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热带海洋学报 >

2023 , Vol. 42 >Issue 5: 115 - 123

DOI: https://doi.org/10.11978/2022243

海洋生物学

不同绿藻对模拟酸雨胁迫的生理生化响应特征

  • 杜响 ,
  • 骆其君 ,
  • 陈海敏
展开
  • 宁波大学海洋学院, 浙江 宁波 315211
骆其君。email:

杜响(1997—), 男, 安徽省阜阳市人, 硕士研究生, 从事藻类生理生化研究。email: dxiang231023@163.com

收稿日期: 2022-11-14

  修回日期: 2023-01-07

  网络出版日期: 2023-01-10

基金资助

现代农业产业技术体系专项资金项目(CARS-50)

南麂列岛国家海洋自然保护区管理局项目(H202200074)

收起

Physiological and biochemical responses of different species of chlorophyta to simulated acid rain stress

  • DU Xiang ,
  • LUO Qijun ,
  • CHEN Haimin
Expand
  • School of Marine Sciences, Ningbo University, Ningbo 315211, China
LUO Qijun. email:

Received date: 2022-11-14

  Revised date: 2023-01-07

  Online published: 2023-01-10

Supported by

China Agriculture Research System(CARS-50)

Nanji Islands National Marine Nature Reserve Administration Project(H202200074)

Fold

摘要

以东海潮间带绿藻优势种为试验材料, 测定其最大光化学量子产量(maximal photochemical quantum yield of PSⅡ, Fv/Fm)、可溶性糖含量及抗氧化酶活性等指标, 研究不同强度模拟酸雨(pH分别为6.3、5.6、4.5、4.0、3.5)胁迫下绿藻优势种生理生化响应。结果表明: 1) 随着模拟酸雨酸度和处理时间增加, 2种浒苔、4种石莼、史氏刚毛藻和刺松藻的Fv/Fm抑制幅度增大; 2) pH 4.5的模拟酸雨降低藻体中叶绿素a、类胡萝卜素和可溶性糖含量, 降幅为浒苔>石莼>刺松藻>史氏刚毛藻。而可溶性蛋白含量有所增加, 且随时间延长愈加显著, 史氏刚毛藻增幅高于其他绿藻。3) pH 4.5的模拟酸雨抑制绿藻中超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)、过氧化氢酶(catalase, CAT)活性, 但提高其过氧化物酶(peroxidase, POD)活性, 且处理时间与POD活性正相关, 与SOD、CAT活性负相关。研究表明pH 4.5能作为模拟酸雨胁迫潮间带绿藻优势种的试验条件, 史氏刚毛藻对模拟酸雨耐受性最佳, 石莼比浒苔具有更好的抗酸雨胁迫能力。

关键词： 绿藻; 模拟酸雨; 优势种; 生理生化响应; 东海

本文引用格式

杜响 , 骆其君 , 陈海敏 . 不同绿藻对模拟酸雨胁迫的生理生化响应特征[J]. 热带海洋学报, 2023 , 42(5) : 115 -123 . DOI: 10.11978/2022243

Abstract

The maximal photochemical quantum yield of PSⅡ (Fv/Fm), soluble sugar contents and antioxidant enzyme activity were determined by using dominant species of chlorophyta in the intertidal zone of the East China Sea. The physiological and biochemical responses of dominant species of chlorophyta under simulated acid rain (pH 6.3, 5.6, 4.5, 4.0, 3.5, respectively) were studied. The results showed that: 1) the simulated acid rain inhibited Fv/Fm of Ulva prolifera and Ulva intestinalis, the remaining green seaweeds of Ulva, Cladophora stimpsonii and Codium fragile, and the inhibition amplitude increased with the increase of acidity and treatment time; 2) simulated acid rain at pH 4.5 reduced the contents of chlorophyll a, carotenoids and soluble sugar, and the decrease amplitude was green seaweeds of Ulva > C. fragile > C. stimpsonii. but the contents of soluble protein increased, which became more significant as time went on, and the increase amplitude of C. stimpsonii was higher than that of other green seaweeds; 3) simulated acid rain at pH 4.5 inhibited the activities of superoxide dismutase (SOD) and catalase (CAT), but increased the activities of peroxidase (POD) of seaweeds, and the treatment time was positively correlated with the activities of POD, but negatively correlated with the activities of SOD and CAT. In summary, pH 4.5 can be used as physiological and biochemical test conditions for dominant species of chlorophyta to simulated acid rain stress, C. stimpsonii exhibited higher tolerance to simulated acid rain, compared with U. prolifera and U. intestinalis, the remaining green seaweeds of Ulva has higher tolerance to simulated acid rain.

Key words： chlorophyta; simulated acid rain; dominant species; physiological and biochemical response; East China Sea

酸雨是指pH值小于5.6的大气降水, 由大气中酸性物质(以硫氧化物和氮氧化物为主)氧化成不易挥发的硫酸和硝酸, 并溶于降水降落到地面所形成。因其危害人体健康、破坏生态系统、制约经济和社会可持续发展, 已成为世界性的环境问题之一(王自发 等, 2007)。20世纪90年代, 浙江省就已形成了以杭州、金华和宁波三大城市为核心的三角形重酸雨区域(徐德才, 1995)。宁波市象山县的酸雨频率上升幅度达到30.6% (宁波市生态环境局, 2022)。
研究表明, 酸雨能够直接破坏植物细胞膜, 影响植物光合作用, 导致其代谢功能紊乱, 并且对植物种群、群落及自然生态系统产生一定影响(齐泽民 等, 2004)。模拟酸雨以自然酸雨为依据, 由蒸馏水稀释酸雨母液而成, 可导致玉米幼苗叶绿素a和类胡萝卜素含量减少(王文彦, 2020); 经pH 4.0的模拟酸雨浸泡3h, 条斑紫菜的Fv/Fm降至0.15 (李信书 等, 2011); 而且模拟酸雨引起的水体pH下降使金鱼藻体内过氧化物酶(peroxidase, POD)活性增加(刘华 等, 2003); 浒苔的Fv/Fm、叶绿素a含量和相对生长率在pH 4.4的模拟酸雨处理下被显著抑制(Li et al, 2017)。酸雨引起的低pH海水使大型海藻种类减少, 为珊瑚藻属物种的泛滥创造条件(Gao et al, 2016)。频发的酸雨可能导致了南麂列岛大片区域马尾藻床的减少(Zhong et al, 2020)。
由于潮汐涨落, 潮间带大型海藻周期性经历涨潮时淹没在海水中, 退潮时暴露在空气中。此时, 大型海藻往往直接遭受长时间pH为3.24~6.56的酸雨胁迫(Gao et al, 2016)。然而, 关于潮间带大型海藻在酸雨胁迫下其生理生化响应及存活影响等如何变化鲜有报道。绿藻作为分布在潮间带的主要海藻种类, 本文选择不同形态、具有不同进化关系的优势种类在模拟酸雨胁迫下进行对比研究, 探讨潮间带绿藻优势种在模拟酸雨环境胁迫下的生理生化响应。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验中的浒苔(Ulva prolifera)、肠浒苔(U. intestinalis)、石莼(U. lactuca)、长石莼(U. stenophylla)、孔石莼(U. pertusa)、蛎菜(U. congbata)、史氏刚毛藻(Cladophora stimpsonii)、刺松藻(Codium fragile)于2021年2月到2022年5月采自位于东海海域的舟山市中街山列岛(122°36′E, 30°06′N)和温州市南麂列岛(121°18′E, 27°18′N)的潮间带。采回实验室后, 选取大小和形态较一致的藻体, 用灭菌海水反复冲洗, 去除附生杂藻, 在光照培养箱中进行培养, 培养温度为20℃, 光照强度为2000lx, 光照周期为12L:12D, 每日按时更换培养海水。
可溶性蛋白、可溶性糖、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)、过氧化物酶(peroxidase, POD)、过氧化氢酶(catalase, CAT)测定试剂盒均由南京建成生物工程研究所提供。

1.2 试验设计

1.2.1 绿藻优势种对不同pH值的模拟酸雨胁迫的响应

根据当地自然降雨记录(连纲 等, 2021), 将硫酸与硝酸按体积比配制成母液, 并用蒸馏水将母液稀释成酸性水溶液, 得到pH值分别为6.3、5.6、4.5、4.0和3.5的模拟酸雨(万文琴 等, 2022)。选择状态良好的绿藻, 除去其表面水分后, 放入绿藻与模拟酸雨质量比为1:100的培养皿中处理。以蒸馏水作为对照, 试验设置3组重复, 培养温度为20℃, 光照强度为2000lx。
根据叶绿素荧光参数结果, 选择pH 4.5模拟酸雨胁迫进行8种绿藻的可溶性蛋白、可溶性糖含量及抗氧化酶活性等生化试验。

1.2.2 绿藻优势种对不同处理时间的模拟酸雨胁迫的响应

选择状态良好的绿藻, 除去其表面水分后, 放入培养皿中分别处理5、15、30、60、120、240和360min。试验条件同上。

1.3 叶绿素荧光参数测定

暗处理15min后, 使用WATER-PAM叶绿素荧光仪测定叶绿素荧光诱导曲线, 记录PSⅡ的Fv/Fm值。

1.4 色素的提取及测定

参考Moran (1982)测定方法, 并进行改进。称取模拟酸雨处理后的藻体0.1g (鲜重)用10mL无水甲醇4℃萃取24h, 提取液5000r·min-1离心10min后, 取上清液于分光光度计上进行检测, 参比液为提取剂空白溶液, 测定叶绿素a (Chlorophyll a, Chl a)和类胡萝卜素(Carotenoids, Car)的含量。根据公式(1)(Porra, 2002)、公式(2)(Parsons et al, 1963)分别计算Chl a和Car的含量。
$\text{Chl }a\text{ = 16}\text{.29}\times \text{(}{{\text{A}}_{\text{665}}}-{{\text{A}}_{\text{750}}}\text{)}-\text{8}\text{.54}\times \text{(}{{\text{A}}_{\text{652}}}-{{\text{A}}_{\text{750}}}\text{)}$
$\text{Car = 7}\text{.6}\times \text{ }\!\![\!\!\text{ (}{{\text{A}}_{\text{480}}}-{{\text{A}}_{\text{750}}}\text{) }-\text{1}\text{.49}\times \text{(}{{\text{A}}_{\text{510}}}-{{\text{A}}_{\text{750}}}\text{) }\!\!]\!\!\text{ }$
式中: A750、A665、A652、A510、A480分别是波长750、665、652、510、480nm处的吸光度, 最后根据藻体质量及甲醇的用量计算出Chl a含量(单位: mg·g-1)和Car含量(单位: mg·g-1)。

1.5 可溶性蛋白含量、可溶性糖含量的测定

可溶性蛋白含量和可溶性糖含量分别采用考马斯亮蓝法、蒽酮比色法测定(李合生, 2000)。具体检测方法参照试剂盒说明书。

1.6 抗氧化酶活性的测定

SOD、POD、CAT活性分别采用氮蓝四唑(nitro-blue tetrazolium, NBT)还原法、愈创木酚法、过氧化氢分解反应法进行测定(张志良 等, 2003)。具体检测方法参照试剂盒说明书。

1.7 数据处理分析

利用SPSS 26.0进行单因素ANOVA分析显著性检验(p<0.05), Origin 2018进行绘图, 选择Fv/Fm、可溶性糖含量作为指标进行主坐标分析(PcoA)。

2 结果与分析

2.1 绿藻优势种对不同pH值的模拟酸雨胁迫的响应

随着模拟酸雨pH值降低及处理时间延长, 8种绿藻的Fv/Fm总体均呈下降趋势(图1)。用pH 6.3、pH 5.6的模拟酸雨处理8种绿藻, 与对照组相比, 除史氏刚毛藻外, 仅pH 5.6的模拟酸雨处理有显著差异(p<0.05), 其他均无显著差异(p>0.05)。pH 4.0的模拟酸雨处理4h, 浒苔、肠浒苔、石莼、长石莼的Fv/Fm降为0; 酸雨处理6h后, 绿藻Fv/Fm, 史氏刚毛藻>刺松藻>孔石莼, 其他绿藻Fv/Fm为0。pH 3.5的模拟酸雨处理1h, 史氏刚毛藻>刺松藻, 并且史氏刚毛藻的Fv/Fm至少为2种浒苔和4种石莼的1.9倍。pH 4.5的模拟酸雨处理6h, 试验绿藻Fv/Fm均大于0, 且不同绿藻之间有较大差异。
图1 不同pH值的模拟酸雨胁迫对8种绿藻Fv/Fm的影响

a. 浒苔; b. 肠浒苔; c. 石莼; d. 长石莼; e. 孔石莼; f. 蛎菜; g. 史氏刚毛藻; h. 刺松藻。*和**表示在0.05和0.01水平上不同处理间差异显著

Fig. 1 Effects of simulated acid rain stress on Fv/Fm at different pH levels of eight species of green seaweeds. (a) U. prolifera; (b) U. indicate; (c) U. lactuca; (d) U. stenophylla; (e) U. pertusa; (f) U. conglobata; (g) C. stimpsonii; (h) C. fragile. * and ** indicate significant difference among different treatments at 0.05 and 0.01 levels

初期试验结果表明, 当模拟酸雨pH值高于4.5时, 绿藻对酸雨响应较为缓慢; 当模拟酸雨pH值低于4.5时, 绿藻受酸雨响应激烈, 容易快速死亡。考虑到数据采集和试验时间, 本文认为采用pH 4.5的模拟酸雨作为胁迫绿藻方法并进行研究比较合理, 因此后续研究采用8种绿藻在pH 4.5的模拟酸雨胁迫下的生理生化响应。

2.2 绿藻优势种对不同处理时间的模拟酸雨胁迫的响应

2.2.1 叶绿素荧光参数的响应

如图2所示, 模拟酸雨(pH 4.5)处理过程中, 随着处理时间延长, 8种绿藻的Fv/Fm均呈下降趋势。史氏刚毛藻相较于其他绿藻表现出良好的耐酸性。酸雨处理2h, 史氏刚毛藻和4种石莼的Fv/Fm无差异(p> 0.05), 但史氏刚毛藻和2种浒苔的Fv/Fm有显著差异(p<0.05); 酸雨处理6h, 史氏刚毛藻>刺松藻>孔石莼>蛎菜>石莼>长石莼>浒苔>肠浒苔, 史氏刚毛藻和刺松藻、孔石莼的Fv/Fm无显著差异(p>0.05), 史氏刚毛藻和蛎菜、石莼的Fv/Fm有显著差异(p<0.05), 史氏刚毛藻和其他绿藻的Fv/Fm差异极显著(p<0.01)。
图2 不同处理时间的模拟酸雨(pH 4.5)胁迫对8种绿藻Fv/Fm的影响

*和**表示在0.05和0.01水平上浒苔、肠浒苔、石莼、长石莼、孔石莼、蛎菜、刺松藻与史氏刚毛藻差异显著, 以史氏刚毛藻为对照

Fig. 2 Effects of simulated acid rain (pH 4.5) stress with different treatment times on Fv/Fm of eight species of green seaweeds. * and ** indicate that there are significant differences among U. prolifera, U. intestinalis, U. lactuca, U. stenophylla, U. pertusa, U. conglobata, C. fragile and C. stimpsonii at the level of 0.05 and 0.01. C. stimpsonii is control

2.2.2 叶绿素a和类胡萝卜素含量的响应

模拟酸雨对8种绿藻色素的影响与处理时间有关, 和对照组相比, 模拟酸雨处理降低了绿藻的色素含量, 并且处理时间越长, 藻体所含色素含量越低。酸雨处理2h, 仅浒苔、肠浒苔叶绿素a含量与对照组相比产生显著差异(p<0.05); 酸雨处理6h, 叶绿素a降幅, 浒苔>>肠浒苔>长石莼>石莼>蛎菜>孔石莼>>刺松藻>史氏刚毛藻, 但对叶绿素a含量而言, 石莼>孔石莼>史氏刚毛藻>刺松藻>长石莼>浒苔>蛎菜>肠浒苔, 各个绿藻与对照组相比差异均极显著(p<0.01)(表1)。由表2可知, 酸雨处理6h, 浒苔、肠浒苔、石莼、长石莼、孔石莼、蛎菜、史氏刚毛藻、刺松藻的Car含量依次降至63.29%、65.71%、70.64%、67.74%、71.60%、74.65%、79.04%、74.38%, 并且和对照组相比差异极显著(p< 0.01)。
表1 叶绿素a含量(单位: mg·g-1)对模拟酸雨不同处理时间的胁迫响应

Tab. 1 Stress response of chlorophyll a content (unit: mg·g-1) to different treatment times of simulated acid rain

绿藻种类 0min 30min 60min 120min 240min 360min
浒苔 0.735±0.005 a 0.728±0.010 a 0.678±0.018 ab 0.627±0.060 bc 0.545±0.001 c 0.446±0.010 d
肠浒苔 0.479±0.005 a 0.416±0.014 b 0.401±0.017 bc 0.370±0.007 bc 0.356±0.022 cd 0.312±0.021 d
石莼 0.735±0.053 a 0.733±0.021 a 0.714±0.007 ab 0.642±0.078 abc 0.549±0.029 bc 0.525±0.066 c
长石莼 0.678±0.024 a 0.674±0.039 a 0.660±0.020 ab 0.634±0.021 ab 0.578±0.023 b 0.479±0.034 c
孔石莼 0.698±0.011 a 0.702±0.032 a 0.687±0.036 a 0.664±0.012 a 0.578±0.003 b 0.514±0.011 b
蛎菜 0.512±0.009 a 0.477±0.010 ab 0.444±0.034 ab 0.420±0.012 ab 0.410±0.008 ab 0.366±0.093 b
史氏刚毛藻 0.671±0.033 a 0.672±0.012 a 0.636±0.051 a 0.616±0.009 a 0.574±0.003 ab 0.505±0.039 b
刺松藻 0.675±0.009 a 0.671±0.014 a 0.660±0.018 a 0.646±0.006 a 0.586±0.016 b 0.499±0.016 c

注: 不同小写字母上标表示同一绿藻不同处理时间之间差异显著(p<0.05)

表2 类胡萝卜素含量(单位: mg·g-1)对模拟酸雨不同处理时间的胁迫响应

Tab. 2 Stress response of carotenoids content (unit: mg·g-1) to different treatment times of simulated acid rain

绿藻种类 0min 30min 60min 120min 240min 360min
浒苔 0.444±0.017 a 0.442±0.028 ab 0.402±0.008 ab 0.377±0.031 b 0.303±0.021 c 0.281±0.002 c
肠浒苔 0.347±0.006 a 0.313±0.008 ab 0.305±0.012 b 0.284±0.008 bc 0.265±0.004 cd 0.228±0.021 d
石莼 0.470±0.033 a 0.475±0.002 a 0.450±0.019 a 0.421±0.051 ab 0.385±0.042 ab 0.332±0.033 b
长石莼 0.217±0.013 a 0.212±0.003 ab 0.188±0.012 bc 0.171±0.006 cd 0.155±0.003 d 0.147±0.009 d
孔石莼 0.567±0.031 a 0.541±0.001 ab 0.551±0.001 ab 0.508±0.003 b 0.448±0.001 c 0.406±0.007 c
蛎菜 0.284±0.017 a 0.274±0.011 a 0.270±0.001 a 0.249±0.002 a 0.233±0.014 a 0.212±0.053 a
史氏刚毛藻 0.396±0.041 a 0.392±0.009 a 0.388±0.008 ab 0.372±0.017 ab 0.365±0.022 ab 0.313±0.026 b
刺松藻 0.406±0.002 a 0.400±0.005 a 0.388±0.033 ab 0.361±0.007 ab 0.341±0.009 bc 0.302±0.006 c

注: 不同小写字母上标表示同一绿藻不同处理时间之间差异显著(p<0.05)

2.2.3 可溶性蛋白和可溶性糖含量的响应

与对照组相比, 模拟酸雨(pH 4.5)胁迫下, 8种绿藻的可溶性蛋白含量有所增加。酸雨胁迫6h, 各绿藻的可溶性蛋白含量达到最大, 浒苔、肠浒苔的可溶性蛋白增加量不足对照组的2倍, 石莼、长石莼、孔石莼、蛎菜的可溶性蛋白增加量至少为对照组的2.03倍, 史氏刚毛藻、刺松藻的可溶性蛋白含量分别增加了3.54倍、3.62倍, 除浒苔、肠浒苔、长石莼外, 其他绿藻可溶性蛋白含量与对照组相比, 差异极显著(p<0.01)。
随着模拟酸雨(pH 4.5)的处理时间延长, 8种绿藻的可溶性糖含量总体趋势是下降的。酸雨处理6h, 浒苔、肠浒苔、石莼、长石莼、孔石莼、蛎菜、史氏刚毛藻、刺松藻的可溶性糖含量分别降到对照组的45.63%、48.46%、63.64%、62.29%、67.04%、65.03%、81.34%、69.55%, 和对照组相比, 仅史氏刚毛藻、刺松藻未产生显著差异(p>0.05), 浒苔、肠浒苔、石莼、长石莼、孔石莼、蛎菜的可溶性糖含量分别为史氏刚毛藻的0.45倍、0.74倍、2.40倍、1.71倍、2.77倍、2.60倍(图3)。
图3 可溶性蛋白含量(a)和可溶性糖含量(b)对模拟酸雨不同处理时间的胁迫响应

不同小写字母表示同一绿藻不同处理时间之间差异显著(p<0.05)

Fig. 3 Response of soluble protein content and soluble sugar content to simulated acid rain stress. Different lowercase letters indicate significant difference among different treatment times of the same green seaweed at 0.05 level

2.2.4 SOD、POD、CAT活性对模拟酸雨的胁迫响应

由图4a可知, 模拟酸雨降低了8种绿藻的SOD活性。酸雨胁迫6h, 浒苔、肠浒苔、石莼、长石莼、孔石莼、蛎菜、史氏刚毛藻、刺松藻的SOD活性分别降至3.05U、3.68U、6.13U、5.76U、6.75U、6.43U、8.93U、7.86U, 和对照组相比, 除史氏刚毛藻外, 其他绿藻SOD活性均有显著性差异(p<0.05)。
图4 绿藻SOD活性(a)、POD活性(b)和CAT活性(c)对模拟酸雨不同处理时间的胁迫响应

不同小写字母表示同一绿藻不同处理时间之间差异显著(p<0.05)

Fig. 4 Response of SOD, POD and CAT activity to simulated acid rain stress

图4b显示, 与SOD趋势相反, 模拟酸雨提高了8种绿藻POD活性, 且随着处理时间的增加而增加。酸雨处理6h, 浒苔、肠浒苔、石莼、长石莼、孔石莼、蛎菜、史氏刚毛藻、刺松藻的POD活性增加量为对照组的0.64~1.59倍。其中, 浒苔、肠浒苔的POD活性增加量低, 史氏刚毛藻、刺松藻的POD活性增加量较高, 与对照组相比, 均有显著性差异(p<0.05)。
图4c显示, 8种绿藻CAT活性随着pH 4.5模拟酸雨处理时间延长下降。酸雨处理2h, 浒苔、肠浒苔与对照组相比均产生极显著差异(p<0.01), 处理6h, 浒苔、肠浒苔的CAT活性下降至35%以下, 石莼、长石莼、孔石莼、蛎菜的CAT活性下降至55%左右, 史氏刚毛藻、刺松藻的CAT活性有所下降, 但依旧为对照组的60%以上。与对照组相比, 除史氏刚毛藻外, 差异均显著(p<0.05)。

2.3 绿藻优势种生理生化响应主坐标分析

以Fv/Fm、可溶性糖含量作为指标进行研究, 通过PcoA结果分析, 各组内的主坐标成分接近, 样品重复性较好, 维度上与其他样本分离, 表明史氏刚毛藻、刺松藻、2种浒苔、4种石莼之间差异较大, 模拟酸雨处理对样本影响显著。在Fv/Fm、可溶性糖含量PcoA分析结果中, 史氏刚毛藻、刺松藻、浒苔、石莼分别聚类在一起, 2种浒苔聚类在一起, 4种石莼聚类在一起, 且浒苔与石莼之间差异明显。基于Fv/Fm和可溶性糖含量的PcoA前两个维度分别占数据集总变化量的81%和97% (图5)。
图5 绿藻Fv/Fm (a)和可溶性糖含量(b)的主坐标分析

A1~A3: 浒苔; B1~B3: 肠浒苔; C1~C3: 石莼; D1~D3: 长石莼; E1~E3: 孔石莼; F1~F3: 蛎菜; G1~G3: 史氏刚毛藻; H1~H3: 刺松藻

Fig. 5 PcoA of Fv/Fm and soluble sugar content in green seaweeds. (a) PcoA of Fv/Fm in green seaweeds; (b) PcoA of soluble sugar content in green seaweeds. A1~A3: U. prolifera; B1~B3: U. intestinalis; C1~C3: U. lactuca; D1~D3: U. stenophylla; E1~E3: U. pertusa; F1~F3: U. congbata; G1~G3: C. stimpsonii; H1~H3: C. fragile

3 讨论

研究表明, 快速、灵敏、无损伤的叶绿素荧光分析技术可用于检测多种逆境胁迫下植物的光合作用, 其中最常用的是光系统Ⅱ (PSⅡ)的最大光化学量子产量(Fv/Fm), 能够反映叶绿素光系统反应中心的最大光能转化效率(Schreiber et al, 1997; 赵会杰 等, 2000)。本研究中, 随着酸雨pH值减小及处理时间延长, 史氏刚毛藻、刺松藻、浒苔、石莼等潮间带绿藻优势种的Fv/Fm总体均呈下降趋势, 这与前人研究结果一致(万文琴 等, 2022)。与对照组相比, pH 6.3处理后, 藻体Fv/Fm无明显差异(p>0.05), 但其他处理组则差异显著(p<0.05), 说明酸雨对绿藻的光合作用产生显著影响。前人综合统计了酸雨胁迫下67个物种叶绿素含量变化, 认为酸雨每平均下降1个pH单位会使叶绿素含量降低6.7% (Du et al, 2017)。与Fv/Fm类似, 随着酸雨处理时间延长, 其叶绿素a及类胡萝卜素含量也呈下降趋势, 符合先前的研究报告(周原也 等, 2019)。可能是模拟酸雨破坏了色素分子结构, 即卟啉环中的Mg2+被H+取代, 并且造成自由基堆积, 进而使叶绿素分子结构卟啉环双键受攻击而分解; 其次, 在酸雨作用下, 叶绿素合成酶钝化, 致使叶绿素的合成受阻(王春燕, 2017)。
植物细胞内的可溶性糖和可溶性蛋白作为重要的渗透调节物质, 对维持细胞渗透压、稳定细胞膜和原生质体、为其他有机物的合成提供碳架、能量等起到重要作用(Heuer, 2003)。研究发现, 和对照组相比, 模拟酸雨提高了植物体中可溶性蛋白含量, 但降低了可溶性糖含量(卞雅姣 等, 2013; 水德聚 等, 2016)。与之类似, 酸雨处理提高了绿藻可溶性蛋白的含量, 有利于提高细胞渗透势用于抵抗酸雨胁迫, 而绿藻可溶性糖含量在处理过程中下降, 且石莼可溶性糖含量显著高于浒苔, 说明酸雨抑制可溶性糖, 石莼对酸雨的耐受性大于浒苔。
SOD、POD、CAT作为活性氧清除系统的重要保护酶, 对维护细胞的完整性、保护细胞膜系统起到重要作用。与先前的研究结果一致, 模拟酸雨处理提高了绿藻POD活性, 但显著抑制了SOD和CAT活性(廖源林 等, 2015; 徐晓婷 等, 2016; 张银 等, 2020)。可能是模拟酸雨使藻体细胞内环境pH值和原生质等电点降低, 进而使酶活性偏离其最适pH, 同时改变了酶的带电性质和底物电离状况或破坏了酶结构, 使酶活性钝化(齐泽民 等, 2004), 进而对史氏刚毛藻、刺松藻、浒苔、石莼等绿藻产生了不良影响。
一定程度上, 植物固有的生理特性表明, 生理特性越相似的物种其在进化树上越相近。本研究中, 随着模拟酸雨pH值降低及处理时间延长, 史氏刚毛藻、刺松藻、浒苔、石莼生理特性各异。2013年《中国海藻志》将绿藻按照形态、结构进行了分类(丁兰平 等, 2013)。史氏刚毛藻为分枝丝状体, 细胞壁厚, 最外层为几丁质, 为刚毛藻属绿藻。史氏刚毛藻相较于其他绿藻对模拟酸雨表现出较强的耐受性, 这可能是因为其较为发达的细胞壁与几丁质外壳为其抵抗模拟酸雨胁迫作出了一定贡献。刺松藻呈树枝状, 藻体海绵质, 由富含汁液的呈棍棒状囊体紧密排列组成皮层, 形成一连续的外栅状层, 属于刺松藻属绿藻。刺松藻对酸雨的耐受性仅次于史氏刚毛藻, 其藻体内富含的汁液及紧密排列的藻体结构或许也为其良好的耐酸性提供支撑。浒苔为单层细胞组成的细长中空管状, 如浒苔、肠浒苔; 石莼为双层细胞组成的片状, 如石莼、孔石莼。 Hayden根据系统发育进化树中Enteromorpha (浒苔属)与Ulva (石莼属)相互交叉分布将二者合并为一属, 即Ulva属(Hayden et al, 2003), 但本研究发现, 浒苔、石莼抵抗酸雨胁迫不如前两者, 并且石莼耐酸性大于浒苔, 与以往根据系统发育进化树将二者并为石莼属的研究结果不同(Hayden et al, 2003; 姜芳燕 等, 2018)。本研究支持“浒苔、石莼为两种不同的属”这一结论。可能是因为大多数石莼是由双层细胞组成的膜状体, 藻体相对短厚, 细胞壁比较发达, 但浒苔一般为单层细胞组成中空管状体, 藻体相对长薄, 因此浒苔对酸雨胁迫的耐受性比石莼弱。
此外, 在模拟酸雨处理过程中, 史氏刚毛藻、刺松藻、浒苔、石莼分布的区域生态可能也是造成不同绿藻耐酸性差异的原因之一。史氏刚毛藻表现出较强的耐酸性, 这可能是因为其分布在高潮带, 经常遭受不良环境影响, 对环境变化的适应力强。对石莼和浒苔而言, 石莼大多分布在高中潮带岩石或石沼, 较长时期暴露在光温等环境剧烈变化的条件下, 对于模拟酸雨的响应表现为较强的耐受性; 浒苔一般分布在低潮带泥沙滩岩石或中低潮带石沼中, 对于模拟酸雨的响应与石莼有差别, 耐受性较差。研究指出酸雨在一定程度上导致温州潮间带生物多样性的减少, 致使该地区珊瑚属占主导地位, 长此以往将会导致整个生态系统生产力的衰退(Gao et al, 2016)。然而对于潮间带大型藻类而言, 除酸雨胁迫外, 盐度、温度、光照、失水等也时常是潮间带大型海藻所经历的巨大环境变化的原因之一, 因此多重胁迫下近岸海域大型海藻的生态群落组成变化将是研究海洋生态环境恶化的一个新视角。

4 结论

研究表明, 模拟酸雨抑制8种绿藻的Fv/Fm, 但探讨不同处理时间条件下绿藻的响应机制以pH 4.5的模拟酸雨作为胁迫方法比较适宜。pH 4.5的模拟酸雨提高绿藻可溶性蛋白的含量及SOD、POD活性, 但抑制了色素含量、可溶性糖含量和CAT活性, 并且随着处理时间延长愈加明显。PcoA结果显示, 史氏刚毛藻、刺松藻、2种浒苔、4种石莼分别聚类在一起。此外, 史氏刚毛藻相对于其他绿藻对模拟酸雨胁迫具有更好的耐受性, 和2种浒苔相比, 4种石莼对模拟酸雨胁迫具有更好的耐受性。

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