晝夜溫差對三角褐指藻和赤潮異彎藻生長和葉綠素?zé)晒馓匦缘挠绊?/h1>
2022-03-15 07:45李建安王佳妤梅熠輝陳梅玲周成旭李亞鶴
水生生物學(xué)報(bào) 2022年2期
李建安 王佳妤 梅熠輝 陳梅玲 周成旭 李亞鶴
(1. 寧波大學(xué)海洋學(xué)院， 寧波 315211; 2. 寧波大學(xué)食品與藥學(xué)學(xué)院， 寧波 315211)
作為一種微型的光合生物， 海洋微藻是海洋主要的初級生產(chǎn)者[1]， 在海洋生態(tài)系統(tǒng)中起重要的作用， 可用作浮游動物、養(yǎng)殖生物的餌料， 也可產(chǎn)生較高含量的初生及次生代謝產(chǎn)物， 但也有一些種類如中肋骨條藻(Skeletonema costatum)和赤潮異彎藻(Heterosigma akashiwo)等暴發(fā)性生長形成赤潮， 給海水養(yǎng)殖和旅游業(yè)帶來一定的經(jīng)濟(jì)損失。眾所周知， 微藻的生長受溫度、光照強(qiáng)度和鹽度等環(huán)境因素的影響， 并具有種間差異。有研究表明， 三角褐指藻(Phaeodactylum tricornutum)的最適生長溫度在15—20℃， 溫度升高至25℃ 顯著降低其平臺期的生物量[2]， 海鏈藻(Thalassiosirasp.)在18—24℃內(nèi)具有較高的生長速率， 溫度升高至27℃顯著抑制其生長[3]， 而相比于22℃， 假微型海鏈藻(Thalassiosira pseudonana)在26℃時的生長速率顯著增加[4]， 相比于15℃， 25℃顯著促進(jìn)中肋骨條藻的生長[5]， 也有研究顯示溫度從20℃升高至28℃， 威氏海鏈藻(Thalassiosira weissflogii)的生長不受影響， 但瑪氏骨條藻(Skeletonema marinoi)的生長速率逐漸降低[6]，即微藻生長對溫度變化的響應(yīng)不同。近岸海域的調(diào)查研究顯示， 溫度是影響近岸海域浮游植物群落結(jié)構(gòu)的主要環(huán)境因子之一[7]， 赤潮的暴發(fā)于海水溫度密切相關(guān)[8]， 有害赤潮藻赤潮異彎藻生長的最適溫度為25℃[9]。
一般認(rèn)為， 溫度是通過影響微藻中與光合作用相關(guān)的酶的活性及耐受性， 影響微藻的葉綠素含量和光合速率， 繼而影響微藻的生長、總脂和毒素含量等， 及影響浮游植物的群落結(jié)構(gòu)。研究表明， 赤潮異彎藻的細(xì)胞體積隨著溫度的升高而逐漸減小，同時單位體積細(xì)胞的色素含量逐漸增加[9]， 錐狀斯氏藻(Scrippsiella trochoidea)和塔瑪亞歷山大藻(Alexandrium tamarense)的光合放氧速率在20—22℃時達(dá)到最高值[10]， 溫度由15℃升高至25℃， 三角褐指藻的光合固碳速率也顯著增加[11]， 而當(dāng)溫度由10℃逐漸升高至30℃， 三角褐指藻達(dá)到指數(shù)生長末期所需的時間降低， 其總脂肪酸含量先增加后降低， 且組成成分也受影響， 其中不飽和脂肪酸含量在15℃時含量最高[12]。三角褐指藻作為一種餌料微藻， 在研究溫度對其生長的影響的同時， 也需考慮其品質(zhì)的變化。
然而， 盡管關(guān)于溫度對微藻生長、光合作用及生化組分等方面的研究較多， 但已有的研究多集中在探究不同溫度梯度的影響[2—6，9—12]， 也有少量研究關(guān)注了低溫或高溫的前處理即溫度的誘導(dǎo)作用[13]，但這些研究均忽略了晝夜溫差的效應(yīng)， 而自然界中晝夜溫差是真實(shí)存在的， 雖然海水溫度的晝夜變化低于陸地溫度， 但海水溫度晝夜變化的影響也是不可忽視的。目前已有的關(guān)于晝夜溫差的研究多集中在對大型海藻的探究上[14，15]， 本實(shí)驗(yàn)室的研究也表明大型海藻滸苔(Ulva prolifera)在夜間黑暗狀態(tài)下能夠快速生長[16]， 且一定程度的晝夜溫差可促進(jìn)大型海藻滸苔的生長(未發(fā)表數(shù)據(jù))。因此， 考慮到大部分微藻的細(xì)胞增殖主要是在暗周期進(jìn)行， 我們推測微藻的生長在一定程度上會受到晝夜溫差的影響， 且具有種間差異。本實(shí)驗(yàn)選擇常見的優(yōu)良餌料藻三角褐指藻(Phaeodactylum tricornutum)和赤潮藻赤潮異彎藻(Heterosigma akashiwo)為材料， 探究晝夜溫度變化對其生長和光合作用的影響。
1 材料與方法
1.1 藻種
三角褐指藻由中國科學(xué)院水生生物研究所胡晗華教授提供， 赤潮異彎藻由寧波大學(xué)食品與藥學(xué)學(xué)院藻種庫提供。
1.2 微藻培養(yǎng)
分批培養(yǎng)P. tricornutum和H. akashiwo分別培養(yǎng)在鹽度為35和25的f/2加富的人工海水中， 培養(yǎng)期間光照強(qiáng)度為100 μmol/(m2·s)(早8:00到晚8:00為光周期時間)。溫度處理設(shè)置3個水平， 分別為22℃(光暗周期培養(yǎng)溫度均為22℃)、22—18℃(光、暗周期培養(yǎng)溫度分別為22℃和18℃)、18℃(光暗周期培養(yǎng)溫度均為18℃)。每個溫度處理組設(shè)4個重復(fù)， 分批培養(yǎng)時P. tricornutum和H. akashiwo的起始密度分別為3×105和5×104cell/mL。每天測定細(xì)胞密度， 繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線， 在指數(shù)生長期進(jìn)行葉綠素?zé)晒鈪?shù)、葉綠素a和類胡蘿卜素含量及光合固碳速率的測定。
半連續(xù)培養(yǎng)在分批培養(yǎng)的基礎(chǔ)上(明確指數(shù)生長期細(xì)胞濃度范圍)， 取指數(shù)生長中期的藻細(xì)胞進(jìn)行半連續(xù)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)， 溫度處理和其他培養(yǎng)條件同分批培養(yǎng)。P. tricornutum和H. akashiwo的起始細(xì)胞密度分別設(shè)置為9×105和5×104cell/mL， 每隔1天進(jìn)行細(xì)胞計(jì)數(shù)和按比例稀釋， 稀釋的后的細(xì)胞濃度等同于初始濃度， 并計(jì)算半連續(xù)培養(yǎng)時細(xì)胞的比生長速率。待比生長速率穩(wěn)定后測定其葉綠素?zé)晒鈪?shù)、葉綠素a和類胡蘿卜素含量。
1.3 細(xì)胞密度的測定和比生長速率的計(jì)算
每天定時取樣用血球計(jì)數(shù)板和浮游植物計(jì)數(shù)框分別測定三角褐指藻和赤潮異彎藻的細(xì)胞密度。赤潮異彎藻在計(jì)數(shù)前需用盧戈氏液進(jìn)行固定。而后， 用Logistic方程對分批培養(yǎng)下的生長速率(即生長曲線)進(jìn)行擬合， 擬合公式為:y=a/{1+[(ay0)/y0]e-rx}(y0代表初始細(xì)胞密度，a代表環(huán)境承載量，r為內(nèi)稟增長率)[17]。
半連續(xù)培養(yǎng)下的比生長速率的計(jì)算公式如下:μ=ln(N2/N1)/(t2-t1)， 其中N1和N2分別為半連續(xù)培養(yǎng)時t1和t2對應(yīng)的細(xì)胞密度。
1.4 葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測定
采用AquaPen手持式水體熒光儀進(jìn)行葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測定。中午12點(diǎn)前后取樣， 黑暗條件下適應(yīng)15min后進(jìn)行葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)曲線的測定， 光化光設(shè)置為600 μmol/(m2·s)。獲得圍繞光系統(tǒng)Ⅱ的最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)和相對高光600 μmol/(m2·s)條件下(大于半飽和光強(qiáng))的有效光化學(xué)效率(ФPSⅡ)、光化學(xué)淬滅(Qp)和非光化學(xué)熒光淬滅(NPQ)， 其中，ФPSⅡ=(Fm′-Fs)/Fm′， Qp=(Fm′-Fs)/(Fm′-F0′)， NPQ=Fm/Fm′-1。
直接取培養(yǎng)狀態(tài)下的細(xì)胞進(jìn)行快速光響應(yīng)曲線(RLC)的測定， RLC用公式rETR=PAR/(a×PAR2+b×PAR+c) 進(jìn)行擬合， 進(jìn)而計(jì)算其圍繞光系統(tǒng)Ⅱ的最大相對電子傳遞速率(rETRmax)、表觀光能利用效率(α)和半飽和光強(qiáng)(Ek)[18]。
1.5 葉綠素a和類胡蘿卜素的提取與測定
在指數(shù)生長期和平臺期取一定體積的藻液， 過濾在GF/F膜上 (Φ25 mm， Whatman， 孔徑0.22 μm)，放入15 mL 離心管中， 加入5 mL 甲醇， 4℃提取24 h，之后離心 (5000×g， 10 min)， 取上清液于紫外-分光光度計(jì)(UV6100A， 上海元析儀器有限公司)中進(jìn)行全光譜掃描(250—750 nm)。根據(jù)公式計(jì)算葉綠素a(Chl.a)和類胡蘿卜素 (Carotenoids， Car.) 的含量[19]:
Chl.a(μg/mL)=13.2654×(A665-A750)-2.6839×(A632-A750)
而后再根據(jù)細(xì)胞密度和藻液體積， 將Chl.a和Car.的單位換算為pg/cell。
1.6 光合固碳速率的測定
取指數(shù)生長期的藻液進(jìn)行低壓過濾(壓力低于0.03 pa)， 將過濾后的藻細(xì)胞沖洗入新鮮的預(yù)調(diào)溫的空氣飽和的培養(yǎng)基中， 測定藻液的初始pH和細(xì)胞濃度， 再分裝到4個定制玻璃管中， 放入相應(yīng)的培養(yǎng)條件下密閉培養(yǎng)1h， 而后迅速測定其pH。根據(jù)pH和總堿度(TA， 固定值， 與海水鹽度有關(guān)[20])， 運(yùn)用CO2sys軟件計(jì)算密閉培養(yǎng)前后培養(yǎng)基中溶解無機(jī)碳的濃度， 進(jìn)而計(jì)算藻細(xì)胞的光合固碳速率[21]。計(jì)算公式如下: 固碳速率=ΔC×V/(N×h)， ΔC為培養(yǎng)前后無機(jī)碳濃度的變化值，V為密閉培養(yǎng)的體積，N為細(xì)胞數(shù)，h為培養(yǎng)時間。
1.7 數(shù)據(jù)處理
所有數(shù)據(jù)表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤(n=4)。采用單因子方差分析的方法進(jìn)行溫度效應(yīng)的顯著分析， 事后采用Tukey法進(jìn)行多重比較， 顯著水平設(shè)置為P＜0.05。
2 結(jié)果
2.1 晝夜溫差對三角褐指藻和赤潮異彎藻生長的影響
分批培養(yǎng)的結(jié)果顯示三角褐指藻相比于18℃，22℃延長了藻細(xì)胞生長的延遲期， 平臺期時細(xì)胞濃度低于18℃， 而22—18℃處理組， 在培養(yǎng)的第1至第3天其生長趨勢幾乎與18℃處理組一致， 但顯著降低平臺期的藻細(xì)胞密度(圖1A)， 然而對不同溫度條件下的生長曲線進(jìn)行擬合發(fā)現(xiàn)， 培養(yǎng)溫度為22℃時， 藻細(xì)胞的內(nèi)稟增長率較高， 但該溫度處理下初始藻細(xì)胞濃度較低(表1)。半連續(xù)培養(yǎng)的結(jié)果顯示相比于18℃， 22℃時細(xì)胞的比生長速率略有降低， 降幅為8.9%， 22—18℃顯著抑制了細(xì)胞的生長(P=0.012; 表2)。
和三角褐指藻不同， 盡管18℃和22℃處理下，平臺期的細(xì)胞密度相差不大， 但相比于22℃， 18℃和22—18℃均延長了赤潮異彎藻生長的延遲期(圖1B和表1)。且相比于恒溫處理， 無論是分批培養(yǎng)還是半連續(xù)培養(yǎng)， 晝夜溫差顯著降低了赤潮異彎藻的比生長速率(表1和表2)， 尤其是半連續(xù)培養(yǎng)時， 相比于22℃， 22—18℃時細(xì)胞比生長速率的降幅高達(dá)36.4%(表2)。
表1 三角褐指藻和赤潮異彎藻分批培養(yǎng)時不同溫度處理下生長曲線的擬合參數(shù)Tab. 1 Fitting parameters of growth curve of P. tricornutum and H. akashiwo
表2 半連續(xù)培養(yǎng)條件下三角褐指藻和赤潮異彎藻在各溫度處理?xiàng)l件下的比生長速率Tab. 2 The specific growth rate (μ) of P. tricornutum and H.akashiwo
圖1 光暗周期不同溫度處理的三角褐指藻(A)和赤潮異彎藻(B)的細(xì)胞密度Fig. 1 Cell concentrations of P. tricornutum (A) and H. akashiwo(B) under different temperatures treatments
2.2 晝夜溫差對三角褐指藻和赤潮異彎藻葉綠素a和類胡蘿卜素含量的影響
在分批培養(yǎng)時， 相比于22℃， 18℃和22—18℃均顯著降低了三角褐指藻的葉綠素a(Chl.a; 18℃:P＜0.001; 22—18℃:P＜0.001)和類胡蘿卜素含量(Car.; 18℃:P＜0.001; 22—18℃:P＜0.001; 圖2A)。然而， 對于赤潮異彎藻而言， 22℃和22—18℃處理間的Chl.a和Car.的含量差異不顯著(Chl.a:P=0.503;Car.:P=0.501)， 但相比于22℃， 18℃顯著降低其含量(Chl.a:P=0.002; Car.:P=0.004; 圖2C)。在半連續(xù)培養(yǎng)時， 溫度變化對2種藻Chl.a和Car.的影響均不顯著(圖2B和2D)。
圖2 在不同溫度處理下三角褐指藻(A和B)及赤潮異彎藻(C和D)分別在分批培養(yǎng)指數(shù)期(A和C)和半連續(xù)培養(yǎng)(B和D)時的葉綠素a和類胡蘿卜素含量Fig. 2 Cellular pigments contents of P. tricornutum (A and B)and H. akashiwo (C and D) under different temperature treatments with batch (A and C) and semi-continuous cultures (B and D)，respectively
2.3 晝夜溫差對三角褐指藻和赤潮異彎藻葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響
分批培養(yǎng)和半連續(xù)培養(yǎng)的結(jié)果顯示， 三角褐指藻光系統(tǒng)Ⅱ的最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)和非光化學(xué)淬滅(NPQ)在不同溫度處理間無差異(圖3A和3B)，但在600 μmol/(m2·s)條件下其有效光化學(xué)效率(ФPSⅡ)及光化學(xué)淬滅(Qp)在18℃處理下略高于其他2個溫度處理。溫度對赤潮異彎藻的Fv/Fm、ФPSⅡ和Qp的影響均不顯著(圖3C和3D)， 然而分批實(shí)驗(yàn)的結(jié)果顯示在22℃培養(yǎng)條件下的細(xì)胞的NPQ最大(圖3B)，而半連續(xù)培養(yǎng)時NPQ在22℃條件下最小(圖3D)。
圖3 在不同溫度處理下三角褐指藻(A和B)及赤潮異彎藻(C和D)分別在分批培養(yǎng)指數(shù)期(A和C)和半連續(xù)培養(yǎng)時的葉綠素?zé)晒鈪?shù)Fig. 3 Chlorophyll fluorescence parameters of P. tricornutum (A and B) and H. akashiwo (C and D) under different temperature treatments with batch (A and C) and semi-continuous cultures (B and D)， respectively
整體來說， 三角褐指藻和赤潮異彎藻的相對電子傳遞速率隨著光照強(qiáng)度的增加而增加， 且三角褐指藻的半飽和光強(qiáng)(Ek)和對高光的耐受能力顯著高于赤潮異彎藻(圖4和表3)。培養(yǎng)方式影響2種藻相對電子傳遞速率對溫度的響應(yīng)， 在分批培養(yǎng)時， 三角褐指藻和赤潮異彎藻的最大相對電子傳遞速率(rETRmax)在18℃時最大(圖4A和4C、表3)， 而在半連續(xù)培養(yǎng)時， 三角褐指藻的rETRmax在18℃時最小，溫度對赤潮異彎藻rETRmax的影響不顯著(F(2，9)=0.413，P=0.674)， 22℃增大了赤潮異彎藻的Ek， 增加了該藻對高光的耐受能力(圖4C和4D、表3)。
圖4 不同培養(yǎng)溫度下三角褐指藻(A和B)及赤潮異彎藻(C和D)分別在分批培養(yǎng)指數(shù)期(A和C)和半連續(xù)培養(yǎng)時的光響應(yīng)曲線Fig. 4 Rapid light curves of P. tricornutum (A and B) and H. akashiwo (C and D) under different temperature treatments with batch(A and C) and semi-continuous cultures (B and D)， respectively
表3 在分批及半連續(xù)培養(yǎng)條件下三角褐指藻和赤潮異彎藻在各溫度處理下的表觀光能利用效率(α)、半飽和光強(qiáng)(Ek)和最大相對電子傳遞速率(rETRmax)Tab. 3 The table tourism efficiency (α)， saturated intensity (Ek)， and the maximum relative electron transfer rate (rETRmax) of P.tricornutum and H. akashiwo with batch culture
2.4 晝夜溫差對三角褐指藻和赤潮異彎藻光合固碳速率的影響
三角褐指藻和赤潮異彎藻的光合固碳速率均在22—18℃條件下顯著高于其他2個溫度處理， 但在18℃和22℃處理間幾乎無差異， 即晝夜溫差顯著影響微藻的光合作用(和22℃相比， 三角褐指藻:P＜0.01; 赤潮異彎藻:P=0.02; 圖5)。
圖5 不同溫度處理的三角褐指藻(A)和赤潮異彎藻(B)的光合固碳速率Fig. 5 Carbon fixation rates of P. tricornutum (A) and H.akashiwo (B) at different temperature treatments
3 討論
溫度是影響微藻生長、光合作用、餌料品質(zhì)及分布的主要因素， 不同微藻具有不同的最適溫度[2—7]，溫度升高或降低將會抑制或促進(jìn)微藻的生長及光合作用[2—6，9，10]。本研究發(fā)現(xiàn)， 溫度從18℃升高至22℃， 三角褐指藻的生長速率略有降低， 但差異不顯著， 即三角褐指藻的適溫范圍較廣[2]， 而赤潮異彎藻的生長略有增加， 體現(xiàn)了微藻的不同最適生長溫度， 這與之前的研究一致， 即25℃是赤潮異彎藻的最適生長溫度[6]。
3.1 晝夜溫差對微藻生長的影響
盡管關(guān)于溫度對微藻生長、生化組成影響的研究較多[2—6，9—12，22]， 然而對已有的文獻(xiàn)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)， 現(xiàn)有的研究多是探討恒定的溫度梯度的效應(yīng)，缺少對晝夜溫差效應(yīng)的探究， 僅有的關(guān)于溫度波動、晝夜溫差對藻類生長的研究顯示: 溫度波動10℃不影響蛋白核小球藻的生長， 但抑制銅綠微囊藻和梅尼小環(huán)藻的生長， 且對梅尼小環(huán)藻的抑制作用強(qiáng)于銅綠微囊藻[23]; 晝夜溫差促進(jìn)了大型海藻壇紫菜的生長， 并強(qiáng)化了海水酸化對壇紫菜光合作用、硝酸還原酶活性、氨基酸含量等的促進(jìn)作用[15]，也有研究顯示相比于晝夜溫差10℃， 晝夜溫差5℃有利于梅尼小環(huán)藻的生長[24]， 即相比于恒溫處理來說， 無論是溫度波動還是晝夜溫差， 對大型海藻、微藻的生長均具有一定的效應(yīng)， 且該效應(yīng)具有種間差異。本研究的結(jié)果顯示， 晝夜溫差4℃顯著降低了三角褐指藻和赤潮異彎藻的生長， 但具有種間差異， 具體體現(xiàn)在: 分批培養(yǎng)時晝夜溫差4℃處理顯著降低了三角褐指藻在平臺期的細(xì)胞密度， 而該處理下赤潮異彎藻在平臺期的細(xì)胞密度和其他2個溫度處理間的差異不顯著， 但降低了分批培養(yǎng)初期的細(xì)胞生長速率， 延長了達(dá)到平臺期所需的時間， 從生態(tài)學(xué)的角度來看， 晝夜溫差延長了赤潮異彎藻指數(shù)生長的延遲期， 在一定程度上也延遲了以赤潮異彎藻為優(yōu)勢種的赤潮的暴發(fā)。但從不同溫度處理間平臺期細(xì)胞密度的變化這個角度來說， 赤潮異彎藻對晝夜溫差的耐受性高于三角褐指藻。然而半連續(xù)培養(yǎng)的結(jié)果顯示， 晝夜溫差4℃對赤潮異彎藻生長的抑制作用(和最適溫度相比， 抑制率為36.4%)遠(yuǎn)高于三角褐指藻(11.4%)， 從這個角度來看， 三角褐指藻對晝夜溫差的適應(yīng)能力較強(qiáng)。這在一定程度上說明微藻培養(yǎng)方式的重要性， 因此， 晝夜溫差處理雖然降低了三角褐指藻的生長速率， 但其光合固碳速率顯著增加， 可通過優(yōu)化培養(yǎng)條件、培養(yǎng)方式促進(jìn)其生長并提高其餌料品質(zhì)。同時本研究分批培養(yǎng)的結(jié)果也說明了溫度對三角褐指藻生長的影響很可能受到其他環(huán)境因素， 比如光照強(qiáng)度、營養(yǎng)鹽等的影響。柳清楊等[25]的研究顯示， 氮限制能夠降低三角褐指藻對光能的吸收利用效率， 在分批培養(yǎng)后期， 三角褐指藻細(xì)胞濃度較高， 其單細(xì)胞接受的光照強(qiáng)度和營養(yǎng)鹽均低于培養(yǎng)初期， 進(jìn)一步導(dǎo)致晝夜溫差4℃處理的藻細(xì)胞密度顯著降低。
3.2 晝夜溫差對微藻光合作用能力的影響
適度的晝夜溫度變化可提高大型海藻的光合作用和氮同化， 有利于有機(jī)物的合成[15]， 也有研究顯示， 夜間低溫可以促進(jìn)滸苔在光周期時的生長[16]，且滸苔在暗周期時也可以維持較高的生長[14]。本研究的結(jié)果顯示， 三角褐指藻和赤潮異彎藻的光合固碳速率均在晝夜溫差處理下較高， 即夜間溫度適度降低可以促進(jìn)藻細(xì)胞在光周期時的光合作用， 結(jié)合以往的研究結(jié)果即溫度史影響藻細(xì)胞對溫度變化的響應(yīng)[26]， 推測適度的晝夜溫差可以促進(jìn)微藻的生長， 但需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。同時， 目前海水升溫是一個不爭的事實(shí)， 而升溫也具有季節(jié)和區(qū)域差異[27]， 晝夜溫差的變化幅度也會有差異， 微藻對晝夜溫差的不同響應(yīng)， 會在一定程度上影響浮游植物的群落結(jié)構(gòu)。此外， 溫度影響微藻的脂肪酸含量及組分且具有種間差異[11，12，28]， 晝夜溫差對不同種類的餌料微藻品質(zhì)的影響需進(jìn)一步研究。
一般來說， 藻類光系統(tǒng)Ⅱ的最大光化學(xué)效率Fv/Fm反映了藻類進(jìn)行光合作用的最大潛力[29]， 當(dāng)藻細(xì)胞受到溫度、光照等環(huán)境因素的脅迫時， 藻細(xì)胞的Fv/Fm會顯著降低[25]。本研究的結(jié)果顯示3個溫度處理下2種藻的Fv/Fm均在0.8左右， 不同溫度處理間的差異不顯著， 表明實(shí)驗(yàn)所用的3個溫度均不是脅迫溫度。Qp是光系統(tǒng)Ⅱ吸收的能量用于進(jìn)行光化學(xué)反應(yīng)的比例， 開放態(tài)的光系統(tǒng)Ⅱ反應(yīng)中心所占的比例， 反映了光合活性的高低[30]。在高光條件下， 低溫培養(yǎng)的三角褐指藻具有較高的光化學(xué)淬滅(Qp)和有效光化學(xué)效率(ФPSⅡ)， 而溫度不影響赤潮異彎藻的Qp和ФPSⅡ， 進(jìn)一步反映了微藻響應(yīng)環(huán)境因素變化的種間差異。對于三角褐指藻來說， 溫度升高降低了藻細(xì)胞的Qp和ФPSⅡ， 表明溫度升高使得藻細(xì)胞對高光更加敏感。此外， 半飽和光強(qiáng)Ek的高低反映了藻細(xì)胞對高光的耐受能力[31]， 三角褐指藻的Ek顯著高于赤潮異彎藻， 其對高光的耐受性也較高， 同時在分批培養(yǎng)后期對單個細(xì)胞接受的光照強(qiáng)度變化的敏感性也更高， 這或許是分批培養(yǎng)2種藻對晝夜溫差處理不同響應(yīng)的可能原因。
在理論上， 藻類相對電子傳遞速率(rETR)和光合固碳/放氧速率均可以用來衡量藻細(xì)胞的光合作用， 尤其是基于熒光檢測的便捷性， 葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)在藻類光合性能的研究中應(yīng)用廣泛[32]， 但實(shí)際上rETR和光合放氧/固碳速率并不是總是同步的， 尤其是在高光條件下， 也會出現(xiàn)藻細(xì)胞的rETR較高但光合放氧速率接近0的情況[33]， 其主要原因是部分電子參與具有光保護(hù)作用的水-水循環(huán)， 從而降低高光的抑制作用[34]。在本研究中， 分批培養(yǎng)時， 和18℃、22℃處理相比， 22—18℃條件下藻細(xì)胞的rETR較低， 但光合固碳速率較高， 這在以往的研究中也有所發(fā)現(xiàn)[5，11]?？赡艿脑蚴巧郎卮龠M(jìn)光合作用關(guān)鍵酶核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶/加氧酶的羧化活性， 但也降低了該酶對CO2的親和力[35]， 即光合作用對溫度的依賴性較高， 其響應(yīng)策略也較復(fù)雜，22—18℃培養(yǎng)的藻細(xì)胞在光暗周期的交替中經(jīng)歷著高溫-低溫的變換， 光周期時培養(yǎng)溫度較高， 此時較高的光合固碳速率是對升溫的一種應(yīng)激現(xiàn)象。2個恒溫處理間的藻細(xì)胞的光合固碳速率無差異也說明實(shí)驗(yàn)所選取的溫度均在2種藻的最適溫度范圍內(nèi)。
三角褐指藻生長繁殖快， 富含多不飽和脂肪酸[12]，是魚蝦貝的理想餌料藻， 在水產(chǎn)育苗中應(yīng)用廣泛，同時也富含巖藻黃素[36]， 經(jīng)濟(jì)價值高， 如何提高三角褐指藻的生長速率獲得較高的細(xì)胞數(shù)量是關(guān)鍵。赤潮異彎藻是有害赤潮的優(yōu)勢種， 實(shí)驗(yàn)室內(nèi)開展環(huán)境變化對赤潮藻優(yōu)勢種生長等特性的影響對赤潮預(yù)測、治理有重要的意義?；诖?， 本研究選取了餌料藻三角褐指藻和赤潮藻赤潮異彎藻為材料， 研究晝夜溫差這個自然現(xiàn)象對其生長、光合作用等的影響， 并分析其種間差異。其結(jié)果顯示晝夜溫差抑制二者的生長、相對電子傳遞速率， 但受其培養(yǎng)方式、光照強(qiáng)度和營養(yǎng)鹽等因素的調(diào)控。但本研究僅僅是對晝夜溫差效應(yīng)的初步探討， 其作用機(jī)理、多環(huán)境因素的復(fù)合效應(yīng)及微藻的種間、品系間的不同響應(yīng)均需深入探究。
猜你喜歡
碳酸酐酶胞外酶影響下的巖溶湖泊微藻碳匯研究中國巖溶(2022年3期)2022-11-30 代食品運(yùn)動中微藻的科研與生產(chǎn)古今農(nóng)業(yè)(2022年1期)2022-05-05 北方冬季養(yǎng)豬當(dāng)心“四差”河南畜牧獸醫(yī)(2020年23期)2020-01-10 溫差“催甜”等兒童故事畫報(bào)·發(fā)現(xiàn)號趣味百科(2019年4期)2019-05-10 低級熱溫差發(fā)電器的開發(fā)應(yīng)用研究電子制作(2018年23期)2018-12-26 馬鋼11號高爐爐缸二層水溫差升高的處理安徽冶金科技職業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)(2015年3期)2015-12-02 微藻對低溫響應(yīng)的Ca2+信號傳導(dǎo)途徑研究進(jìn)展食品工業(yè)科技(2014年23期)2014-03-11 微藻能源技術(shù)研發(fā)展望中國工程咨詢(2013年3期)2013-02-13 揭秘韓國流棋藝(2001年9期)2001-07-17 征子與引征棋藝(2001年11期)2001-05-21
李建安 王佳妤 梅熠輝 陳梅玲 周成旭 李亞鶴
(1. 寧波大學(xué)海洋學(xué)院， 寧波 315211; 2. 寧波大學(xué)食品與藥學(xué)學(xué)院， 寧波 315211)
作為一種微型的光合生物， 海洋微藻是海洋主要的初級生產(chǎn)者[1]， 在海洋生態(tài)系統(tǒng)中起重要的作用， 可用作浮游動物、養(yǎng)殖生物的餌料， 也可產(chǎn)生較高含量的初生及次生代謝產(chǎn)物， 但也有一些種類如中肋骨條藻(Skeletonema costatum)和赤潮異彎藻(Heterosigma akashiwo)等暴發(fā)性生長形成赤潮， 給海水養(yǎng)殖和旅游業(yè)帶來一定的經(jīng)濟(jì)損失。眾所周知， 微藻的生長受溫度、光照強(qiáng)度和鹽度等環(huán)境因素的影響， 并具有種間差異。有研究表明， 三角褐指藻(Phaeodactylum tricornutum)的最適生長溫度在15—20℃， 溫度升高至25℃ 顯著降低其平臺期的生物量[2]， 海鏈藻(Thalassiosirasp.)在18—24℃內(nèi)具有較高的生長速率， 溫度升高至27℃顯著抑制其生長[3]， 而相比于22℃， 假微型海鏈藻(Thalassiosira pseudonana)在26℃時的生長速率顯著增加[4]， 相比于15℃， 25℃顯著促進(jìn)中肋骨條藻的生長[5]， 也有研究顯示溫度從20℃升高至28℃， 威氏海鏈藻(Thalassiosira weissflogii)的生長不受影響， 但瑪氏骨條藻(Skeletonema marinoi)的生長速率逐漸降低[6]，即微藻生長對溫度變化的響應(yīng)不同。近岸海域的調(diào)查研究顯示， 溫度是影響近岸海域浮游植物群落結(jié)構(gòu)的主要環(huán)境因子之一[7]， 赤潮的暴發(fā)于海水溫度密切相關(guān)[8]， 有害赤潮藻赤潮異彎藻生長的最適溫度為25℃[9]。
一般認(rèn)為， 溫度是通過影響微藻中與光合作用相關(guān)的酶的活性及耐受性， 影響微藻的葉綠素含量和光合速率， 繼而影響微藻的生長、總脂和毒素含量等， 及影響浮游植物的群落結(jié)構(gòu)。研究表明， 赤潮異彎藻的細(xì)胞體積隨著溫度的升高而逐漸減小，同時單位體積細(xì)胞的色素含量逐漸增加[9]， 錐狀斯氏藻(Scrippsiella trochoidea)和塔瑪亞歷山大藻(Alexandrium tamarense)的光合放氧速率在20—22℃時達(dá)到最高值[10]， 溫度由15℃升高至25℃， 三角褐指藻的光合固碳速率也顯著增加[11]， 而當(dāng)溫度由10℃逐漸升高至30℃， 三角褐指藻達(dá)到指數(shù)生長末期所需的時間降低， 其總脂肪酸含量先增加后降低， 且組成成分也受影響， 其中不飽和脂肪酸含量在15℃時含量最高[12]。三角褐指藻作為一種餌料微藻， 在研究溫度對其生長的影響的同時， 也需考慮其品質(zhì)的變化。
然而， 盡管關(guān)于溫度對微藻生長、光合作用及生化組分等方面的研究較多， 但已有的研究多集中在探究不同溫度梯度的影響[2—6，9—12]， 也有少量研究關(guān)注了低溫或高溫的前處理即溫度的誘導(dǎo)作用[13]，但這些研究均忽略了晝夜溫差的效應(yīng)， 而自然界中晝夜溫差是真實(shí)存在的， 雖然海水溫度的晝夜變化低于陸地溫度， 但海水溫度晝夜變化的影響也是不可忽視的。目前已有的關(guān)于晝夜溫差的研究多集中在對大型海藻的探究上[14，15]， 本實(shí)驗(yàn)室的研究也表明大型海藻滸苔(Ulva prolifera)在夜間黑暗狀態(tài)下能夠快速生長[16]， 且一定程度的晝夜溫差可促進(jìn)大型海藻滸苔的生長(未發(fā)表數(shù)據(jù))。因此， 考慮到大部分微藻的細(xì)胞增殖主要是在暗周期進(jìn)行， 我們推測微藻的生長在一定程度上會受到晝夜溫差的影響， 且具有種間差異。本實(shí)驗(yàn)選擇常見的優(yōu)良餌料藻三角褐指藻(Phaeodactylum tricornutum)和赤潮藻赤潮異彎藻(Heterosigma akashiwo)為材料， 探究晝夜溫度變化對其生長和光合作用的影響。
1 材料與方法
1.1 藻種
三角褐指藻由中國科學(xué)院水生生物研究所胡晗華教授提供， 赤潮異彎藻由寧波大學(xué)食品與藥學(xué)學(xué)院藻種庫提供。
1.2 微藻培養(yǎng)
分批培養(yǎng)P. tricornutum和H. akashiwo分別培養(yǎng)在鹽度為35和25的f/2加富的人工海水中， 培養(yǎng)期間光照強(qiáng)度為100 μmol/(m2·s)(早8:00到晚8:00為光周期時間)。溫度處理設(shè)置3個水平， 分別為22℃(光暗周期培養(yǎng)溫度均為22℃)、22—18℃(光、暗周期培養(yǎng)溫度分別為22℃和18℃)、18℃(光暗周期培養(yǎng)溫度均為18℃)。每個溫度處理組設(shè)4個重復(fù)， 分批培養(yǎng)時P. tricornutum和H. akashiwo的起始密度分別為3×105和5×104cell/mL。每天測定細(xì)胞密度， 繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線， 在指數(shù)生長期進(jìn)行葉綠素?zé)晒鈪?shù)、葉綠素a和類胡蘿卜素含量及光合固碳速率的測定。
半連續(xù)培養(yǎng)在分批培養(yǎng)的基礎(chǔ)上(明確指數(shù)生長期細(xì)胞濃度范圍)， 取指數(shù)生長中期的藻細(xì)胞進(jìn)行半連續(xù)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)， 溫度處理和其他培養(yǎng)條件同分批培養(yǎng)。P. tricornutum和H. akashiwo的起始細(xì)胞密度分別設(shè)置為9×105和5×104cell/mL， 每隔1天進(jìn)行細(xì)胞計(jì)數(shù)和按比例稀釋， 稀釋的后的細(xì)胞濃度等同于初始濃度， 并計(jì)算半連續(xù)培養(yǎng)時細(xì)胞的比生長速率。待比生長速率穩(wěn)定后測定其葉綠素?zé)晒鈪?shù)、葉綠素a和類胡蘿卜素含量。
1.3 細(xì)胞密度的測定和比生長速率的計(jì)算
每天定時取樣用血球計(jì)數(shù)板和浮游植物計(jì)數(shù)框分別測定三角褐指藻和赤潮異彎藻的細(xì)胞密度。赤潮異彎藻在計(jì)數(shù)前需用盧戈氏液進(jìn)行固定。而后， 用Logistic方程對分批培養(yǎng)下的生長速率(即生長曲線)進(jìn)行擬合， 擬合公式為:y=a/{1+[(ay0)/y0]e-rx}(y0代表初始細(xì)胞密度，a代表環(huán)境承載量，r為內(nèi)稟增長率)[17]。
半連續(xù)培養(yǎng)下的比生長速率的計(jì)算公式如下:μ=ln(N2/N1)/(t2-t1)， 其中N1和N2分別為半連續(xù)培養(yǎng)時t1和t2對應(yīng)的細(xì)胞密度。
1.4 葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測定
采用AquaPen手持式水體熒光儀進(jìn)行葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測定。中午12點(diǎn)前后取樣， 黑暗條件下適應(yīng)15min后進(jìn)行葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)曲線的測定， 光化光設(shè)置為600 μmol/(m2·s)。獲得圍繞光系統(tǒng)Ⅱ的最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)和相對高光600 μmol/(m2·s)條件下(大于半飽和光強(qiáng))的有效光化學(xué)效率(ФPSⅡ)、光化學(xué)淬滅(Qp)和非光化學(xué)熒光淬滅(NPQ)， 其中，ФPSⅡ=(Fm′-Fs)/Fm′， Qp=(Fm′-Fs)/(Fm′-F0′)， NPQ=Fm/Fm′-1。
直接取培養(yǎng)狀態(tài)下的細(xì)胞進(jìn)行快速光響應(yīng)曲線(RLC)的測定， RLC用公式rETR=PAR/(a×PAR2+b×PAR+c) 進(jìn)行擬合， 進(jìn)而計(jì)算其圍繞光系統(tǒng)Ⅱ的最大相對電子傳遞速率(rETRmax)、表觀光能利用效率(α)和半飽和光強(qiáng)(Ek)[18]。
1.5 葉綠素a和類胡蘿卜素的提取與測定
在指數(shù)生長期和平臺期取一定體積的藻液， 過濾在GF/F膜上 (Φ25 mm， Whatman， 孔徑0.22 μm)，放入15 mL 離心管中， 加入5 mL 甲醇， 4℃提取24 h，之后離心 (5000×g， 10 min)， 取上清液于紫外-分光光度計(jì)(UV6100A， 上海元析儀器有限公司)中進(jìn)行全光譜掃描(250—750 nm)。根據(jù)公式計(jì)算葉綠素a(Chl.a)和類胡蘿卜素 (Carotenoids， Car.) 的含量[19]:
Chl.a(μg/mL)=13.2654×(A665-A750)-2.6839×(A632-A750)
而后再根據(jù)細(xì)胞密度和藻液體積， 將Chl.a和Car.的單位換算為pg/cell。
1.6 光合固碳速率的測定
取指數(shù)生長期的藻液進(jìn)行低壓過濾(壓力低于0.03 pa)， 將過濾后的藻細(xì)胞沖洗入新鮮的預(yù)調(diào)溫的空氣飽和的培養(yǎng)基中， 測定藻液的初始pH和細(xì)胞濃度， 再分裝到4個定制玻璃管中， 放入相應(yīng)的培養(yǎng)條件下密閉培養(yǎng)1h， 而后迅速測定其pH。根據(jù)pH和總堿度(TA， 固定值， 與海水鹽度有關(guān)[20])， 運(yùn)用CO2sys軟件計(jì)算密閉培養(yǎng)前后培養(yǎng)基中溶解無機(jī)碳的濃度， 進(jìn)而計(jì)算藻細(xì)胞的光合固碳速率[21]。計(jì)算公式如下: 固碳速率=ΔC×V/(N×h)， ΔC為培養(yǎng)前后無機(jī)碳濃度的變化值，V為密閉培養(yǎng)的體積，N為細(xì)胞數(shù)，h為培養(yǎng)時間。
1.7 數(shù)據(jù)處理
所有數(shù)據(jù)表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤(n=4)。采用單因子方差分析的方法進(jìn)行溫度效應(yīng)的顯著分析， 事后采用Tukey法進(jìn)行多重比較， 顯著水平設(shè)置為P＜0.05。
2 結(jié)果
2.1 晝夜溫差對三角褐指藻和赤潮異彎藻生長的影響
分批培養(yǎng)的結(jié)果顯示三角褐指藻相比于18℃，22℃延長了藻細(xì)胞生長的延遲期， 平臺期時細(xì)胞濃度低于18℃， 而22—18℃處理組， 在培養(yǎng)的第1至第3天其生長趨勢幾乎與18℃處理組一致， 但顯著降低平臺期的藻細(xì)胞密度(圖1A)， 然而對不同溫度條件下的生長曲線進(jìn)行擬合發(fā)現(xiàn)， 培養(yǎng)溫度為22℃時， 藻細(xì)胞的內(nèi)稟增長率較高， 但該溫度處理下初始藻細(xì)胞濃度較低(表1)。半連續(xù)培養(yǎng)的結(jié)果顯示相比于18℃， 22℃時細(xì)胞的比生長速率略有降低， 降幅為8.9%， 22—18℃顯著抑制了細(xì)胞的生長(P=0.012; 表2)。
和三角褐指藻不同， 盡管18℃和22℃處理下，平臺期的細(xì)胞密度相差不大， 但相比于22℃， 18℃和22—18℃均延長了赤潮異彎藻生長的延遲期(圖1B和表1)。且相比于恒溫處理， 無論是分批培養(yǎng)還是半連續(xù)培養(yǎng)， 晝夜溫差顯著降低了赤潮異彎藻的比生長速率(表1和表2)， 尤其是半連續(xù)培養(yǎng)時， 相比于22℃， 22—18℃時細(xì)胞比生長速率的降幅高達(dá)36.4%(表2)。
表1 三角褐指藻和赤潮異彎藻分批培養(yǎng)時不同溫度處理下生長曲線的擬合參數(shù)Tab. 1 Fitting parameters of growth curve of P. tricornutum and H. akashiwo
表2 半連續(xù)培養(yǎng)條件下三角褐指藻和赤潮異彎藻在各溫度處理?xiàng)l件下的比生長速率Tab. 2 The specific growth rate (μ) of P. tricornutum and H.akashiwo
圖1 光暗周期不同溫度處理的三角褐指藻(A)和赤潮異彎藻(B)的細(xì)胞密度Fig. 1 Cell concentrations of P. tricornutum (A) and H. akashiwo(B) under different temperatures treatments
2.2 晝夜溫差對三角褐指藻和赤潮異彎藻葉綠素a和類胡蘿卜素含量的影響
在分批培養(yǎng)時， 相比于22℃， 18℃和22—18℃均顯著降低了三角褐指藻的葉綠素a(Chl.a; 18℃:P＜0.001; 22—18℃:P＜0.001)和類胡蘿卜素含量(Car.; 18℃:P＜0.001; 22—18℃:P＜0.001; 圖2A)。然而， 對于赤潮異彎藻而言， 22℃和22—18℃處理間的Chl.a和Car.的含量差異不顯著(Chl.a:P=0.503;Car.:P=0.501)， 但相比于22℃， 18℃顯著降低其含量(Chl.a:P=0.002; Car.:P=0.004; 圖2C)。在半連續(xù)培養(yǎng)時， 溫度變化對2種藻Chl.a和Car.的影響均不顯著(圖2B和2D)。
圖2 在不同溫度處理下三角褐指藻(A和B)及赤潮異彎藻(C和D)分別在分批培養(yǎng)指數(shù)期(A和C)和半連續(xù)培養(yǎng)(B和D)時的葉綠素a和類胡蘿卜素含量Fig. 2 Cellular pigments contents of P. tricornutum (A and B)and H. akashiwo (C and D) under different temperature treatments with batch (A and C) and semi-continuous cultures (B and D)，respectively
2.3 晝夜溫差對三角褐指藻和赤潮異彎藻葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響
分批培養(yǎng)和半連續(xù)培養(yǎng)的結(jié)果顯示， 三角褐指藻光系統(tǒng)Ⅱ的最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)和非光化學(xué)淬滅(NPQ)在不同溫度處理間無差異(圖3A和3B)，但在600 μmol/(m2·s)條件下其有效光化學(xué)效率(ФPSⅡ)及光化學(xué)淬滅(Qp)在18℃處理下略高于其他2個溫度處理。溫度對赤潮異彎藻的Fv/Fm、ФPSⅡ和Qp的影響均不顯著(圖3C和3D)， 然而分批實(shí)驗(yàn)的結(jié)果顯示在22℃培養(yǎng)條件下的細(xì)胞的NPQ最大(圖3B)，而半連續(xù)培養(yǎng)時NPQ在22℃條件下最小(圖3D)。
圖3 在不同溫度處理下三角褐指藻(A和B)及赤潮異彎藻(C和D)分別在分批培養(yǎng)指數(shù)期(A和C)和半連續(xù)培養(yǎng)時的葉綠素?zé)晒鈪?shù)Fig. 3 Chlorophyll fluorescence parameters of P. tricornutum (A and B) and H. akashiwo (C and D) under different temperature treatments with batch (A and C) and semi-continuous cultures (B and D)， respectively
整體來說， 三角褐指藻和赤潮異彎藻的相對電子傳遞速率隨著光照強(qiáng)度的增加而增加， 且三角褐指藻的半飽和光強(qiáng)(Ek)和對高光的耐受能力顯著高于赤潮異彎藻(圖4和表3)。培養(yǎng)方式影響2種藻相對電子傳遞速率對溫度的響應(yīng)， 在分批培養(yǎng)時， 三角褐指藻和赤潮異彎藻的最大相對電子傳遞速率(rETRmax)在18℃時最大(圖4A和4C、表3)， 而在半連續(xù)培養(yǎng)時， 三角褐指藻的rETRmax在18℃時最小，溫度對赤潮異彎藻rETRmax的影響不顯著(F(2，9)=0.413，P=0.674)， 22℃增大了赤潮異彎藻的Ek， 增加了該藻對高光的耐受能力(圖4C和4D、表3)。
圖4 不同培養(yǎng)溫度下三角褐指藻(A和B)及赤潮異彎藻(C和D)分別在分批培養(yǎng)指數(shù)期(A和C)和半連續(xù)培養(yǎng)時的光響應(yīng)曲線Fig. 4 Rapid light curves of P. tricornutum (A and B) and H. akashiwo (C and D) under different temperature treatments with batch(A and C) and semi-continuous cultures (B and D)， respectively
表3 在分批及半連續(xù)培養(yǎng)條件下三角褐指藻和赤潮異彎藻在各溫度處理下的表觀光能利用效率(α)、半飽和光強(qiáng)(Ek)和最大相對電子傳遞速率(rETRmax)Tab. 3 The table tourism efficiency (α)， saturated intensity (Ek)， and the maximum relative electron transfer rate (rETRmax) of P.tricornutum and H. akashiwo with batch culture
2.4 晝夜溫差對三角褐指藻和赤潮異彎藻光合固碳速率的影響
三角褐指藻和赤潮異彎藻的光合固碳速率均在22—18℃條件下顯著高于其他2個溫度處理， 但在18℃和22℃處理間幾乎無差異， 即晝夜溫差顯著影響微藻的光合作用(和22℃相比， 三角褐指藻:P＜0.01; 赤潮異彎藻:P=0.02; 圖5)。
圖5 不同溫度處理的三角褐指藻(A)和赤潮異彎藻(B)的光合固碳速率Fig. 5 Carbon fixation rates of P. tricornutum (A) and H.akashiwo (B) at different temperature treatments
3 討論
溫度是影響微藻生長、光合作用、餌料品質(zhì)及分布的主要因素， 不同微藻具有不同的最適溫度[2—7]，溫度升高或降低將會抑制或促進(jìn)微藻的生長及光合作用[2—6，9，10]。本研究發(fā)現(xiàn)， 溫度從18℃升高至22℃， 三角褐指藻的生長速率略有降低， 但差異不顯著， 即三角褐指藻的適溫范圍較廣[2]， 而赤潮異彎藻的生長略有增加， 體現(xiàn)了微藻的不同最適生長溫度， 這與之前的研究一致， 即25℃是赤潮異彎藻的最適生長溫度[6]。
3.1 晝夜溫差對微藻生長的影響
盡管關(guān)于溫度對微藻生長、生化組成影響的研究較多[2—6，9—12，22]， 然而對已有的文獻(xiàn)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)， 現(xiàn)有的研究多是探討恒定的溫度梯度的效應(yīng)，缺少對晝夜溫差效應(yīng)的探究， 僅有的關(guān)于溫度波動、晝夜溫差對藻類生長的研究顯示: 溫度波動10℃不影響蛋白核小球藻的生長， 但抑制銅綠微囊藻和梅尼小環(huán)藻的生長， 且對梅尼小環(huán)藻的抑制作用強(qiáng)于銅綠微囊藻[23]; 晝夜溫差促進(jìn)了大型海藻壇紫菜的生長， 并強(qiáng)化了海水酸化對壇紫菜光合作用、硝酸還原酶活性、氨基酸含量等的促進(jìn)作用[15]，也有研究顯示相比于晝夜溫差10℃， 晝夜溫差5℃有利于梅尼小環(huán)藻的生長[24]， 即相比于恒溫處理來說， 無論是溫度波動還是晝夜溫差， 對大型海藻、微藻的生長均具有一定的效應(yīng)， 且該效應(yīng)具有種間差異。本研究的結(jié)果顯示， 晝夜溫差4℃顯著降低了三角褐指藻和赤潮異彎藻的生長， 但具有種間差異， 具體體現(xiàn)在: 分批培養(yǎng)時晝夜溫差4℃處理顯著降低了三角褐指藻在平臺期的細(xì)胞密度， 而該處理下赤潮異彎藻在平臺期的細(xì)胞密度和其他2個溫度處理間的差異不顯著， 但降低了分批培養(yǎng)初期的細(xì)胞生長速率， 延長了達(dá)到平臺期所需的時間， 從生態(tài)學(xué)的角度來看， 晝夜溫差延長了赤潮異彎藻指數(shù)生長的延遲期， 在一定程度上也延遲了以赤潮異彎藻為優(yōu)勢種的赤潮的暴發(fā)。但從不同溫度處理間平臺期細(xì)胞密度的變化這個角度來說， 赤潮異彎藻對晝夜溫差的耐受性高于三角褐指藻。然而半連續(xù)培養(yǎng)的結(jié)果顯示， 晝夜溫差4℃對赤潮異彎藻生長的抑制作用(和最適溫度相比， 抑制率為36.4%)遠(yuǎn)高于三角褐指藻(11.4%)， 從這個角度來看， 三角褐指藻對晝夜溫差的適應(yīng)能力較強(qiáng)。這在一定程度上說明微藻培養(yǎng)方式的重要性， 因此， 晝夜溫差處理雖然降低了三角褐指藻的生長速率， 但其光合固碳速率顯著增加， 可通過優(yōu)化培養(yǎng)條件、培養(yǎng)方式促進(jìn)其生長并提高其餌料品質(zhì)。同時本研究分批培養(yǎng)的結(jié)果也說明了溫度對三角褐指藻生長的影響很可能受到其他環(huán)境因素， 比如光照強(qiáng)度、營養(yǎng)鹽等的影響。柳清楊等[25]的研究顯示， 氮限制能夠降低三角褐指藻對光能的吸收利用效率， 在分批培養(yǎng)后期， 三角褐指藻細(xì)胞濃度較高， 其單細(xì)胞接受的光照強(qiáng)度和營養(yǎng)鹽均低于培養(yǎng)初期， 進(jìn)一步導(dǎo)致晝夜溫差4℃處理的藻細(xì)胞密度顯著降低。
3.2 晝夜溫差對微藻光合作用能力的影響
適度的晝夜溫度變化可提高大型海藻的光合作用和氮同化， 有利于有機(jī)物的合成[15]， 也有研究顯示， 夜間低溫可以促進(jìn)滸苔在光周期時的生長[16]，且滸苔在暗周期時也可以維持較高的生長[14]。本研究的結(jié)果顯示， 三角褐指藻和赤潮異彎藻的光合固碳速率均在晝夜溫差處理下較高， 即夜間溫度適度降低可以促進(jìn)藻細(xì)胞在光周期時的光合作用， 結(jié)合以往的研究結(jié)果即溫度史影響藻細(xì)胞對溫度變化的響應(yīng)[26]， 推測適度的晝夜溫差可以促進(jìn)微藻的生長， 但需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。同時， 目前海水升溫是一個不爭的事實(shí)， 而升溫也具有季節(jié)和區(qū)域差異[27]， 晝夜溫差的變化幅度也會有差異， 微藻對晝夜溫差的不同響應(yīng)， 會在一定程度上影響浮游植物的群落結(jié)構(gòu)。此外， 溫度影響微藻的脂肪酸含量及組分且具有種間差異[11，12，28]， 晝夜溫差對不同種類的餌料微藻品質(zhì)的影響需進(jìn)一步研究。
一般來說， 藻類光系統(tǒng)Ⅱ的最大光化學(xué)效率Fv/Fm反映了藻類進(jìn)行光合作用的最大潛力[29]， 當(dāng)藻細(xì)胞受到溫度、光照等環(huán)境因素的脅迫時， 藻細(xì)胞的Fv/Fm會顯著降低[25]。本研究的結(jié)果顯示3個溫度處理下2種藻的Fv/Fm均在0.8左右， 不同溫度處理間的差異不顯著， 表明實(shí)驗(yàn)所用的3個溫度均不是脅迫溫度。Qp是光系統(tǒng)Ⅱ吸收的能量用于進(jìn)行光化學(xué)反應(yīng)的比例， 開放態(tài)的光系統(tǒng)Ⅱ反應(yīng)中心所占的比例， 反映了光合活性的高低[30]。在高光條件下， 低溫培養(yǎng)的三角褐指藻具有較高的光化學(xué)淬滅(Qp)和有效光化學(xué)效率(ФPSⅡ)， 而溫度不影響赤潮異彎藻的Qp和ФPSⅡ， 進(jìn)一步反映了微藻響應(yīng)環(huán)境因素變化的種間差異。對于三角褐指藻來說， 溫度升高降低了藻細(xì)胞的Qp和ФPSⅡ， 表明溫度升高使得藻細(xì)胞對高光更加敏感。此外， 半飽和光強(qiáng)Ek的高低反映了藻細(xì)胞對高光的耐受能力[31]， 三角褐指藻的Ek顯著高于赤潮異彎藻， 其對高光的耐受性也較高， 同時在分批培養(yǎng)后期對單個細(xì)胞接受的光照強(qiáng)度變化的敏感性也更高， 這或許是分批培養(yǎng)2種藻對晝夜溫差處理不同響應(yīng)的可能原因。
在理論上， 藻類相對電子傳遞速率(rETR)和光合固碳/放氧速率均可以用來衡量藻細(xì)胞的光合作用， 尤其是基于熒光檢測的便捷性， 葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)在藻類光合性能的研究中應(yīng)用廣泛[32]， 但實(shí)際上rETR和光合放氧/固碳速率并不是總是同步的， 尤其是在高光條件下， 也會出現(xiàn)藻細(xì)胞的rETR較高但光合放氧速率接近0的情況[33]， 其主要原因是部分電子參與具有光保護(hù)作用的水-水循環(huán)， 從而降低高光的抑制作用[34]。在本研究中， 分批培養(yǎng)時， 和18℃、22℃處理相比， 22—18℃條件下藻細(xì)胞的rETR較低， 但光合固碳速率較高， 這在以往的研究中也有所發(fā)現(xiàn)[5，11]?？赡艿脑蚴巧郎卮龠M(jìn)光合作用關(guān)鍵酶核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶/加氧酶的羧化活性， 但也降低了該酶對CO2的親和力[35]， 即光合作用對溫度的依賴性較高， 其響應(yīng)策略也較復(fù)雜，22—18℃培養(yǎng)的藻細(xì)胞在光暗周期的交替中經(jīng)歷著高溫-低溫的變換， 光周期時培養(yǎng)溫度較高， 此時較高的光合固碳速率是對升溫的一種應(yīng)激現(xiàn)象。2個恒溫處理間的藻細(xì)胞的光合固碳速率無差異也說明實(shí)驗(yàn)所選取的溫度均在2種藻的最適溫度范圍內(nèi)。
三角褐指藻生長繁殖快， 富含多不飽和脂肪酸[12]，是魚蝦貝的理想餌料藻， 在水產(chǎn)育苗中應(yīng)用廣泛，同時也富含巖藻黃素[36]， 經(jīng)濟(jì)價值高， 如何提高三角褐指藻的生長速率獲得較高的細(xì)胞數(shù)量是關(guān)鍵。赤潮異彎藻是有害赤潮的優(yōu)勢種， 實(shí)驗(yàn)室內(nèi)開展環(huán)境變化對赤潮藻優(yōu)勢種生長等特性的影響對赤潮預(yù)測、治理有重要的意義?；诖?， 本研究選取了餌料藻三角褐指藻和赤潮藻赤潮異彎藻為材料， 研究晝夜溫差這個自然現(xiàn)象對其生長、光合作用等的影響， 并分析其種間差異。其結(jié)果顯示晝夜溫差抑制二者的生長、相對電子傳遞速率， 但受其培養(yǎng)方式、光照強(qiáng)度和營養(yǎng)鹽等因素的調(diào)控。但本研究僅僅是對晝夜溫差效應(yīng)的初步探討， 其作用機(jī)理、多環(huán)境因素的復(fù)合效應(yīng)及微藻的種間、品系間的不同響應(yīng)均需深入探究。
猜你喜歡
中國巖溶(2022年3期)2022-11-30
古今農(nóng)業(yè)(2022年1期)2022-05-05
河南畜牧獸醫(yī)(2020年23期)2020-01-10
兒童故事畫報(bào)·發(fā)現(xiàn)號趣味百科(2019年4期)2019-05-10
電子制作(2018年23期)2018-12-26
安徽冶金科技職業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)(2015年3期)2015-12-02
食品工業(yè)科技(2014年23期)2014-03-11
中國工程咨詢(2013年3期)2013-02-13
棋藝(2001年9期)2001-07-17
棋藝(2001年11期)2001-05-21
