霍銥萍,王小冬,王 艷

暨南大學(xué),赤潮與海洋生物學(xué)研究中心, 廣州 510632

化學(xué)信息是海洋浮游植物和浮游動(dòng)物感受環(huán)境的重要媒介[1]。浮游動(dòng)物利用化學(xué)信息尋找,定位,識(shí)別和捕獲合適的食物[2]。同時(shí),浮游植物也會(huì)感知浮游動(dòng)物產(chǎn)生的化學(xué)信息[3]。部分浮游植物進(jìn)化出誘導(dǎo)性防御以減少攝食死亡率[3]。在攝食信息的存在下,它們會(huì)改變自身的特征,如生化物質(zhì)[4]、形態(tài)[5]、行為[6]和生活史[7]。在影響浮游植物防御效率的因素中,粒徑大小的改變尤其重要[8]。粒徑大小的改變會(huì)導(dǎo)致捕食者和獵物的粒徑不匹配,使浮游植物得以避免浮游動(dòng)物的攝食[9]。

棕囊藻(Phaeocystis)是廣泛分布于從熱帶到兩極海區(qū)的藻華物種,對(duì)食物網(wǎng)功能和結(jié)構(gòu)、碳和硫的生物地球化學(xué)循環(huán)和氣候變化有重要的作用[10-11]。它存在游離單細(xì)胞和凝膠狀囊體間轉(zhuǎn)換的獨(dú)特生活史[12]。游離單細(xì)胞直徑3—10 μm,而由粘液基質(zhì)包裹細(xì)胞的囊體直徑普遍達(dá)幾百微米,甚至幾厘米[12]。囊體形成的優(yōu)勢(shì)在于它憑借囊體較大的直徑及堅(jiān)韌的囊被,在浮游動(dòng)物的攻擊下能有效地增加囊體細(xì)胞的存活率[13]。橈足類,纖毛蟲類和異養(yǎng)甲藻攝食信息的存在下,棕囊藻能形成更大的囊體[14,16]。囊體的形成被認(rèn)為是一種誘導(dǎo)性防御機(jī)制。

但是誘導(dǎo)性攝食信息的釋放可能不僅限于誘導(dǎo)出植物的防御功能。粒徑顯著影響海洋浮游植物光的利用,營(yíng)養(yǎng)需求和攝入,以及新陳代謝/呼吸率等主要功能性特征[17]。由于較低的表面積與體積比值,擴(kuò)散層增厚,粒徑更大的浮游植物生長(zhǎng)率較低可能會(huì)導(dǎo)致競(jìng)爭(zhēng)能力下降[18]。海洋浮游植物必須和共存的物種競(jìng)爭(zhēng)有限的資源；任何微妙的生理和生物變化都會(huì)影響它們之間競(jìng)爭(zhēng)。棕囊藻被認(rèn)為是優(yōu)秀的防御者,但是并非很好的競(jìng)爭(zhēng)者[19]。棕囊藻藻華通常在硅藻藻華之后爆發(fā)[10],說(shuō)明棕囊藻的競(jìng)爭(zhēng)力低于硅藻。然而,仍未知球形棕囊藻(Phaeocystisglobosa)競(jìng)爭(zhēng)力低于硅藻是否與誘導(dǎo)性防御有關(guān)。因此,我們選擇生長(zhǎng)率較低的硅藻—布氏雙尾藻(Ditylumbrightwellii)作為與球形棕囊藻共存的競(jìng)爭(zhēng)者,研究了微型浮游動(dòng)物海洋尖尾藻(Oxyrrhismarina)和中型浮游動(dòng)物火腿偽鏢水蚤(Pseudodiaptomuspoplesia)釋放的攝食信息是否會(huì)使球形棕囊藻相對(duì)布氏雙尾藻的競(jìng)爭(zhēng)力下降。本研究將有助于理解誘導(dǎo)性防御對(duì)浮游植物生長(zhǎng)和競(jìng)爭(zhēng)的影響。

1 材料與方法

1.1 浮游植物和攝食者的培養(yǎng)

球形棕囊藻和布氏雙尾藻在南中國(guó)海海域采集,用f/2培養(yǎng)基培養(yǎng),培養(yǎng)條件為：鹽度30‰,溫度20℃,光強(qiáng)100 μmol photons m-2s-1,光暗周期14 h∶10 h。在歐洲和中國(guó)沿海水域中能觀察到布氏雙尾藻與球形棕囊藻共同出現(xiàn)[20,21]。每5—7天用新鮮f/2培養(yǎng)基稀釋球形棕囊藻和布氏雙尾藻以維持指數(shù)生長(zhǎng),用細(xì)胞豐度增長(zhǎng)率計(jì)算它們的最大生長(zhǎng)率分別為(0.69±0.04) d-1和(0.28±0.03) d-1。實(shí)驗(yàn)前,利用Nikon倒置顯微鏡(400×),在Sedgwick-Rafter計(jì)數(shù)板中測(cè)量細(xì)胞大小。布氏雙尾藻的細(xì)胞體積使用形態(tài)-體積模型[22]中的三棱柱體積公式計(jì)算,球形棕囊藻的細(xì)胞體積按照球形體積公式計(jì)算。

采用南中國(guó)海兩種常見(jiàn)的中型和微型浮游動(dòng)物,橈足類火腿偽鏢水蚤和異養(yǎng)甲藻海洋尖尾藻,作為產(chǎn)生攝食信息的攝食者[15]。實(shí)驗(yàn)前經(jīng)過(guò)檢驗(yàn),火腿偽鏢水蚤和海洋尖尾藻都能攝食球形棕囊藻和布氏雙尾藻。火腿偽鏢水蚤在實(shí)驗(yàn)開始2周前用450 μm孔徑的拖網(wǎng)于珠江口采集。海洋尖尾藻從Shannon Point海洋中心獲得。兩種攝食者都培養(yǎng)在f/2培養(yǎng)基中,用球等鞭金藻(Isochrysisgalbana)喂養(yǎng)。實(shí)驗(yàn)開始2d前,將成年的雌性火腿偽鏢水蚤轉(zhuǎn)移到新鮮的f/2培養(yǎng)基下培養(yǎng),不投喂食物以清空腸胃。饑餓處理后,3只火腿偽鏢水蚤用已過(guò)濾的海水清洗,然后轉(zhuǎn)移裝有200 mL f/2培養(yǎng)基的500 mL玻璃燒杯中。實(shí)驗(yàn)前,海洋尖尾藻在黑暗下培養(yǎng)7d,使球等鞭金藻被完全消耗。之后,將海洋尖尾藻轉(zhuǎn)移玻璃燒杯中,控制其初始密度為100 個(gè)/mL?；鹜葌午S水蚤和海洋尖尾藻的培養(yǎng)體系中每4—5d更換新鮮的f/2培養(yǎng)基,同時(shí)加入處于指數(shù)生長(zhǎng)期的球形棕囊藻單細(xì)胞喂養(yǎng),細(xì)胞豐度范圍為105—106個(gè)/mL。

1.2 競(jìng)爭(zhēng)-防御實(shí)驗(yàn)

為了研究攝食信息對(duì)競(jìng)爭(zhēng)結(jié)果的影響,球形棕囊藻和布氏雙尾藻暴露在火腿偽鏢水蚤和海洋尖尾藻攝食信息下培養(yǎng)。實(shí)驗(yàn)在50 mL的聚苯乙烯細(xì)胞培養(yǎng)瓶中進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組設(shè)置5個(gè)平行。實(shí)驗(yàn)期間,每天用GF/F膜在低真空下過(guò)濾火腿偽鏢水蚤和海洋尖尾藻的培養(yǎng)液作為含有攝食信息的濾液[23]。實(shí)驗(yàn)組培養(yǎng)瓶中各加入5 mL濾液；對(duì)照組中加入5 mL f/2培養(yǎng)基。球形棕囊藻培養(yǎng)液用10 μm尼龍膜在重力作用下過(guò)濾2次以收集球游離單細(xì)胞[14,24],與布氏雙尾藻一同轉(zhuǎn)移到對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組的培養(yǎng)瓶中,補(bǔ)充f/2培養(yǎng)基至50 mL。球形棕囊藻和布氏雙尾藻的初始密度分別為10000個(gè)/mL和100 個(gè)/mL,使實(shí)驗(yàn)開始時(shí)兩種藻類總細(xì)胞體積相等,均為1.1×106μm3[25]。實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)條件與藻種培養(yǎng)時(shí)相同：鹽度30‰,溫度20℃,光強(qiáng)100 μmol photons m-2s-1,光暗周期14 h：10 h。

實(shí)驗(yàn)在半連續(xù)培養(yǎng)下持續(xù)25天,每天移除10 mL培養(yǎng)液用作細(xì)胞和囊體豐度的顯微計(jì)數(shù),每個(gè)實(shí)驗(yàn)組培養(yǎng)瓶中加入5 mL新鮮的f/2培養(yǎng)基和5 mL含有新鮮攝食信息的濾液,每個(gè)對(duì)照組培養(yǎng)瓶中加入10 mL f/2新鮮的培養(yǎng)基,每天加入f/2培養(yǎng)基避免了營(yíng)養(yǎng)鹽限制。同時(shí)培養(yǎng)攝食者的玻璃燒杯中每天加入25 mL的新鮮f/2培養(yǎng)基,保證餌料數(shù)量的充足,并且減少營(yíng)養(yǎng)鹽限制對(duì)餌料質(zhì)量的影響。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,檢測(cè)火腿偽鏢水蚤的游動(dòng)行為。移除動(dòng)作遲鈍的火腿偽鏢水蚤,用游動(dòng)活躍的成年雌性火腿偽鏢水蚤代替,排除死亡火腿偽鏢水蚤攝食信息的潛在影響[23,26]。

1.3 細(xì)胞計(jì)數(shù)和囊體測(cè)量

用于顯微計(jì)數(shù)的細(xì)胞和囊體樣品用終濃度為4%的魯格試劑固定。球形棕囊藻和布氏雙尾藻的細(xì)胞豐度用Sedgwick-Rafter計(jì)數(shù)板計(jì)數(shù)。球形棕囊藻囊體豐度用帶有標(biāo)尺的Nikon倒置顯微鏡在24孔板中測(cè)量[14,24]。每個(gè)樣品隨機(jī)測(cè)量30個(gè)囊體的直徑以及囊體內(nèi)的細(xì)胞數(shù)。計(jì)數(shù)當(dāng)天完成。

預(yù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在火腿偽鏢水蚤和海洋尖尾藻攝食信息的存在下,布氏雙尾藻細(xì)胞大小或者硅含量都沒(méi)有變化,表明布氏雙尾藻不存在形態(tài)的誘導(dǎo)性防御能力。為了進(jìn)一步證明布氏雙尾藻與球形棕囊藻共存時(shí)缺乏硅化作用上的誘導(dǎo)性防御能力,每5d檢測(cè)生物硅含量和細(xì)胞大小。用0.6 μm的聚碳酸酯膜過(guò)濾5 mL樣品,用無(wú)Si的培養(yǎng)基和0.01 mol/L 的HCl清洗。濾膜在60℃下干燥,然后在100℃下用0.2 mol/L NaOH消化1 h。冷卻到室溫之后,用1 mL 1 mol/L的HCl中和樣品,用比色法測(cè)定硅酸的濃度[27]。根據(jù)布氏雙尾藻的細(xì)胞數(shù)計(jì)算單位細(xì)胞的生物硅含量。使用倒置顯微鏡測(cè)量布氏雙尾藻的細(xì)胞長(zhǎng)度和寬度。

浮游植物的競(jìng)爭(zhēng)能力利用公式(1)計(jì)算：

(1)

式中,VPha和VDit分別表示球形棕囊藻和布氏雙尾藻在時(shí)間(t)下的總生物體積。Y(t)與時(shí)間(t, day)線性回歸的斜率表示球形棕囊藻相對(duì)布氏雙尾藻的競(jìng)爭(zhēng)力,正值代表球形棕囊藻競(jìng)爭(zhēng)能力較高,而負(fù)值表示布氏雙尾藻競(jìng)爭(zhēng)能力較高[28]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

使用Prism GraphPad (v.5.0) 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和作圖。用D′Agostino-Pearson正態(tài)檢驗(yàn)分析數(shù)據(jù)的正態(tài)性,用Levene′s檢驗(yàn)分析方差同質(zhì)性。用two-way RM ANOVA檢驗(yàn)分析實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組的生物體積隨時(shí)間的變化。用非參數(shù)的Mann-Whitney 檢驗(yàn)分析實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組最大囊體直徑和囊體豐度的變化。用線性擬合分析 (Yt) 與t的關(guān)系,用one-way ANCOVA分析實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組之間的回歸方程的斜率。顯著性水平為P<0.05。

2 結(jié)果

2.1 球形棕囊藻囊體豐度和直徑的變化

對(duì)照組中球形棕囊藻囊體最早在第4天出現(xiàn),共存在13d；而兩個(gè)實(shí)驗(yàn)組中第2天就出現(xiàn)了囊體,一直存在至實(shí)驗(yàn)結(jié)束(25d；圖1)。對(duì)照組中最大囊體豐度達(dá)(1346±50) 個(gè)/mL,但是在加入火腿偽鏢水蚤和海洋尖尾藻攝食信息組中分別只有(211±60) 個(gè)/mL和(122±21) 個(gè)/mL(P<0.01)(圖1)。對(duì)照組中的最大囊體直徑為(112±26.7) μm,顯著低于火腿偽鏢水蚤和海洋尖尾藻攝食信息組(P<0.05),分別為(134±54.7) μm和 (150±58.8) μm(圖2)。

圖1 對(duì)照組,火腿偽鏢水蚤攝食信息實(shí)驗(yàn)組和海洋尖尾藻攝食信息實(shí)驗(yàn)組中球形棕囊藻的囊體豐度/(個(gè)/mL)Fig.1 Colony abundances of P. globosa in the control, Pseudodiaptomus poplesia-induced and O. marina-induced treatment

圖2 對(duì)照組,火腿偽鏢水蚤攝食信息實(shí)驗(yàn)組和海洋尖尾藻攝食信息實(shí)驗(yàn)組中球形棕囊藻的囊體直徑Fig.2 Colony diameters of P. globosa in the control, Pseudodiaptomus poplesia-induced and O. marina-induced treatment

2.2 布氏雙尾藻細(xì)胞大小和生物硅含量的變化

在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,火腿偽鏢水蚤和海洋尖尾藻攝食信息組中的布氏雙尾藻細(xì)胞的長(zhǎng)度,寬度和單位細(xì)胞的生物硅含量與在對(duì)照組中的相比均無(wú)顯著的差異(P>0.05),表明布氏雙尾藻不存在形態(tài)大小和硅化作用方面的誘導(dǎo)性防御策略(表1)。

2.3 球形棕囊藻和布氏雙尾藻生物體積的變化

對(duì)照組和火腿偽鏢水蚤攝食信息組中球形棕囊藻的生物體積都顯著高于布氏雙尾藻(P<0.0001),而海洋尖尾藻攝食信息組中則有相反的趨勢(shì)(P<0.0001)。對(duì)照組和火腿偽鏢水蚤攝食信息組中球形棕囊藻的最大生物體積分別是(65.3±2.59)×106μm3/mL和(93.2±5.92)×106μm3/mL,顯著高于海洋尖尾藻攝食信息組中的(11.1±0.17)×106μm3/mL(P<0.0001)(圖3)。對(duì)照組和火腿偽鏢水蚤攝食信息組中布氏雙尾藻的最大生物體積低于15×106μm3/mL,顯著低于海洋尖尾藻攝食信息組的(67.9±2.52) ×106μm3/mL(P<0001)(圖3)。

表1 布氏雙尾藻的細(xì)胞大小和單位細(xì)胞的生物硅含量

圖3 對(duì)照組,火腿偽鏢水蚤攝食信息實(shí)驗(yàn)組和海洋尖尾藻攝食信息實(shí)驗(yàn)組中球形棕囊藻(圓點(diǎn))和布氏雙尾藻(方塊)的細(xì)胞體積Fig.3 The cell volume of P. globosa (circles) and D. brightwellii (squares) in the control, Pseudodiaptomus poplesia-induced and O. marina-induced treatment

2.4 球形棕囊藻和布氏雙尾藻競(jìng)爭(zhēng)力的比較

對(duì)照組和火腿偽鏢水蚤攝食信息組中Y(t)和t有顯著正向線性相關(guān)(P<0.0001)(圖4),表明布氏雙尾藻在與球形棕囊藻的競(jìng)爭(zhēng)中處于劣勢(shì)?；鹜葌午S水蚤攝食信息組中的斜率顯著高于對(duì)照組中的(P<0.0001),表明火腿偽鏢水蚤攝食信息增強(qiáng)了球形棕囊藻相對(duì)布氏雙尾藻的競(jìng)爭(zhēng)力。相反,在海洋尖尾藻攝食信息組中的斜率為負(fù)值(P<0.0001),表明球形棕囊藻的競(jìng)爭(zhēng)力低于布氏雙尾藻。

圖4 對(duì)照組,火腿偽鏢水蚤攝食信息實(shí)驗(yàn)組和海洋尖尾藻攝食信息實(shí)驗(yàn)組中球形棕囊藻的替代率Fig.4 The displacement rates for P. globosa in the control, Pseudodiaptomus poplesia-induced and O. marina-induced treatment

3 討論

橈足類,纖毛蟲和異養(yǎng)甲藻釋放的化學(xué)信息會(huì)使球形棕囊藻的囊體增大[14-16]。囊體的增大是一個(gè)簡(jiǎn)單且有效的誘導(dǎo)性防御機(jī)制[23],避免了大多數(shù)浮游動(dòng)物的攝食[13]。實(shí)驗(yàn)期間球形棕囊藻的生物量沒(méi)有受囊體增大的影響,進(jìn)一步論證了誘導(dǎo)性防御是一種可持續(xù)的策略?；鹜葌午S水蚤和海洋尖尾藻攝食信息的實(shí)驗(yàn)組中球形棕囊藻形成的囊體比對(duì)照組大。海洋尖尾藻攝食信息組中球形棕囊藻的最大生物體積比火腿偽鏢水蚤攝食信息組小8倍；然而兩個(gè)實(shí)驗(yàn)組中的球形棕囊藻囊體大小相當(dāng)。盡管攝食者或食物球形棕囊藻的生長(zhǎng)會(huì)可能導(dǎo)致攝食信息濾液的營(yíng)養(yǎng)鹽差異,但攝食信息組和攝食者培養(yǎng)體系中持續(xù)添加新鮮的f/2培養(yǎng)基保證充足的營(yíng)養(yǎng)鹽,盡量避免營(yíng)養(yǎng)鹽缺乏。而且海洋尖尾藻攝食信息組中布氏雙尾藻的生物體積處于較高水平,因此培養(yǎng)體系中不存在營(yíng)養(yǎng)缺乏。我們的結(jié)果與Wang等[15]的研究結(jié)果相符：營(yíng)養(yǎng)充足情況下,接收攝食信息后的球形棕囊藻比未接收攝食信息的產(chǎn)生的細(xì)胞豐度更高以及形成的囊體更大；營(yíng)養(yǎng)限制條件下,啟動(dòng)誘導(dǎo)性防御的球形棕囊藻仍比未被激發(fā)防御反應(yīng)的形成的囊體更大但細(xì)胞豐度更低[15]。因此,誘導(dǎo)性防御的維持和表達(dá)只與攝食信息的存在有關(guān),與生物量無(wú)關(guān)。很多研究已經(jīng)證實(shí),球形棕囊藻在攝食壓力下,形態(tài)和生化含量立即發(fā)生變化,但是生長(zhǎng)率保持不變甚至下降[14-15]。防御優(yōu)先啟動(dòng),同時(shí)避免防御引發(fā)的能量消耗即隨后的生長(zhǎng)抑制。球形棕囊藻在營(yíng)養(yǎng)鹽充足條件下,生長(zhǎng)不受影響,一旦營(yíng)養(yǎng)鹽限制,防御立即進(jìn)行,但是生長(zhǎng)率降低[15]。因此相似地,棕囊藻在同時(shí)面臨攝食危機(jī)和競(jìng)爭(zhēng)壓力情況下,會(huì)優(yōu)先選擇啟動(dòng)防御而不是生長(zhǎng)和生物量的積累。

誘導(dǎo)性防御的優(yōu)先表達(dá)也表現(xiàn)在火腿偽鏢水蚤和海洋尖尾藻的攝食信息促進(jìn)了球形棕囊藻囊體的形成和維持。棕囊藻游離單細(xì)胞和小囊體經(jīng)常附著在硅藻上[29]。表明硅藻可能給棕囊藻提供固著基質(zhì),從而刺激囊體的形成[30]。然而,我們的研究表明對(duì)于刺激囊體的形成,攝食信息比硅藻的存在更重要。對(duì)照組球形棕囊藻囊體比加入攝食信息組的晚2d形成。添加攝食信息也增強(qiáng)了囊體持久性。攝食信息組球形棕囊藻囊體持續(xù)時(shí)間約為對(duì)照組的2倍。有學(xué)者在歐洲沿海和羅斯海觀察到在與不同浮游動(dòng)物和硅藻共存情況下,棕囊藻囊體持續(xù)2個(gè)月[31-32],該現(xiàn)象與本研究結(jié)果一致。然而,當(dāng)不存在攝食者的情況下,波切棕囊藻(Phaeocystispouchetii)囊體的持續(xù)時(shí)間少于20d[25]。之前的研究也表明球形棕囊藻獨(dú)自生長(zhǎng)時(shí)囊體的持續(xù)時(shí)間同樣少于20d[33]。刺激囊體更快形成和囊體持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)會(huì)增強(qiáng)囊體的防御能力,使其免受攝食。

普遍認(rèn)為任何防御都必須付出相應(yīng)的代價(jià)[34-35]。棕囊藻中囊體的形成會(huì)導(dǎo)致生長(zhǎng)和競(jìng)爭(zhēng)能力的損耗。南極棕囊藻囊體碳含量中粘液碳含量占(14±4)%[36],而在南中國(guó)海水域中該比值高達(dá)90%[37]。囊體的增大會(huì)減少營(yíng)養(yǎng)的攝取,因?yàn)楦偷谋砻娣e與體積比,以及囊體擴(kuò)散層的存在[38]。在本研究中,火腿偽鏢水蚤攝食信息組中球形棕囊藻的囊體增大并未對(duì)生長(zhǎng)產(chǎn)生負(fù)面影響,直到實(shí)驗(yàn)結(jié)束球形棕囊藻總生物體積都在不斷增加。前人的一些研究發(fā)現(xiàn)橈足類攝食信息會(huì)刺激球形棕囊藻的細(xì)胞豐度增加[14-15]。也有實(shí)驗(yàn)證據(jù)和野外觀察表明囊體細(xì)胞生長(zhǎng)率比游離單細(xì)胞高[33]。這些結(jié)果表明囊體的形成和增大并未表現(xiàn)出顯著的能量損耗。囊體的形成被認(rèn)為是抵抗攝食者的一種優(yōu)勢(shì),因?yàn)樾纬赡冶坏奈镔|(zhì)是一次性投入而不需要重新構(gòu)建[39]。火腿偽鏢水蚤攝食信息的存在下,形成囊體所投入碳的量不足以妨礙棕囊藻的生長(zhǎng)。另外,在黑暗期間,囊體內(nèi)基質(zhì)中的營(yíng)養(yǎng)和能量可以給生長(zhǎng)和繁殖提供重要的營(yíng)養(yǎng)來(lái)源[40]?；鹜葌午S水蚤釋放的攝食信息不僅誘發(fā)球形棕囊藻的誘導(dǎo)性防御,而且增強(qiáng)了球形棕囊藻的競(jìng)爭(zhēng)力。然而,火腿偽鏢水蚤攝食信息組和海洋尖尾藻攝食信息組的囊體豐度都小于對(duì)照組。一方面,在攝食壓力下,棕囊藻囊體體積的擴(kuò)增可能比囊體的數(shù)量增多更有效,誘導(dǎo)性防御狀態(tài)下的球形棕囊藻需要增大和維持囊體,可能會(huì)導(dǎo)致沒(méi)有額外的物質(zhì)和能量形成更多新囊體；另一方面球形棕囊藻成熟的囊體會(huì)向外釋放囊體細(xì)胞,被釋放的細(xì)胞會(huì)重新形成囊體[12],更大更持久的囊體也意味著囊體較少向外釋放細(xì)胞,因此新囊體形成的途徑變少。囊體豐度的減少這可能是誘導(dǎo)性防御的代價(jià)。

海洋尖尾藻釋放的攝食信息降低了球形棕囊藻相對(duì)布氏雙尾藻的競(jìng)爭(zhēng)能力,這可能也是啟動(dòng)誘導(dǎo)性防御付出的代價(jià)。對(duì)照組的布氏雙尾藻在競(jìng)爭(zhēng)中始終處于劣勢(shì),而海洋尖尾藻攝食信息組球形棕囊藻處于劣勢(shì)。微型浮游植物的攝食信息的存在顯著地改變了棕囊藻和硅藻的競(jìng)爭(zhēng)結(jié)果?；鹜葌午S水蚤和海洋尖尾藻攝食信息組中兩種藻競(jìng)爭(zhēng)動(dòng)態(tài)的差異可能是由于布氏雙尾藻對(duì)攝食信息的響應(yīng)不同。在本研究中,我們檢測(cè)了布氏雙尾藻細(xì)胞大小和細(xì)胞硅含量這兩種硅藻防御浮游植物攝食者的主要策略[4]。然而,攝食信息會(huì)誘發(fā)其它生化和生長(zhǎng)的響應(yīng)。Ratti等[41]觀察到纖毛蟲增加了威氏海鏈藻(Thalassiosiraweissflogii)的生長(zhǎng)率,而火腿偽鏢水蚤對(duì)硅藻生長(zhǎng)率沒(méi)有影響。我們的研究也發(fā)現(xiàn)微型浮游動(dòng)物攝食信息刺激了硅藻的生長(zhǎng)。硅藻的生長(zhǎng)可能對(duì)微型浮游動(dòng)物的攝食敏感,而球形棕囊藻可能對(duì)中型浮游動(dòng)物的攝食敏感,因此在海洋尖尾藻攝食信息存在下,球形棕囊藻的生長(zhǎng)不如布氏雙尾藻,則球形棕囊藻相對(duì)布氏雙尾藻的競(jìng)爭(zhēng)力下降。不論棕囊藻和硅藻對(duì)攝食信息的響應(yīng)機(jī)制不同,攝食信息能顯著影響浮游植物的種間競(jìng)爭(zhēng)。

微型浮游動(dòng)物釋放的攝食信息會(huì)降低球形棕囊藻相對(duì)硅藻競(jìng)爭(zhēng)力,這一結(jié)果有助于解釋頻繁觀察到棕囊藻藻華會(huì)出現(xiàn)在硅藻藻華之后[10]。微型浮游動(dòng)物是浮游植物的主要攝食者[42],而且普遍認(rèn)為它們對(duì)初級(jí)生產(chǎn)力和生物量的影響超過(guò)中型浮游動(dòng)物[43]。微型浮游動(dòng)物對(duì)球形棕囊藻游離單細(xì)胞的攝食率顯著高于中型浮游動(dòng)物[44]。因此微型浮游動(dòng)物的攝食是棕囊藻誘導(dǎo)性防御進(jìn)化的主要壓力。而囊體形成這一誘導(dǎo)性防御在對(duì)抗微型浮游動(dòng)物攝食者上是有效的[13,23],但也會(huì)導(dǎo)致球形棕囊藻在與硅藻的競(jìng)爭(zhēng)中處于劣勢(shì)。另外,布氏雙尾藻的生長(zhǎng)率也低于海區(qū)中與球形棕囊藻共存的更小的硅藻,例如骨條藻(Skeletonema)和角毛藻(Chaetoceros)[45]。這些較小的硅藻也能在與球形棕囊藻的競(jìng)爭(zhēng)中獲勝,使棕囊藻藻華只有在水體中的硅被硅藻耗盡之后才開始爆發(fā)[46]。

誘導(dǎo)性防御的表達(dá)導(dǎo)致競(jìng)爭(zhēng)力的下降可以提供對(duì)“浮游生物悖論”的進(jìn)一步理解。前人提出了幾個(gè)關(guān)于該悖論的解釋[47]：營(yíng)養(yǎng)和溫度的季節(jié)循環(huán)[48],不完全的垂直混合層[49],資源競(jìng)爭(zhēng)策略[50],和生理學(xué)和生活史特征[51]。海洋生態(tài)系統(tǒng)中的攝食行為能促進(jìn)物種共存和生物多樣性增加(如,攝食者會(huì)對(duì)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勝者施加更高的攝食壓力,防止劣勢(shì)競(jìng)爭(zhēng)者的滅絕)[52]。攝食信息也能間接地促進(jìn)物種的共存。攝食信息的存在下,誘導(dǎo)性防御的表達(dá)可以使棕囊藻把攝食壓力轉(zhuǎn)移到其它物種上,如硅藻,間接地減小了球形棕囊藻的競(jìng)爭(zhēng)壓力[53]。棕囊藻因而成為具有優(yōu)秀防御機(jī)制的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勝者。另一方面,微型浮游動(dòng)物攝食信息對(duì)它們的生物量和競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)生負(fù)反饋調(diào)節(jié),阻止防御優(yōu)勝者排擠其它物種。因此,攝食信息具有調(diào)節(jié)浮游植物的競(jìng)爭(zhēng)和共存生態(tài)功能。

4 結(jié)論

火腿偽鏢水蚤和海洋尖尾藻攝食信息均能誘發(fā)球形棕囊藻的防御反應(yīng)。火腿偽鏢水蚤攝食信息誘導(dǎo)下球形棕囊藻比布氏雙尾藻更具競(jìng)爭(zhēng)力；而海洋尖尾藻攝食信息導(dǎo)致球形棕囊藻在與布氏雙尾藻的競(jìng)爭(zhēng)中處于劣勢(shì)。研究表明在面臨攝食和競(jìng)爭(zhēng)壓力下,棕囊藻會(huì)優(yōu)先選擇啟動(dòng)防御,而不是增加細(xì)胞豐度和生物量的積累。棕囊藻的誘導(dǎo)性防御機(jī)制——囊體增大和持續(xù)時(shí)間增長(zhǎng),是對(duì)抗浮游動(dòng)物攝食有效而經(jīng)濟(jì)的措施,但作為代價(jià),會(huì)表現(xiàn)出競(jìng)爭(zhēng)能力下降。海洋尖尾藻攝食信息組中布氏雙尾藻處于競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),表明布氏雙尾藻的生長(zhǎng)對(duì)微型浮游動(dòng)物的攝食信息更敏感,誘導(dǎo)性防御狀態(tài)下的球形棕囊藻生長(zhǎng)不如布氏雙尾藻。棕囊藻的主要攝食者是微型浮游動(dòng)物,微型浮游動(dòng)物對(duì)棕囊藻誘導(dǎo)性防御機(jī)制進(jìn)化施加主要攝食壓力。自然海區(qū)微型浮游動(dòng)物存在下,誘導(dǎo)性防御狀態(tài)的棕囊藻在與硅藻競(jìng)爭(zhēng)中處于劣勢(shì),有利于硅藻藻華在球形棕囊藻藻華之前爆發(fā)。由此可見(jiàn),攝食信息通過(guò)對(duì)浮游植物種間競(jìng)爭(zhēng)的調(diào)節(jié),促進(jìn)了物種的共存和物種多樣性的增加。