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热带海洋学报 >

2022 , Vol. 41 >Issue 5: 150 - 160

DOI: https://doi.org/10.11978/2021132

海洋生物学

不同光强下长茎葡萄蕨藻(Caulerpa lentillifera)直立枝和匍匐枝的光生理特征及其对升温的响应

  • 史晓寒 , 1 ,
  • 邹定辉 , 1 ,
  • 何泉 1 ,
  • 李刚 , 2, 3
展开
  • 1.华南理工大学, 环境与能源学院, 广东 广州 510006
  • 2.中国科学院南海海洋研究所, 热带海洋生物资源与生态重点实验室, 广东 广州 510301
  • 3.中国科学院南海海洋研究所, 应用海洋学重点实验室, 广东 广州 510301
邹定辉。email: ;
李刚。email:

史晓寒(1997—), 女, 河南省周口市, 硕士研究生, 从事海洋藻类生理生态及应用研究。email:

Copy editor: 殷波

收稿日期: 2021-09-27

  修回日期: 2021-12-22

  网络出版日期: 2021-12-28

基金资助

广州市科技计划(202206010159)

南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海)资助项目(SML2021SP203)

国家自然科学基金(41890853)

收起

Photophysiological characteristics of the branch and stolon of macroalga Caulerpa lentillifera (Caulerpaceae, Caulerpa) under different growth light conditions, and their responses to temperature rise

  • SHI Xiaohan , 1 ,
  • ZOU Dinghui , 1 ,
  • HE Quan 1 ,
  • LI Gang , 2, 3
Expand
  • 1. School of Environment and Energy, South China University of Technology, Guangzhou 510006, China
  • 2. Key Laboratory of Tropical Marine Bio-resources and Ecology, South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510301, China
  • 3. Key Laboratory of Science and Technology on Operational Oceanography, South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510301, China
ZOU Dinghui. email: ;
LI Gang. email:

Copy editor: YIN Bo

Received date: 2021-09-27

  Revised date: 2021-12-22

  Online published: 2021-12-28

Supported by

Science and Technology Planning Project of Guangzhou(202206010159)

Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory (Zhuhai)(SML2021SP203)

National Natural Science Foundation(41890853)

Fold

摘要

海洋绿藻长茎葡萄蕨藻(Caulerpa lentillifera, 又名海葡萄)因具有较高经济和生态价值而备受关注, 光照和温度变化均会改变长茎葡萄蕨藻生理代谢, 最终影响其经济价值和生态功能。文章比较研究不同生长光强下(40、80、120和160 µmol·photons·m-2·s-1)长茎葡萄蕨藻不同部位, 即直立枝和匍匐枝的生理和生化特征, 以及其对升温(+3℃、+6℃和+9℃)的响应。结果显示, 光强由40升至120µmol·photons·m-2·s-1时对长茎葡萄蕨藻相对生长率(RGR)的影响不显著, 但是光强升至160µmol·photons·m-2·s-1时可使RGR降低49%。弱光下(40µmol·photons·m-2·s-1)直立枝的叶绿素(Chl a)和类胡萝卜素(Car)含量为匍匐枝的1.52和1.49倍; 直立枝的Chl a和Car含量随生长光强升高而降低, 匍匐枝随光强升高而升高, 二者蛋白含量则均随光强升高而先升高后降低。弱光下直立枝的净光合放氧速率(Pn)和呼吸速率(Rd)分别为匍匐枝的2倍和70%, 但是二者的最大光化学效率(FV/FM)差异不显著。光强升高提高直立枝和匍匐枝的Pn和Rd, 但对二者FV/FM的影响不显著。同时, 弱光下直立枝的超氧化物歧化酶(SOD)活性比匍匐枝低20%, 二者过氧化氢酶(CAT)活性差异不显著; 光强升高提高直立枝和匍匐枝的SOD活性, 降低CAT活性。研究还发现, 直立枝和匍匐枝的Pn随温度升高而降低, 但前者的降低程度即光合速率随升温的变化率随光强升高而降低, 后者的则随光强升高而升高, 可见温度升高在弱光下对长茎葡萄蕨藻直立枝的负面影响更大, 在强光下则对匍匐枝的负面影响更大。

关键词： 光合特征; 升温; 直立枝; 匍匐枝; 长茎葡萄蕨藻

本文引用格式

史晓寒 , 邹定辉 , 何泉 , 李刚 . 不同光强下长茎葡萄蕨藻(Caulerpa lentillifera)直立枝和匍匐枝的光生理特征及其对升温的响应[J]. 热带海洋学报, 2022 , 41(5) : 150 -160 . DOI: 10.11978/2021132

Abstract

Marine green macroalga Caulerpa lentillifera (Caulerpaceae, Caulerpa) has attracted significant attention because of its high economic and ecological values. Changes in light and temperature influence the algal physiological metabolism and consequently affect its economic value and ecological function. In this study, biochemical compositions and physiological characteristics of the branch and stolon of C. lentillifera were comparably explored under light intensities of 40, 80, 120 and 160 µmol·photons·m-2·s-1, as well as their photosynthetic responses to temperature rise (+3, +6 and +9 ℃) under each light level. The results showed that varying light intensities from 40 to 120 µmol·photons·m-2·s-1 had no significant effect on the relative growth rate [i.e., RGR, (7.85 ± 0.26) %·d-1], but the growth light of 160 µmol·photons·m-2·s-1 reduced the RGR by 49 %. Under 40 µmol·photons·m-2·s-1 light intensity, chlorophyll a (Chl a) and carotenoids (Car) concentrations of branch were (0.15 ± 0.04) and (0.093 ± 0.020) mg·g-1, being about 1.52- and 1.49-fold of stolon; both Chl a and Car of branch increased with increasing light intensities, but that of stolon decreased. Protein contents of both branch and stolon increased from low to medium growth lights, then decreased to high light, with the maximum values of (1.03 ± 0.00) and (0.95 ± 0.06) mg·g-1 under 120 µmol·photons·m-2·s-1, respectively. Under 40 µmol·photons·m-2·s-1 light intensity, the photosynthetic oxygen evolution rate (Pn), dark respiration rate (Rd) and photosynthetic efficiency (FV/FM) of branch were (3.10 ± 0.71), (2.14 ± 0.09) µmol·g-1·h-1 and (0.74 ± 0.04), wherein the Pn and Rd were 2-fold and 70 % of stolon, but no significant difference in the FV/FM between them. Both Pn and Rd increased with rising growth lights, but the FV/FM did not change. Superoxide dismutase (SOD) activity in branch [(11.0 ± 1.32) U·g-1] was about 20 % lower than that in stolon under 40 µmol·photons·m-2·s-1 growth light, while the catalase (CAT) activity [(3.80 ± 0.21) U·g-1] was similar. The SOD activity increased with increasing growth lights in both branch and stolon, but the CAT activity decreased. Particularly, our results demonstrated that the temperature rise reduced the Pn of both branch and stolon, with the reduction degree (i.e., the slope of Pn versus temperature) decreased with growth lights in branch, but increased in stolon, indicating the temperature rise maybe more harmful to branch in low light and to stolon in high light conditions.

Key words： photosynthetic characteristics; temperature rise; branch; stolon; Caulerpa lentillifera

大型海藻(包括绿藻、红藻和褐藻等)生长过程中可以吸收水体中的碳(C)、氮(N)、磷(P)等用于合成自身营养物质, 在海洋碳汇和环境修复中扮演着重要角色(杨宇峰, 2016; 张永雨 等, 2017); 它们还可以为海洋鱼类等提供食物和栖息地, 在维持海洋生物多样性中扮演着重要角色(沈国英 等, 2010)。与此同时, 大型海藻还被人们广泛用作食物、医药、饲料和肥料, 以及藻胶和生物燃料的原料(柳波 等, 2003)。长茎葡萄蕨藻(Caulerpa lentillifera)是一种大型海洋绿藻, 广泛分布于中国南海(Gao et al, 2020)和日本、东南亚、大洋洲等太平洋或印度洋沿岸的热带和亚热带海域(郭辉, 2014), 藻体由直立枝、匍匐枝和假根3部分构成(施建宏, 2008)。其藻体直立枝顶端膨大成晶莹剔透的小球枝, 整体外观酷似一串葡萄, 故又名“海葡萄”(Gao et al, 2020)。长茎葡萄蕨藻富含多糖、纤维、氨基酸、蛋白质等营养物质, 以及锌、铁、钴、硒等人体所必需微量元素, 同时其脂肪酸含量低, 而且其含有的脂肪酸多为不饱和脂肪酸, 因此营养价值较高(Sugawara et al, 2014; De Gaillande et al, 2017)。长茎葡萄蕨藻还富含蕨藻多糖、蕨藻红素和虹吸黄质等多种活性物质, 有抗氧化、抗肿瘤和增强免疫力等医用功效(Sugawara et al, 2014)。另外, 长茎葡萄蕨藻干粉可以有效吸附Cu2+、Cd2+、Pb2+和Zn2+等重金属离子(Pavasant et al, 2006); 与鱼虾等混养时还可以有效吸收养殖废水中的无机氮磷(Bambaranda et al, 2019)。因此, 长茎葡萄蕨藻不仅具有极高的经济价值, 在环境修复方面还具有广阔的应用前景。
自然环境中, 长茎葡萄蕨藻生长于近岸潮间带和潮下带(郭辉, 2014); 受潮汐、季节和水体透明度等影响, 它们在原位所接收的光照、温度等环境因子变化较大(高秀秀 等, 2015)。光照驱动光合生物的光反应, 温度调控胞内酶如核酮糖1-5二磷酸羧化/加氧酶(RubisCO, Rubulose-1,5-disphosphere carboxylase/oxygenase)活性, 二者变化均影响藻类的光合作用(Iñiguez et al, 2019)。尽管长茎葡萄蕨藻可以适应一定范围的光照与温度变化, 但超出该范围便会引起胁迫, 导致其形态、生长及品质等改变。前期的研究显示, 长茎葡萄蕨藻最适生长光强为40µmol·photons·m-2·s-1 (Guo et al, 2015a), 光强过高会破坏胞内光系统、细胞器等结构, 降低光合能力, 最终抑制生长(苏醒 等, 2017)。尽管其可以通过改变自身形态如缩短直立枝、改变葡萄球的排列方式等自适应行为, 使球形小枝排列更加紧密以减少在强光条件下的光能获取, 但光强过高仍会使其白化变软、生长停滞(郭辉, 2014; 姜芳燕 等, 2014)。另外, 光照和温度变化也会协同影响藻类的光合作用, 如光限制加重高温对马尾藻(Sargassum macrocarpum)光反应中心的胁迫(Terada et al, 2020), 低温在降低冈村枝管藻(Cladosiphon okamuranus)光合能力的同时提高其对高光胁迫的敏感性(Fukumoto et al, 2018)。
前期, 有关光照和温度变化对长茎葡萄蕨藻生长及生理影响的研究已较为广泛和深入(郭辉, 2014; Guo et al, 2015a; 苏醒 等, 2017; 黄丹 等, 2019), 但有关二者变化对长茎葡萄蕨藻这一单细胞多核大型海藻(Coneva et al, 2015)不同部位(匍匐枝和直立枝)的生化组分及光合特征影响的研究较少, 并且有关升温对直立枝和匍匐枝光合生理影响的研究还未见开展。特别是近年来全球气候变暖以及极端海洋事件如海洋热浪等时有发生, 严重影响藻类生理生态健康(Weitzman et al, 2021); 短期人为活动如核电温排水等引起的局部海水升温(兰志刚 等, 2016), 也影响海藻生理、生长, 最终影响海藻栽培业。因此, 本文比较研究了不同生长光强下长茎葡萄蕨藻匍匐枝和直立枝的生化组分、光合和呼吸生理特征差异, 探讨了光照和升温协同对匍匐枝和直立枝光合作用的影响, 旨在阐明适应不同光环境的长茎葡萄蕨藻匍匐枝和直立枝的生化组分和光合、呼吸生理特征差异; 以及适应不同光环境的匍匐枝和直立枝对升温生理响应的差异。研究结果有助于进一步全面认识长茎葡萄蕨藻对环境光照变化的生理响应与适应, 有重要生态意义和实践价值。

1 材料与方法

1.1 样品采集与培养

长茎葡萄蕨藻样品采自广东省惠州市双月湾人工栽培池内, 藻体采集当天迅速置于保温桶(4℃)内带回实验室。回到实验室后, 用灭菌海水冲洗藻体表面3~5次, 去除表面附着杂藻及杂质颗粒; 随后, 挑取健康藻体暂养于光照培养箱内, 温度设置为25℃, 光照强度为70µmol·photons·m-2·s-1 [日光条件下, 1klx=18.6µmol·photons·m-2·s-1 (聂修和 等, 1992)], 光暗周期为12h:12h (光照时间9:00— 21:00)。暂养期间24h不间断通气培养, 所用灭菌过滤海水盐度约为33‰, 暂养2周后(每2天更换一次海水)开展如下实验:
暂养结束后, 称取9g长势良好、健康的长茎葡萄蕨藻, 转入盛有3L灭菌海水的透明塑料桶内(密度为3g·L-1), 随后将塑料桶置于光照培养箱中培养。培养箱内温度为25℃, 光照强度分别为40、80、120和160 µmol·photons·m-2·s-1, 光暗期为12h:12h, 每种光照处理设3个生物重复。由于长茎葡萄蕨藻是暖温性海藻, 最适生长温度20~28℃ (Chen et al, 2019)、在光照25~100µmol·photons·m-2·s-1范围内均能正常生长(Guo et al, 2015a; Stuthmann et al, 2021), 因此本试验选取了25℃和上述4种光照条件。培养小桶内光照强度用微球量子传感器(QSL2100, Biospherical Instruments Inc., USA)在水下2~3cm处测定。培养期间连续监测光强, 发现光强波动范围不超过5%。为防止长茎葡萄蕨藻生长过程中对营养盐的吸收可能会造成营养盐限制, 在培养基中补充0.5mmol·L-1的硝酸盐(NO3-)和0.1mmol·L-1的磷酸盐(PO43-)(Guo et al, 2015b)。培养期间每2天更换一次培养基, 连续培养6d后进行生理和生化参数测定。

1.2 比生长率测定

培养前后, 用分析天平准确称量长茎葡萄蕨藻的鲜重, 称量时用吸水纸拭干藻体表面水珠, 用以下公式计算不同光照条件下海葡萄的相对生长率(RGR, relative growth rate, 单位: %·d-1):
$RGR=\frac{ln(Nt)-ln(N0)}{\Delta t}\times 100\%$
式中: N0和Nt分别代表培养前和培养后藻体的鲜重(单位: g); $\Delta t$代表培养时间(单位: d)。

1.3 色素与蛋白含量测定

培养结束后, 于上午10:00分别称取0.10g长茎葡萄蕨藻的匍匐枝和直立枝, 转入8mL甲醇中研磨, 随后将萃取液转移至离心管并置于4℃条件下黑暗过夜。萃取结束后, 将萃取液在5000r·min-1、恒温(4℃)条件下离心10min, 取上清液用紫外-可见光分光光度计(UV1800, 岛津, 日本)测定480、510、652、665、750 nm波长的光吸收值。根据Wellburn (1994)方法计算长茎葡萄蕨藻叶绿素(Chl a)和类胡萝卜素(Car)含量(单位: mg·g-1)。
分别称取匍匐枝和直立枝各0.10g, 置于2mL磷酸缓冲溶液中(pH 6.8)用组织研磨仪(HF-24, 上海贺帆仪器有限公司)研磨, 随后将匀浆液在5000r·min-1、恒温(4℃)条件下离心10min。离心后, 取上清液根据考马斯亮蓝法测定原理(Bradford, 1976)用蛋白定量分析试剂盒(A045-2-1, 南京建成生物工程有限公司)测定藻体可溶性蛋白含量(单位: mg·g-1)。

1.4 叶绿素荧光测定

培养结束后, 分别取不同光照条件下培养的长茎葡萄蕨藻匍匐枝和直立枝于25℃黑暗条件下适应15min, 然后用叶绿素调制荧光仪(Junior-PAM, Walz, German)测定其初始荧光值(F0)和最大荧光值(FM)。测量过程中, 荧光仪测量光和饱和光分别设为~0.10和~10000µmol·photons·m-2·s-1。用公式(2)计算藻体光系统Ⅱ的最大光化学效率(FV/FM)(Kitajima et al, 1975):
$\frac{{{F}_{\text{V}}}}{{{F}_{M}}}=\frac{{{F}_{M}}-{{F}_{0}}}{{{F}_{M}}}$

1.5 光合与呼吸速率测定

培养结束后, 选取在不同光照条件下培养的长茎葡萄蕨藻直立枝和匍匐枝并将其剪成1.0cm左右的小段, 置于原培养条件下恢复约12h, 以减轻机械损伤对生理的影响(Li et al, 2020)。恢复结束后, 分别称取0.15g藻体, 转入于体积10mL、温度恒定(25℃)的反应槽内, 用氧电极(YSI Model 550A, USA)跟踪反应槽内溶解氧浓度变化。利用外接循环水浴系统(Cole Parmer, Chicago, Illinois USA)控制反应槽中温度, 测定过程中反应槽中的温度波动范围小于0.20℃; 同时, 利用卤钨灯提供测定光源(强度与培养光强相同), 每次测定的时间为5~10min。利用光照和黑暗条件下反应槽中溶解氧浓度随时间的变化率(单位: µmol·mL-1·h-1)除以单位反应体积内加入藻体的鲜重(单位: g·mL-1), 计算获得光合放氧速率(Pn, 单位: µmol·g-1·h-1)和呼吸耗氧速率(Rd, 单位: µmol·g-1·h-1)。
为了探究温度升高对适应不同光环境长茎葡萄蕨藻光合生理的影响, 分别称取其直立枝和匍匐枝各0.15g, 转入于体积10mL的反应槽内, 利用外接循环水浴系统调节反应槽中温度至25、28、31和34℃, 维持该温度20min后跟踪测量生长光强和黑暗条件下反应槽中溶解氧浓度随时间变化, 用上述方法计算光合放氧(Pn)和呼吸耗氧速率(Rd)。据估测, 极端天气事件如海洋热浪引起的海水升温可超过6℃ (Thomsen et al, 2019), 一些特殊海域如大亚湾夏季核电温排水引起的海水升温可超过8℃ (兰志刚 等, 2016), 因此本研究设置的最高升温幅度为+9℃。

1.6 抗氧化酶活性测定

培养结束后, 分别称取适应不同光强的长茎葡萄蕨藻匍匐枝和直立枝各0.20g, 转入4mL磷酸缓冲溶液中(pH 6.8)进行研磨。研磨结束后, 将匀浆液离心10min (4℃, 5000r·min-1), 取上清液分别根据羟胺法和可见光法原理用SOD试剂盒(A001-1-1, 南京建成生物工程有限公司)和CAT试剂盒(A007-1-1, 南京建成生物工程有限公司)测定藻体的超氧化物歧化酶(SOD, superoxide dismutase)和过氧化氢酶(CAT, catalase)活性(Cai et al, 2021)。

1.7 数据分析

利用Prism 8.0软件(Graphpad Software)作图; 同时利用t检验(t-test)和配对t检验(paired t-test)对直立枝和匍匐枝的生理、生化参数进行比较, 利用线性回归比较生理、生化参数随光照和温度变化曲线, 显著水平设为0.05。

2 结果

2.1 生长

当生长光强由40µmol·photons·m-2·s-1升高至120µmol·photons·m-2·s-1时, 长茎葡萄蕨藻在6d培养过程中的相对生长速率(RGR)为(7.85±0.26)%·d-1, 随光强变化不显著; 但是, 当光强进一步升高至160µmol·photons·m-2·s-1时, RGR降低至(3.98± 0.30)%·d-1, 比光强较低时降低了49% (图1)。
图1 不同光强下长茎葡萄蕨藻相对生长率(平均值±方差, n=3)的变化曲线

Fig. 1 Relative growth rate (RGR) of Caulerpa lentillifera under different growth light intensities (mean ± standard deviations, n = 3)

2.2 生化组分

不同光强下生长的长茎葡萄蕨藻色素和蛋白含量不同, 直立枝和匍匐枝色素和蛋白含量的差异也较大(图2)。在40µmol·photons·m-2·s-1光强下直立枝Chl a含量为(0.15±0.04)mg·g-1, 随光强升高而降低(r2=0.26, p<0.05); 在该光强下匍匐枝的Chl a含量为(0.10±0.03)mg·g-1, 较直立枝低34%, 且随光强的升高而升高(r2=0.36, p<0.05)。当光强升高至160µmol·photons·m-2·s-1时, 直立枝和匍匐枝的Chl a含量差异不显著(图2a)。类似地, 在40µmol·photons·m-2·s-1生长光强下直立枝类胡萝卜素(Car)含量为(0.093± 0.020)mg·g-1, 随光强升高而降低(r2=0.29, p<0.05); 匍匐枝Car含量较直立枝低33%, 随光强升高而升高(r2=0.22, p<0.05), 光强较高时二者Car含量差异也不显著(图2b)。同时, 直立枝和匍匐枝蛋白含量随光强升高而先升高后降低, 在120µmol·photons·m-2·s-1光强下含量最高, 分别为(1.03±0.00)mg·g-1和(0.95±0.06)mg·g-1, 特别是80µmol·photons·m-2·s-1光强下直立枝蛋白含量显著高于匍匐枝(p<0.01), 其他光强下二者蛋白含量差异不显著(图2c)。
图2 不同生长光强下长茎葡萄蕨藻直立枝和匍匐枝叶绿素a (a)、类胡萝卜素(b)和蛋白质(c)含量变化曲线

Fig. 2 Chlorophyll a (a), carotenoids (b) and protein (c) concentrations in the branch and stolon of Caulerpa lentillifera under different growth light intensities

2.3 光合与呼吸特征及升温效应

图3展示了不同生长光强下长茎葡萄蕨藻直立枝和匍匐枝光合与呼吸生理参数变化。在40µmol·photons·m-2·s-1光强下直立枝和匍匐枝光系统Ⅱ(PSⅡ)最大光化学效率(FV/FM)均为(0.74±0.04),光强升高对二者FV/FM的影响不显著(图3a)。当光强由40升高至160µmol·photons·m-2·s-1时, 直立枝的光合放氧速率由(3.10±0.71)升高至(7.45± 1.40)µmol·g-1·h-1, 匍匐枝由(1.57±0.21)升高至(9.52±0.12)µmol·g-1·h-1; 直立枝光合放氧速率在低光环境下高于匍匐枝(p<0.01), 在高光环境下则低于匍匐枝(p<0.01)(图3b)。与光合放氧速率类似, 直立枝和匍匐枝暗呼吸速率也随光强升高而升高, 其中直立枝由(2.14±0.09)升高至(4.27± 0.85)µmol·g-1·h-1, 匍匐枝由(3.19±0.36)升高至(5.46±0.09)µmol·g-1·h-1, 前者呼吸速率显著低于后者(配对t检验, t=2.64, p<0.05)(图3c)。
图3 不同生长光强下长茎葡萄蕨藻直立枝和匍匐枝FV/FM (a)、光合速率(b)和暗呼吸速率(c)变化曲线

Fig. 3 Maximal photochemical quantum yield (FV/FM) of Photosystem II (a), photosynthetic oxygen evolution rate (b) and dark respiration rate (c) in the branch and stolon of Caulerpa lentillifera under various growth light intensities

当培养温度由25℃逐步升高至31℃, 生长在40、80、120和160µmol·photons·m-2·s-1光强下的直立枝的光合放氧速率均随温度升高而降低(r2=0.51~0.81, p<0.05)(图4a), 其光合作用对升温的敏感性, 即光合放氧速率随温度升高的变化率随着生长光强的升高而降低(S40=1.06、S80=0.86、S120=0.47和S160= 0.38); 同样, 匍匐枝的光合放氧速率也随着温度升高而降低(r2=0.38~0.93, p<0.05), 但其光合作用对升温的敏感性则随光强升高而升高(S40=0.63、S80=0.73、S120=1.28和S160=1.41)(图4b), 说明环境温度升高在低光环境中对直立枝伤害较大、在高光环境中对匍匐枝伤害更大。与光合放氧速率相反, 直立枝暗呼吸速率随温度升高而升高(r2=0.77~0.92, p<0.05), 特别是34℃高温时光强升高进一步提高暗呼吸速率(图4c); 匍匐枝暗呼吸速率随温度升高呈先升高后降低的趋势, 31℃时达最高值。总体而言, 直立枝和匍匐枝的暗呼吸速率在不同生长光强下的差异不明显(图4d)。
图4 不同生长光强下长茎葡萄蕨藻直立枝(a、c)和匍匐枝(b、d)净光合速率(a、b)与暗呼吸速率(c、d)随温度升高的变化曲线

Fig. 4 Photosynthetic oxygen evolution rate (a, b) and dark respiration rate (c, d) as a function of temperature in branch and stolon of Caulerpa lentillifera under different growth light intensities

2.4 抗氧化酶活性

生长光强变化也影响长茎葡萄蕨藻藻体抗氧化系统, 包括改变超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化氢酶(CAT)活性(图5)。在40µmol·photons·m-2·s-1光强下直立枝和匍匐枝SOD活性分别为(11.0±1.32)和(13.5±0.01)U·g-1, 随光强升高而升高(r2直立枝=0.62, p<0.05; r2匍匐枝=0.78, p<0.01), 而且直立枝SOD活性显著低于匍匐枝(配对t检验, t=6.22, p<0.05)(图5a)。直立枝和匍匐枝CAT活性分别为(3.80±0.21)和(3.58±0.26)U·g-1, 光强升高显著降低二者CAT活性(p<0.05), 如光强升至80µmol·photons·m-2·s-1时分别降低了55%和21% (图5b)。
图5 不同生长光强下直立枝和匍匐枝超氧化物歧化酶(a)和过氧化氢酶(b)含量变化

Fig. 5 Superoxide dismutase (a) and catalase (b) activities in branch and stolon of Caulerpa lentillifera under different growth light intensities

3 讨论

3.1 直立枝和匍匐枝生化组分差异及其与光强变化的关系

弱光下直立枝叶绿素和类胡萝卜素含量较匍匐枝高, 而强光下二者含量差异不显著(图2a、2b)。光合色素在藻类细胞内起着重要作用, 其中位于叶绿体类囊体膜上的Chl a主要行使着捕获光能并将光能传递给光反应中心, 驱动合成三磷酸腺苷(ATP, adenosine triphosphate)和还原型辅酶Ⅱ (NADPH, nicotinamide adenine dinucleotide phosphate)等物质以及转化无机碳为有机碳的功能(高坤山, 2014); 除具有捕获和传递光能的功能外, 类胡萝卜素还具有清除累积于细胞内活性氧自由基(如1O2、O2-和H2O2), 保护细胞免受氧化损伤的功能(高坤山, 2014)。因此, 藻体色素含量的高低不仅决定了藻体吸收和传递光能能力的强弱, 也决定了其对强光耐受性的强弱(Havaux et al, 1997)。已有研究表明, 红藻通过改变细胞壁、叶绿体和类囊体等的形态以应对长期光环境变化, 通过改变色素含量和光合膜功能等以快速适应短期光环境变化(Talarico et al, 2000)。与之一致, 在连续6天的培养期间长茎葡萄蕨藻直立枝Chl a和Car含量均随培养光强升高而降低(图2a、2b)。这不难理解, 在弱光下生长的藻体需要合成更多色素以满足光合过程对能量的需求, 而在强光下色素吸收的过剩光能会诱导藻体内生成更多的活性氧, 引起色素漂白、含量降低等现象(姚瑶, 2016); 在强光环境中生长的海藻也会通过降低分配至色素合成的资源, 引起色素含量降低(Guo et al, 2015a; Fukumoto et al, 2018)。但对于匍匐枝而言, Chl a和Car含量随光强升高而升高, 这可能与其叶绿体数量变化有关(Talarico et al, 2000)。综合来看, 长茎葡萄蕨藻总色素含量(直立枝和匍匐枝所含色素含量的加和)光强较高时(80~160µmol·photons·m-2·s-1)与光强较低时(40µmol·photons·m-2·s-1)的差异不显著(图6), 说明光强较高时色素分子被破坏的可能性较小。长茎葡萄蕨藻是一种单细胞多核藻类(Coneva et al, 2015), 其匍匐枝位于直立枝底端, 因此在自然环境中比直立枝接受的光照更弱、也更迟。在长期的适应进化中, 长茎葡萄蕨藻的色素体在光强较弱时多聚集于直立枝使藻体获取更多的能量; 随着环境光强升高, 长茎葡萄蕨藻可能会重组光合器官, 降低分配至直立枝中色素体的数量而提高分配至匍匐枝的数量(Raniello et al, 2004), 在减轻过量光能对直立枝胁迫的同时也增加匍匐枝的光吸收能力, 以此完成能量在不同部位间的调配。
图6 长茎葡萄蕨藻整株(直立枝+匍匐枝)光合色素含量随生长光强的变化

Fig. 6 Pigment contents of Caulerpa lentillifera (branch and stolon) under different growth light intensities

除色素含量差异外, 不同光强下直立枝和匍匐枝蛋白含量差异也较大, 且随光强升高而先升高后降低。这与前期研究结果一致, 光照较低时, 长茎葡萄蕨藻的净光合速率较低(图3b), 导致藻体内有机物积累较少, 适度提高光强有利于藻体内蛋白的积累(吴启藩, 2017)。蛋白是胞内酶主要组成部分, 在维持机体正常代谢、提高抗逆性方面起着重要作用(余江 等, 2007; Cai et al, 2021)。随着生长光强升高, 藻体吸收过量光能而会导致活性氧积累, 因此藻体需要分配更多的能量以合成更多抗逆酶(如蛋白、SOD、CAT), 提高抗逆性(Huovinen et al, 2006), 但同时也可能会导致有机物质积累减少(Cai et al, 2021)。这与直立枝和匍匐枝的SOD活性随光强升高而升高(图5a)的结果一致, 同时也可能是高光强下净光合速率高但生长速率却相对降低(图1)的原因之一。此外, 有些蛋白还可以作为储存于藻体的氮源, 在氮缺乏的条件下用于补充藻体对氮的需求、维持藻体正常生命活动(Young et al, 2009)。例如, 光强升高会提高光合速率, 进而提高藻体对氮的需求、引起短暂的氮限制(程丽巍 等, 2010), 此时胞内蛋白可被用作氮源, 致使高光强下蛋白累积量降低(图2c)。
此外, 匍匐枝SOD活性高于直立枝(图5a), 说明匍匐枝消除体内累积活性氧的能力高于直立枝, 即抗逆性更强。匍匐枝的CAT活性却多低于直立枝, 这可能是直立枝中的H2O2物质多于匍匐枝造成的, 也可能与长茎葡萄蕨藻不同部位抗氧化系统的差异性表达有关。Arimoto等(2019)研究表明, 长茎葡萄蕨藻这一单细胞多核藻类的基因组在直立枝和匍匐枝存在差异化表达, 进一步证实了不同结构内的基因差异化表达会导致其生理功能和结构的差异。同样, 不同部位的物质组成、光合活性等差异化现象也在马尾藻(Sargassum fusiforme, Sargassum thunbergii, Sargassum horneri)(李红 等, 2018)和羊栖菜(Hizikia fusiformis)(Zou et al, 2018)等海藻中均有所体现。综合生长和生化组分结果, 我们认为适宜长茎葡萄蕨藻生长光照强度在40~ 120µmol·photons·m-2·s-1之间。

3.2 直立枝和匍匐枝光合、呼吸生理差异及升温效应

决定藻体有机物积累与消耗的光合和呼吸过程受多重环境因子调控, 其中光照和温度最为关键(丁柳丽 等, 2015)。我们的结果显示, 与直立枝和匍匐枝色素含量一致, 直立枝光合速率在光强较低时高于匍匐枝, 光强较高时则低于匍匐枝(图3b)。低光环境中, 藻体为了满足自身代谢对光能的需求通常会积累更多的光合色素, 因此弱光下色素含量较高的直立枝的光合速率也较高。随着生长光强提高, 直立枝的色素含量降低而匍匐枝的增加(图2a、2b), 从而导致后者的光捕获能力提高、光合速率提高, 以至于光强进一步提高时匍匐枝的光合速率超过直立枝。此外, 不同光强下直立枝和匍匐枝的FV/FM值均在0.7以上, 说明试验所用光照强度对光反应中心产生的胁迫较小。
通常, 温度会通过改变RubisCO和碳酸酐酶(CA, carbonic anhydrase)等酶类活性以影响其催化的生理生化反应过程, 影响藻类的光合与呼吸作用(Davison, 1991)。我们的结果显示, 长茎葡萄蕨藻光合和呼吸速率对温度变化较为敏感(图4)。随温度升高, 直立枝和匍匐枝的净光合速率显著降低, 已适应特定温度(25℃)的长茎葡萄蕨藻可能需要一定时间来应对新的温度环境, 致使温度骤升, 不利于其光合作用, 从而导致光合速率降低。通常情况下, 环境温度升高会提高胞内RubisCO酶对O2的亲和力, 且提高程度超过其对CO2亲和力的提高程度(Davison, 1991), 从而使呼吸耗氧量超过光合放氧量, 导致氧的净消耗现象, 这与生长光强超过120µmol·photons·m-2·s-1时直立枝和匍匐枝净光合放氧速率均出现负值相一致(图4a、4b)。升温提高呼吸耗氧的现象在许多大型海藻如羊栖菜(Hizikia fusiformis)(Zou et al, 2018)、砺菜(Ulva conglobata) (Li et al, 2020)、龙须菜(Gracilaria lemaneiformis) (Zou et al, 2013)和坛紫菜(Pyropia haitanensis)(Liu et al, 2015)等中均有发现。此外, 升温对直立枝和匍匐枝光合速率的抑制效应不同: 低光下对前者的抑制更强, 高光下对后者的抑制更强。这可能有两方面原因: 一是有关光合作用的分子功能在环境胁迫因子条件下被优先激活, 促进直立枝对胁迫因子迅速反应(Arimoto et al, 2019); 二是与长茎葡萄蕨藻体内色素的分布受控于生长光强有关(图2a、2b)。低光下, 长茎葡萄蕨藻色素体多集中分布于直立枝以获取更多光能, 同时温度骤升的负面效应也使直立枝内累积更多的过剩光能、破坏胞内各种代谢过程, 导致光合作用对升温更敏感。随着光强升高, 直立枝和匍匐枝色素体发生再分配致使匍匐枝的光吸收能力提高, 在温度骤升破坏藻体细胞膜结构(Atkin et al, 2003)和吸收的过剩能量产生大量活性氧而导致膜脂过氧化(董潇潇 等, 2016)的双重压力下, 匍匐枝光合活性对升温的敏感性更高。最后, 温度较高(34℃)时直立枝总光合放氧速率(由净光合速率与呼吸速率加和所得, 图7)和呼吸速率(图4c)均高于匍匐枝, 这说明直立枝与光合和呼吸相关的酶类(包括糖酵解、呼吸电子传递链、Krebs循环(即三羧酸循环, tricarboxylic acid cycle)等比匍匐枝对高温的耐受性更强(Zou et al, 2013)。
图7 不同生长光强下长茎葡萄蕨藻直立枝(a)和匍匐枝(b)总光合放氧速率(Pg)随温度变化

Fig. 7 Gross photosynthetic oxygen evolution rate versus temperature of the branch (a) and stolon (b) of Caulerpa lentillifera under different growth light intensities

4 结论

本文通过比较不同生长光强下长茎葡萄蕨藻直立枝和匍匐枝生化组成和光合、呼吸生理及对升温的响应发现, 光强在40至120µmol·photons·m-2·s-1 之间变化对长茎葡萄蕨藻生长影响不显著, 但进一步升高至160µmol·photons·m-2·s-1时则抑制其生长。在40µmol·photons·m-2·s-1光强下生长的长茎葡萄蕨藻直立枝的叶绿素(Chl a)和类胡萝卜素(Car)含量均高于匍匐枝, 而且前者的Chl a和Car含量随光强升高而降低, 后者的随光强升高而升高, 二者的蛋白含量随光强升高而先升高后降低。再者, 直立枝的超氧化物歧化酶(SOD)活性低于匍匐枝, 二者SOD活性均随光强升高而升高。在40µmol·photons·m-2·s-1光强下直立枝的净光合放氧速率高于匍匐枝, 呼吸速率低于匍匐枝, 二者最大光化学效率(FV/FM)差异不显著。光强升高提高直立枝和匍匐枝的光合和呼吸速率, 但对二者FV/FM影响不显著。我们还发现, 直立枝和匍匐枝的净光合速率均随温度升高而降低, 但前者的降低程度即光合放氧速率随升温的变化率随光强升高而降低, 后者的则随光强升高而升高, 说明环境温度升高在弱光下对直立枝的负面效应更大, 在强光下则对匍匐枝的负面效应更大。

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