多樣的研究方法(傳統(tǒng)分類學-促包囊萌發(fā)和培養(yǎng)、克隆文庫構建、宏基因組測序等), 在為原生動物全球尺度下分布格局研究積累著更豐富資料的同時, 也大大拓展了對新奇、潛伏種類的認識[62]; 更為探索深海生態(tài)系統(tǒng)中微型生物的多樣性與生態(tài)功能打開一扇門。

探索深海中的原生動物多樣性, 存在諸多限制因素: 現場取樣難, 樣品保存、分離和后續(xù)處理的高保真要求高, 分析手段的高分辨率、敏感度和誤差規(guī)避等。此外, 如徐奎棟[63]所述, 基于經典的分類學手段對原生生物物種多樣性的準確評估, 受限于多方面的因素: (1)缺乏有經驗的分類學家; (2)采樣不足, 尚有許多未涉及的生境: (3)常見種多處于休眠模式(幾乎不可能鑒定), 而稀有種豐度低且難于培養(yǎng)。但與此同時, 國外學者在太平洋北部、地中海和加勒比海的原生動物分子多樣性研究, 在采樣設備的制造和使用、樣品的收集和處理、后續(xù)實驗操作以及數據處理等方面,都已積累大量經驗, 值得我們學習和借鑒。

如前所述, 物種多樣性和分子多樣性的研究手段各有所長, 需將二者有機結合以達成互補。將熒光原位雜交技術改進并與掃描電鏡技術相結合來進行原生動物多樣性的研究, 就是一個很好的例子。這種方法, 在樣品采集的初級階段, 同時收集分別用于分子多樣性分析和熒光原位雜交-掃描電鏡觀察的雙份樣品。通過分子手段得到代表特殊、新奇類群的序列信息, 據此合成rRNA探針、綁定熒光基團進行原位雜交, 找到特殊、新奇種類位置并通過掃描電鏡觀察, 從而準確刻畫其形態(tài)特征[59]。

積極開展我國的深遠海生物多樣性調查, 并與國際領先團隊進行學術交流、共同開發(fā)探索未知新領域, 對我國未來研究海洋原生動物多樣性組成、分布格局、環(huán)境響應機制及生態(tài)功能等方面具有巨大的推動作用。在這一過程中, 我國也將摸索出海洋生物多樣性研究的寶貴經驗, 培養(yǎng)出新一代探索海洋微型生物多樣性的綜合性研究團隊, 為深遠海生態(tài)系統(tǒng)的開發(fā)和利用奠定重要基礎。

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