李夢雅，許 凱，唐小虹，張立日，徐 燕，王文磊，紀(jì)德華，陳昌生，謝潮添

(集美大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院，福建 廈門 361021)

壇紫菜(Pyropiahaitanensis)是一種我國南方沿海栽培的重要經(jīng)濟(jì)海藻，其年產(chǎn)量占紫菜總產(chǎn)量的75%以上，主要栽培在我國福建、浙江和廣東[13]。它可以作為食品、工業(yè)原料，也被認(rèn)為是修復(fù)近岸養(yǎng)殖海區(qū)環(huán)境和增加碳匯的理想海藻[14]。陽光是包括海藻在內(nèi)的光合生物的能量來源，而溫度可以改變酶活性，影響藻體生長、代謝、光合作用及適溫范圍[15-16]。因此，光和溫度是調(diào)控壇紫菜生長發(fā)育的兩個(gè)最主要因素，也是決定其產(chǎn)量形成的關(guān)鍵因素[17]。壇紫菜海上養(yǎng)殖周期可長達(dá)近6個(gè)月，由于時(shí)間跨度大，天氣變化復(fù)雜，壇紫菜經(jīng)歷劇烈的光和溫度變化。在臺(tái)風(fēng)和陰雨天，葉狀體連續(xù)幾天處于低光環(huán)境，晴天則處于強(qiáng)光環(huán)境；而在養(yǎng)殖期間，福建近海海域的表層水溫變化范圍為7.9～30.4 ℃[18-20]。壇紫菜幼苗的生長適溫為23～26 ℃左右，若溫度過低則生長緩慢，厚度增長，品質(zhì)下降，而持續(xù)高溫則導(dǎo)致爛苗，嚴(yán)重降低產(chǎn)量[21]。近年來，氣候變暖導(dǎo)致高溫回暖天氣頻發(fā)，養(yǎng)殖戶損失巨大[22]。因此，有必要研究壇紫菜葉狀體對(duì)高溫和強(qiáng)光的耐受能力，以及海洋酸化對(duì)其耐受能力的影響，這將有助于評(píng)估在氣候變化背景下近海生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1 材料與方法

1.1 壇紫菜樣品

本研究材料壇紫菜Z-61是集美大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院通過雜交方法選育獲得的耐高溫品系，以自由絲狀體形式保存在福建省壇紫菜種質(zhì)資源庫[23]。自由絲狀體經(jīng)30 ℃高溫促熟，然后轉(zhuǎn)移到21 ℃充氣促進(jìn)殼孢子放散，殼孢子萌發(fā)獲得葉狀體幼苗。用天然滅菌海水參照PES培養(yǎng)基配方添加營養(yǎng)鹽[24]，充氣培養(yǎng)壇紫菜葉狀體，每兩天更換新鮮培養(yǎng)液。培養(yǎng)溫度為21 ℃，光照強(qiáng)度為50 μmol/(m2·s)，L∶D=12∶12。選取25 cm左右長的健康藻體用于實(shí)驗(yàn)。

1.2 海洋酸化處理

往配好的新鮮培養(yǎng)基中添加CO2飽和的海水(向4 ℃海水中通入高純度CO2氣體，直至pH小于4.0，即得CO2飽和海水)，設(shè)置3個(gè)pH水平：8.2(對(duì)照)、7.5和7.0。海水總堿度用電位滴定儀(Mettler-Toledo G20，瑞士)測定，鹽酸濃度用優(yōu)級(jí)純級(jí)別的Na2CO3標(biāo)定。根據(jù)海水pH和總堿度，用CO2SYS軟件計(jì)算海水碳酸鹽化學(xué)參數(shù)[25]。pH為 8.2、7.5和7.0的培養(yǎng)基的CO2濃度分別為(424±17)×10-6、(2 420±116)×10-6、(7 916±240)×10-6。

1.3 溫度梯度實(shí)驗(yàn)

溫度變化模擬養(yǎng)殖海域的實(shí)際情況[18-20]采用光照恒溫培養(yǎng)箱進(jìn)行溫度梯度實(shí)驗(yàn)：短期溫度實(shí)驗(yàn)為4 h，設(shè)置12個(gè)溫度水平(6、9、12、15、18、21、24、27、30、33、36、39 ℃)；長期溫度實(shí)驗(yàn)為6 d，設(shè)置5個(gè)溫度水平(11、16、21、26、31 ℃)。其余培養(yǎng)條件與藻體培養(yǎng)條件相同。

1.4 光梯度實(shí)驗(yàn)

短期光梯度實(shí)驗(yàn)為4 h，設(shè)置8個(gè)光梯度，光照強(qiáng)度范圍為0～1 400 μmol/(m2·s)。長期實(shí)驗(yàn)為3 d，設(shè)置5個(gè)光梯度分別為40、80、150、250、550 μmol/(m2·s)。長期光梯度實(shí)驗(yàn)?zāi)M壇紫菜養(yǎng)殖區(qū)福建省在養(yǎng)殖季節(jié)的地表平均日光照強(qiáng)度[26]。

1.5 生理指標(biāo)測定

用Diving-PAM (Diving PAM, Walz, 德國)測定藻體的光系統(tǒng)Ⅱ的Fv/Fm，暗適應(yīng)時(shí)間為15 min，飽和脈沖光照強(qiáng)度為8 000 μmol/(m2·s)。用黑白瓶法測定光合放氧速率和呼吸速率。將藻體加到透明的BOD瓶中密閉培養(yǎng)，不加藻體的為空白瓶。黑瓶用錫箔紙包裹遮光，白瓶放在實(shí)驗(yàn)設(shè)定光照強(qiáng)度下。培養(yǎng)4 h，測定瓶中的溶解氧濃度。溶解氧測定方法參考《水質(zhì) 溶解氧的測定 碘量法》[27]，利用電位滴定儀(Mettler-Toledo G20，瑞士)自動(dòng)檢測滴定終點(diǎn)并識(shí)別等當(dāng)點(diǎn)。黑瓶和空白瓶的差值為呼吸所消耗的溶解氧，白瓶和空白瓶的差值為凈光合作用所釋放的溶解氧。用紗布吸干藻體表面水分，通過測量培養(yǎng)前后的鮮重差異，計(jì)算比生長速率(μ)。

1.6 統(tǒng)計(jì)

用Excel 2017和SPSS 18.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，通過雙因素方差分析(Two-Way ANOVA)和Tukey多重比較分析不同處理間的差異。

2 結(jié)果與討論

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 海洋酸化提高壇紫菜葉狀體對(duì)高溫脅迫的耐受能力 在pH 為8.2處理下短期培養(yǎng)4 h后，F(xiàn)v/Fm值先隨溫度增加而緩慢增加，溫度升高到24 ℃時(shí)Fv/Fm值最高。隨后，F(xiàn)v/Fm值隨溫度增加而緩慢降低，溫度升高到36 ℃時(shí)Fv/Fm值大幅度下降，39 ℃處理下Fv/Fm值最小[圖1(a)]。海洋酸化顯著增加壇紫菜葉狀體光系統(tǒng)II對(duì)低溫和高溫的耐受能力，表現(xiàn)為：在6、9、36 ℃處理下，與對(duì)照相比，海洋酸化顯著增加了Fv/Fm值，增幅大于11%(p<0.05)。但在極端高溫39 ℃處理下，酸化并未產(chǎn)生顯著影響(p>0.05)。并且溫度和海洋酸化對(duì)葉狀體Fv/Fm值產(chǎn)生交互效應(yīng)(p<0.01)。

與對(duì)照相比，酸化沒有改變凈光合速率對(duì)溫度的響應(yīng)趨勢，隨著溫度升高，凈光合速率呈現(xiàn)先增加后減少的特征，其最大和最小值分別出現(xiàn)在18、39 ℃[圖1(b)]。但在所有12個(gè)溫度水平下，海洋酸化均增加了凈光合速率的平均值，其中7個(gè)溫度存在顯著差異(p<0.05)。與Fv/Fm值不同的是，在高溫(36 ℃和39 ℃)下，海洋酸化將凈光合速率分別增至對(duì)照的1.36倍和20.00倍(p<0.05)。呼吸速率明顯隨溫度增加而增加，海洋酸化僅在低溫(6 ℃和9 ℃)下顯著降低呼吸速率[p<0.05，圖1(c)]，與對(duì)照相比下降約78%。

圖1 壇紫菜葉狀體的Fv/Fm、凈光合速率和呼吸速率對(duì)短期溫度變化的響應(yīng)

在正常海水(pH 8.2)下培養(yǎng)6 d后，壇紫菜葉狀體Fv/Fm值隨溫度上升而增加，至26 ℃時(shí)達(dá)到最大值，在31 ℃時(shí)大幅度下降。6 d酸化對(duì)Fv/Fm值并未產(chǎn)生顯著影響[p>0.05，圖2(a)]，僅在31 ℃處理下，海洋酸化導(dǎo)致Fv/Fm的平均值高于對(duì)照。海洋酸化對(duì)壇紫菜生長速率的影響顯著[p<0.05，圖2(b)] ，在31 ℃高溫脅迫下，正常海水培養(yǎng)的葉狀體死亡潰爛，生長速率降低至負(fù)值；而酸化海水(pH 7.5)培養(yǎng)的葉狀體比生長速率仍能維持在約0.1 d-1，顯著高于對(duì)照(p<0.01)。Fv/Fm值和生長數(shù)據(jù)表明，海洋酸化能提高葉狀體的耐高溫能力。此外，溫度和海洋酸化對(duì)壇紫菜葉狀體的生長產(chǎn)生交互效應(yīng)(p<0.01)。

圖2 壇紫菜葉狀體的Fv/Fm和比生長速率對(duì)長期溫度變化的響應(yīng)

2.1.2 海洋酸化提高壇紫菜葉狀體對(duì)強(qiáng)光的耐受能力 短期培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)表明，在光照強(qiáng)度為250、600、1 400 μmol/(m2·s)下，pH降至7.5導(dǎo)致葉狀體凈光合速率增加了46%以上[p<0.05，圖3(a)]。在600 μmol/(m2·s)的光照強(qiáng)度下，海洋酸化處理的葉狀體的Fv/Fm值顯著比對(duì)照高22%[p<0.05，圖3(b)]；但在其他光照強(qiáng)度下，海洋酸化并未產(chǎn)生顯著影響(p>0.05)。這表明在高光下，光系統(tǒng)Ⅱ的Fv/Fm受到的抑制顯著低于對(duì)照，結(jié)合凈光合速率數(shù)據(jù)，表明酸化提高了光系統(tǒng)Ⅱ?qū)Ω吖獾哪褪苣芰?，使其在高光下仍具有更好的生理狀態(tài)。

圖3 壇紫菜葉狀體的凈光合作用速率和Fv/Fm對(duì)短期光照強(qiáng)度變化的響應(yīng)

長期培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)表明，海洋酸化對(duì)壇紫菜葉狀體的光合作用有促進(jìn)作用，在550 μmol/(m2·s)光照強(qiáng)度下，兩個(gè)低pH處理均顯著提高了凈光合速率及總光合速率，增幅均超過25%[p<0.05，圖4(a)、(c)]。除pH為7.0和550 μmol/(m2·s)光照強(qiáng)度處理外，酸化對(duì)呼吸速率沒有明顯影響[p>0.05，圖4(b)]。在250 μmol/(m2·s)光照強(qiáng)度下，酸化提高Fv/Fm值約25%[p<0.05，圖4(d)]。此外，海洋酸化還顯著提高了壇紫菜葉狀體的生長速率(p<0.05，圖5)，pH為7.0時(shí)葉狀體的比生長速率提高27%以上(p<0.05)，pH為7.5時(shí)提高33%以上(p<0.05)，而兩個(gè)低pH處理之間無顯著性差異(p>0.05)。

圖5 壇紫菜葉狀體的比生長速率對(duì)長期光照強(qiáng)度變化的響應(yīng)

2.2 討論

在養(yǎng)殖環(huán)境中，壇紫菜自然經(jīng)歷劇烈的溫度和光照強(qiáng)度的變化。本研究表明，壇紫菜葉狀體具有較寬的溫度和光照強(qiáng)度生長范圍，高溫和強(qiáng)光處理時(shí)間延長(3～6 d)會(huì)顯著抑制光合作用和生長。但降低pH可以顯著減弱高溫和強(qiáng)光對(duì)光合速率和比生長速率的抑制作用，說明海洋酸化顯著提高了壇紫菜葉狀體耐受高溫和強(qiáng)光的能力。作為海洋紅藻，壇紫菜的光合作用受限于海水中CO2濃度，因此需消耗大量能量運(yùn)轉(zhuǎn)二氧化碳濃縮機(jī)制(CCM)來提高胞內(nèi)CO2濃度[28]。而海洋酸化使得藻類更容易獲得CO2，可以減少投入CCM的能量用于抵御脅迫環(huán)境并促進(jìn)生長[29]，這可能是海洋酸化對(duì)壇紫菜生長表現(xiàn)出正面效果的原因之一。

壇紫菜葉狀體適宜生長溫度為16～24 ℃，水溫過高會(huì)導(dǎo)致壇紫菜胞內(nèi)活性氧顯著增加[30]，進(jìn)而導(dǎo)致壇紫菜藻體潰爛，嚴(yán)重減少養(yǎng)殖戶收入。但養(yǎng)殖區(qū)水溫變化范圍很廣，最低為8 ℃，最高為30 ℃[18]。本研究發(fā)現(xiàn)，連續(xù)6 d的高溫處理導(dǎo)致壇紫菜死亡，但酸化處理可以讓壇紫菜葉狀體在高溫脅迫下依然維持一定的生長(圖2)。這說明海洋酸化提高了壇紫菜葉狀體對(duì)高溫的耐受能力(圖2)，這一結(jié)論與前人研究結(jié)果[31]一致。將壇紫菜暴露于短時(shí)極高溫(40 ℃)下時(shí)，對(duì)照培養(yǎng)的葉狀體Fv/Fm值下降了70%以上，而高CO2環(huán)境下生長的藻體Fv/Fm值只下降了約40%，可見酸化可以減弱高溫脅迫對(duì)壇紫菜葉狀體的損傷[29]。因此，在一定程度上未來壇紫菜栽培產(chǎn)業(yè)可能受益于海洋酸化。

光是植物進(jìn)行光合作用的能量來源，但過強(qiáng)的光卻可能引起光抑制，進(jìn)而降低生長速率甚至導(dǎo)致藻體死亡[28,32]。海洋酸化對(duì)龍須菜的影響與光照強(qiáng)度有關(guān)，在低光照強(qiáng)度下，海洋酸化對(duì)龍須菜的生長無明顯差異，但在中等光照強(qiáng)度下，海洋酸化顯著提高其生長速率40%以上[33]。本研究發(fā)現(xiàn)，在40～550 μmol/(m2·s)的光照強(qiáng)度范圍內(nèi)，酸化能提高壇紫菜的凈光合速率，促進(jìn)生長(圖4、5)。此外，550 μmol/(m2·s)的強(qiáng)光處理顯著降低Fv/Fm值，但酸化可以減輕其降幅，說明酸化可以提高壇紫菜對(duì)高光的耐受能力。Fv/Fm值為光系統(tǒng)Ⅱ的最大量子效率，而光照是影響Fv/Fm值的重要因素之一[34]。因而，F(xiàn)v/Fm是一種準(zhǔn)確、靈敏的光響應(yīng)檢測指標(biāo)，可以反映光照強(qiáng)度變化對(duì)藻體生理狀態(tài)產(chǎn)生的影響，在光抑制的檢測中甚至比光合放氧速率更為靈敏[35-36]。Demmig-adams等(1992)認(rèn)為在強(qiáng)光下，植物的光系統(tǒng)Ⅱ損傷是Fv/Fm值降低的主要原因[37]。因而，我們推測，海洋酸化通過緩解強(qiáng)光對(duì)光系統(tǒng)Ⅱ的損傷，提高了壇紫菜葉狀體對(duì)強(qiáng)光的耐受能力。

圖4 壇紫菜葉狀體的凈光合速率、呼吸速率、總光合速率和Fv/Fm對(duì)長期光照強(qiáng)度變化的響應(yīng)

3 結(jié)論

全球環(huán)境變化已成為影響人類可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素，而大氣CO2濃度升高則是導(dǎo)致全球變暖和海洋酸化的元兇。本研究表明，海洋酸化會(huì)提高壇紫菜葉狀體對(duì)溫度和光脅迫的耐受能力，并將提高壇紫菜的凈光合速率，促進(jìn)生長。因此，在一定程度上壇紫菜栽培產(chǎn)業(yè)可能受益于海洋酸化，而野生壇紫菜也可能在潮間帶生態(tài)系統(tǒng)中獲得更多的競爭優(yōu)勢。