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热带海洋学报 >

2025 , Vol. 44 >Issue 3: 85 - 94

DOI: https://doi.org/10.11978/2024202

海洋生物学

濒临死亡哈德掌状藻沉降行为的时频特征

  • 石天应 , 1, 2 ,
  • 陆家昌 , 2, 3 ,
  • 庄军莲 2, 3 ,
  • 赖俊翔 2, 3 ,
  • 李朗 2, 3
展开
  • 1.广西大学资源环境与材料学院, 广西 南宁 530004
  • 2.广西科学院, 广西海洋科学院, 广西近海海洋环境科学重点实验室, 广西 南宁 530007
  • 3.北部湾海洋产业研究院, 广西 防城港 538000
陆家昌。email:

石天应(1999—), 女, 湖南省长沙市人, 硕士研究生, 从事海洋硅藻沉降研究。email:

Copy editor: 林强

收稿日期: 2024-10-26

  修回日期: 2024-12-04

  网络出版日期: 2024-12-09

基金资助

广西自然科学基金(2025GXNSFAA069768)

收起

Time-frequency characteristics of the sinking behavior in dying Palmeria hardmaniana

  • SHI Tianying , 1, 2 ,
  • LU Jiachang , 2, 3 ,
  • ZHUANG Junlian 2, 3 ,
  • LAI Junxiang 2, 3 ,
  • LI Lang 2, 3
Expand
  • 1. Guangxi University (School of Resources, Environment and Materials), Nanning 530004, China
  • 2. Guangxi Key Laboratory of Marine Environmental Science, Guangxi Academy of Marine Sciences, Guangxi Academy of Sciences, Nanning 530007, China
  • 3. Beibu Gulf Marine Industry Research Institute, Fangchenggang 538000, China
LU Jiachang. email:

Copy editor: LIN Qiang

Received date: 2024-10-26

  Revised date: 2024-12-04

  Online published: 2024-12-09

Supported by

Guangxi Natural Science Foundation(2025GXNSFAA069768)

Fold

摘要

哈德掌状藻(Palmeria hardmaniana)是近岸常见大型浮游硅藻, 其活细胞因为具有沉降行为, 能主动调节自身沉降速度, 所以与死细胞的沉降过程存在明显差异。除了活细胞和死细胞外, 海洋中还存在因为环境胁迫导致的濒临死亡的硅藻细胞, 这类细胞的沉降行为目前尚不清楚。本研究以热处理获得的濒临死亡的哈德掌状藻作为研究对象, 以指数生长期的健康细胞为参照, 通过摄像技术追踪记录这两类细胞的沉降过程, 借助连续小波分析工具提取它们沉降行为的时频特征, 探讨濒临死亡哈德掌状藻细胞沉降行为的特点。结果表明, 热处理导致的濒临死亡的哈德掌状藻细胞光合系统受到严重损伤。较之健康细胞, 热处理细胞具有更快的沉降速度和更远的沉降距离。濒临死亡和健康哈德掌状藻细胞的沉降行为均是一种频率小于400mHz的行为, 这两类细胞的行为在128~400mHz频段存在联系, 推测该频段包含哈德掌状藻的基础沉降行为。濒临死亡细胞的沉降行为是一种高频、高耗能调节行为, 集中发生在300~400mHz; 健康细胞的沉降行为是一种低频、低耗能调节行为, 主要发生在100~350mHz。濒临死亡细胞在观察期间进行了更少的主动调节, 且调节时间更短。

关键词： 哈德掌状藻; 沉降行为; 时频特征; 濒临死亡细胞

本文引用格式

石天应 , 陆家昌 , 庄军莲 , 赖俊翔 , 李朗 . 濒临死亡哈德掌状藻沉降行为的时频特征[J]. 热带海洋学报, 2025 , 44(3) : 85 -94 . DOI: 10.11978/2024202

Abstract

Palmeria hardmaniana, a common large planktonic diatom in coastal waters, shows sinking behavior in its living cells and actively regulates its own sinking rate, which is significantly different from the sinking process of its dead cells. Besides living and dead cells, the ocean also contains diatom cells that are in the process of dying due to environmental stress. The sinking behavior of these dying cells remains unclear. The subject of this study is the sinking behavior of P. hardmaniana on the brink of death obtained by heat treatment, with healthy cells in the exponential growth phase serving as the reference. To explore the characteristics of the sinking behavior of dying P. hardmaniana cells, this study tracked and recorded their sedimentation process using videography and employed continuous wavelet analysis to extract the time-frequency characteristics of their sinking behavior. The results show that the heat treatment severely damaged the photosynthetic system of the dying P. hardmaniana cells, leading to faster sedimentation velocities and longer sedimentation distances compared to the healthy cells. The sinking behaviors of both the dying and healthy P. hardmaniana cells fall within the frequency range below 400 mHz. There is a correlation between the behaviors of these two types of cells in the frequency range of 128~400 mHz, suggesting that this range may encompass the fundamental sinking behavior of P. hardmaniana. The sinking behavior of the dying cells is characterized by high-frequency, high-energy regulation, primarily occurring in the frequency range of 300~400 mHz. In contrast, the sinking behavior of the healthy cells is marked by low-frequency, low-energy regulation, predominantly observed between 100~350 mHz. In comparison to their healthy counterparts, the dying cells exhibited fewer active regulatory events and each regulatory event lasted for a shorter duration during the observation period.

Key words： Palmeria hardmaniana; sinking behavior; time-frequency characteristics; dying cells

海洋是地球表面最大的碳库(Boyd et al, 2019)。海洋的储碳机制主要包括微型生物泵、生物泵、碳酸盐泵以及溶解泵, 其中生物泵贡献碳输出量的15%~20%(Ridgwell, 2011, Passow et al, 2012, 孙军 等, 2016)。作为海洋浮游植物主要类群, 硅藻在全球海洋中广泛分布, 贡献约40%的海洋初级生产(Nelson et al, 1995; 高亚辉 等, 2003; Sarthou et al, 2005; Leblanc et al, 2012), 是海洋食物网的基础, 也是生物泵的重要组成部分。硅藻由于具有密度远大于海水的硅壳, 所以较之其他浮游植物类群, 硅藻具有更快的沉降速度, 这使得硅藻沉降在生物泵的储碳机制中发挥重要作用(张萍 等, 2023)。硅藻沉降是硅藻生命历程中的一个重要环节, 对硅藻自身的生长、繁殖、进化具有重要意义。首先, 水柱中光和营养盐等资源具有空间异质性, 硅藻通过沉降调节其在水柱中的位置, 可以有效利用资源, 使种群获得更快的生长速度和更高的存活率(Smetacek, 1985; Raven et al, 2004; 谢文玲 等, 2006)。其次, 死亡、衰老、被病毒侵染或者被寄生的硅藻细胞通常具有更高的沉降速度, 能更快地沉到海底, 从而与健康细胞隔离(Waite et al, 1997; Raven et al, 2004; Font-Muñoz et al, 2019); 这一方面可以减少健康细胞被病毒侵染、被寄生的概率(Waite et al, 1997; Raven et al, 2004; Pelusi et al, 2021), 另一方面也增加了健康细胞匹配的概率, 从而有利于硅藻有性繁殖, 产生健康后代(Font-Muñoz et al,2019)。
浮游硅藻不具有像甲藻一样可以运动的鞭毛, 过去通常认为硅藻的沉降是被动沉降。但近年通过对硅藻死细胞和活细胞沉降过程的追踪比较(O'Brien et al, 2006; Gemmell et al, 2016; Du Clos et al, 2019; Du Clos et al, 2021; Du Clos et al, 2024), 发现大型浮游硅藻可以对瞬时沉降速度进行调节, 在沉降过程中存在主动调节的沉降行为(Lavoie et al, 2020)。大型浮游硅藻的沉降行为需要耗费能量, 在能量耗尽或者能量途径被抑制后, 沉降行为消失(Gemmell et al, 2016; Du Clos et al, 2019)。大型浮游硅藻的沉降行为具有重要生态意义, 它不仅可以迅速地对沉降速度进行调节, 还可以使细胞的扩散层变薄, 从而增加对营养盐的吸收速度(Gemmell et al, 2016)。
活细胞的沉降行为导致大型浮游硅藻活细胞和死细胞沉降过程存在明显差异, 从而对碳沉降的估算造成影响(Zetsche et al, 2012)。当前关于健康细胞的沉降行为对沉降过程的影响已经有了一定的认识。但除了健康活细胞和死亡细胞外, 海洋中还有一类因为自身衰老、极端环境胁迫等原因造成的濒临死亡的细胞, 这类细胞的沉降行为和沉降过程目前尚不清楚(Jiménez et al, 2009; Font-Muñoz et al, 2019, 2021)。哈德掌状藻(Palmeria hardmaniana)是近岸广布种(Garcia et al, 2008), 已经被证明存在沉降行为(Gemmell et al, 2016)。本研究以急性热处理获得的哈德掌状藻濒临死亡细胞为例, 通过摄像技术追踪记录其沉降过程, 从时域和频域上分析其沉降行为, 研究结果将有助于加深人们对大型浮游硅藻濒临死亡细胞沉降行为的理解。

1 材料与方法

1.1 藻类培养

本实验所用哈德掌状藻分离自钦州湾, 以f/2培养基进行培养。培养温度为25℃, 盐度为28‰, 光照强度为100μmol·m-2·s-1。光暗周期设置为12h光照和12h黑暗。培养至指数生长期后进行后续实验。

1.2 濒临死亡细胞的获得和Fv/Fm值测定

本研究中濒临死亡哈德掌状藻细胞通过急性热处理的方法获得。研究开始前先通过预实验确定热处理的温度和时间。然后取指数生长期哈德掌状藻藻液6份, 每份5mL, 以细胞原培养液的滤液稀释到20mL, 吸走不健康细胞后开展实验。健康细胞的挑选标准为: 细胞壁完整、内含物饱满无渗漏、色素体分布均匀且沉降行为活跃。其中3份在50℃的水浴锅中热处理10min, 该处理方法急剧降低细胞的Fv/Fm值, 但并没有降低到0值, 细胞沉降行为依然存在, 直到大约3h后Fv/Fm值降到0值, 沉降行为消失, 细胞完全死亡。另外3份作为对照, 不进行热处理。在进行沉降行为观察前先分别取3mL藻液对热处理细胞和健康细胞的Fv/Fm值进行测定, 其中热处理细胞的Fv/Fm值在快速恢复到室温后再进行测量。Fv/Fm值使用浮游植物荧光仪(Phyto-PAM, Walz, 德国)直接测定, 测量前, 样本先黑暗适应7min。

1.3 无对流系统的构建

当把液体倾倒入容器中时, 容器中的液体会产生扰动, 对硅藻沉降行为的观察造成干扰。为消除这些不利影响, 硅藻沉降行为的观测需要在无对流系统中进行。参照O’Brien等(2006)的方法, 创建盐度梯度水柱, 构建无对流系统。本实验中, 无对流系统由一个透明的长10cm、宽6cm、高20cm的亚克力盒观察仓、一个容积600mL的高盐度(30‰)海水仓和一个同样容积的低盐度(26‰)海水仓组成。硅藻沉降行为的观测在观察仓中进行。高盐度和低盐度海水仓分别置于磁力搅拌器上进行持续搅拌并通过一个带阀门的塑料软管在底部进行连接, 两个容器的海水通过管道连接最终进入观察仓。无对流系统开始构建时, 低盐度水首先被缓慢引入观察仓, 出现液面差后, 高盐度水从底部进入低盐度水并与之混合。这个过程最终在观察仓内形成具有线性盐度梯度的水柱。本研究的无对流系统的详细示意图, 可以参考Du Clos等(2021)的方式进行设计, 实物图如图1所示。
图1 无对流系统装置实物图

Fig. 1 Picture of installed device of non-convective system

1.4 沉降行为的观察

对哈德掌状藻的沉降行为的观测在无对流系统的观察仓中进行, 观察条件与培养条件基本类似, 通过图1最左侧的LED灯管将实验时的光照强度控制为100μmol·m-2·s-1, 实验时的环境温度为25℃。沉降行为的观测记录借鉴Gemmell等(2016)的方法, 通过智能手机(Redmi Note 12)的内置摄像头进行记录, 记录时间为20min。摄像头设置为专业模式, 像素分辨率为2400×1080。视频拍摄前, 使用胶头滴管吸取少量藻液(约0.2mL), 平稳地加入无对流系统的水面, 以减少水滴加入系统中引起液面的扰动, 然后开始拍摄。为避免液面扰动的不利影响, 从藻细胞沉降至水面以下4cm左右开始视频录制。在录制的视频中选取观察位置固定、对焦清晰、沉降轨迹无遗漏的150s视频用于后续分析处理。

1.5 数据分析

使用PotPlayer对视频进行连续图片截取, 截取间隔为每秒1张。利用ImageJ软件的Trackmate插件提取细胞沉降轨迹并计算其瞬时沉降速度。由于视频处理数据量大, 通常在视频处理时选取5个细胞进行追踪分析(Du Clos et al, 2019), 为了提高分析结果的可靠性, 本实验选取10个全程对焦清晰的藻细胞进行沉降行为分析, 每个细胞的截取时间为150s。硅藻行为时频特征的分析参考Sourisseau等(2024)方法进行, 具体的, 本研究通过连续小波变换(CWT)对哈德掌状藻的瞬时沉降速度的数据进行分析, 获得其小波功率谱。Morlet小波在时间和频率之间具有良好的平衡性, 且其形状可以表示哈德掌状藻瞬时沉降速度的数据变化情况, 因此选择Morlet小波作为基函数。通过wcoherence函数画出濒死细胞和健康细胞的小波相干谱图, 并进行相干性、频率范围以及能量范围的统计。参考Grinsted等(2004)的描述, 所有小波分析相关的计算和绘图均在Matlab中进行。具体的实验数据处理流程见图2。濒死细胞和健康细胞之间Fv/Fm值、沉降速度、沉降距离、主动调节的能量、频率的差异通过独立样本t检验进行检验, 显著性水平为5%。
图2 数据处理流程图

Fig. 2 Flow chart of data processing

2 结果

2.1 哈德掌状藻的细胞形态与Fv/Fm值

光学显微镜下观察发现热处理的哈德掌状藻细胞内含物发生了明显聚缩, 但热处理细胞硅壳完整, 镜检也未发现细胞液渗漏(图3a、b)。热处理对哈德掌状藻的光合系统造成了严重损伤, 其Fv/Fm值由健康细胞的0.42±0.07显著降低到0.06±0.02(t-test, P<0.01) (图3c)。
图3 哈德掌状藻濒死细胞和健康细胞的形态及Fv/Fm值

a. 光镜下健康哈德掌状藻细胞环面观; b. 光镜下濒死哈德掌状藻细胞环面观; c. 哈德掌状藻细胞的Fv/Fm值(**表示差异极显著, P<0.01)

Fig. 3 Morphology and Fv/Fm values of dying and healthy P. hardmaniana cells. (a) Girdle view of a healthy P. hardmaniana cell under a light microscope; (b) girdle view of a dying P. hardmaniana cell under a light microscope; (c) Fv/Fm values of the healthy and heat-treated P. hardmaniana cells (** indicates a highly significant difference, P<0.01)

2.2 哈德掌状藻沉降行为的时域特征

150s观察时间内, 哈德掌状藻热处理后濒临死亡细胞的沉降速度和沉降距离显著高于健康细胞(t-test, P<0.01), 10个濒死细胞的瞬时沉降速度和150s内沉降距离的中位数分别为0.13mm·s-1和19.82mm, 而10个健康细胞的瞬时沉降速度和150s内沉降距离的中位数仅为0.03mm·s-1和5.12mm(图4a、b)。哈德掌状藻濒死细胞的瞬时沉降速度范围广泛分布在0.077~0.229mm·s-1之间, 并主要集中在0.096、0.160和0.211mm·s-1处 (图4c), 而健康细胞的瞬时沉降速度主要集中在0.012~0.063mm·s-1。除沉降速度和沉降距离存在显著差异外, 濒死细胞与健康细胞瞬时沉降速度的时间变化曲线也存在明显差异, 较之健康细胞, 濒死细胞瞬时沉降速度的时间变化曲线具有更高的振幅和更丰富的变化(图4d)。
图4 150s观察时间内哈德掌状藻濒死组与健康组藻细胞沉降行为的时域特征

a. 哈德掌状藻濒死组和健康组瞬时沉降速度的箱线图(10个细胞); b. 150s内哈德掌状藻濒死组和健康组沉降距离的箱线图(10个细胞); c. 150s沉降过程中哈德掌状藻濒死组与健康组所有被观察细胞的瞬时沉降速度的分布情况; d. 哈德掌状藻某濒死细胞与某健康细胞瞬时沉降速度随时间变化的曲线图

Fig. 4 Temporal and frequency characteristics of the sinking behavior of P. hardmaniana cells between the dying and healthy groups during the 150 seconds of observation time. (a) Box plot of the instantaneous sinking speed of P. hardmaniana cells in the dying and healthy groups (10 cells); (b) box plot of sinking distances of P. hardmaniana cells in the dying and healthy groups within 150 seconds (10 cells); (c) distribution of instantaneous sinking speed of all observed cells in the dying and healthy groups during the 150 seconds of sedimentation process; (d) curve showing the variations of instantaneous sinking speed over time for a dying cell and a healthy cell of P. hardmaniana

2.3 哈德掌状藻濒死组与健康组沉降行为的时频结果

沉降过程中, 热处理后的濒死细胞沉降行为的主动调节频率更集中, 而健康细胞主动调节行为的频率范围更广(图5a、b)。对观察的10个濒死和10个健康细胞的小波功率谱的统计发现, 虽然统计结果不显著(t-test, P>0.05), 但是濒死细胞每次主动调节行为的持续时间为(15.81±1.96)s, 短于健康细胞的(18.15±1.51)s(图6a、b), 同样, 在150s的观察时间内, 濒死细胞出现了(3.90±0.41)次主动调节行为, 低于健康细胞的(4.90±0.64)次(图6a、c)。濒死细胞沉降行为调节的频率高于健康细胞, 濒死细胞的调节频率主要分布在300~400mHz(图7b、d), 健康细胞沉降行为的调节频率主要分布在100~350mHz, 少部分行为的频率在0~100mHz(图7a、c)。濒死细胞的能量调节范围主要在0.005~0.01mm2·s-2(图7f), 健康细胞主动调节的能量范围在0.002~0.004mm2·s-2, 只有少量行为的调节能量达到了0.006mm2·s-2(图7e), 濒死细胞的能量调节范围约是健康细胞的2.5倍。
图5 哈德掌状藻濒死细胞(b)与健康细胞(a)小波功率谱示例图

白色虚线表示影响锥, 虚线外区域受边缘效应影响, 信号特征的准确性受到影响

Fig. 5 Sample graph of wavelet power spectra for a dying (b) and healthy (a) P. hardmaniana cell. The white dashed line represents the cone of influence (COI) and the area outside of it is subject to edge effects and the accuracy of signal characteristics may be affected

图6 濒死和健康哈德掌状藻细胞沉降过程中行为调节次数及持续时间的统计

a. 所有观察的濒死和健康细胞的所有主动调节行为的持续时间; b. 濒死细胞和健康细胞调节持续时间柱状图(t-test, P>0.05); c. 濒死细胞和健康细胞平均调节次数柱状图(t-test, P>0.05)。数据由10个濒死细胞和10个健康细胞的小波功率谱统计获得

Fig. 6 The number of behavioral regulation events and their duration during the sinking process of dying and healthy P. hardmaniana cells (Data obtained from the wavelet power spectrum statistics of 10 dying cells and 10 healthy cells). (a) Duration of all observed active regulation behaviors in both dying and healthy cells; (b) column for the regulation duration of dying and healthy cells; (c) column for the mean regulation frequency of dying and healthy cells

图7 濒死和健康哈德掌状藻细胞沉降过程中行为调节的频率与能量

a和b分别是10个健康细胞和10个濒死细胞沉降调节行为持续时间与其对应频率中值的散点图; c和d分别是10个健康细胞和10个濒死细胞所有沉降调节行为的频率(mHz)范围; e和f分别是10个健康细胞和10个濒死细胞所有沉降调节行为的能量范围。数据由10个濒死细胞和10个健康细胞的小波功率谱统计获得

Fig. 7 The frequency and power of behavioral regulation during the sinking process of dying and healthy P. hardmaniana cells (Data obtained from the wavelet power spectrum statistics of 10 dying cells and 10 healthy cells). The plots in (a) and (b) representing the duration of sinking regulation and its corresponding median frequency for 10 healthy cells and 10 dying cells, respectively; (c) and (d) showing the range of frequencies (mHz) for all sinking regulation of 10 healthy cells and 10 dying cells, respectively; (e) and (f) presenting the range of power (mm2·s-2) for all sinking regulation of 10 healthy cells and 10 dying cells, respectively.

2.4 哈德掌状藻濒死细胞与健康细胞沉降行为的相位分析

对濒死细胞与健康细胞沉降行为两两随机配对进行相位分析, 获得小波相干谱图(图8)。对这10组随机配对行为的小波相干谱图进行统计, 发现这两类细胞的行为在高频段处存在明显的联系, 即出现正相干、负相干和超前/滞后性的次数随着调节频率的增加而增加, 且这三种联系均在128~400mHz达到最高(图9a)。128~400mHz范围内, 三种关系的相干系数在0.8左右(图9c), 具有强联系。然而, 这两类细胞沉降行为超前/滞后性和负相干关系的持续时间却随着频率的增加而降低(图9b)。
图8 哈德掌状藻濒死细胞与健康细胞沉降行为小波相干谱示例图

箭头向右表示两组信号为正相干, 向左表示负相干, 其余的表示存在超前或者之后的相位差

Fig. 8 Sample graph of wavelet coherence spectrum of sinking behavior in dying and healthy P. hardmaniana cells

图9 10组不重复的随机配对的濒死和健康细胞沉降行为的小波相干谱图统计

a. 不同频率内正相干、负相干和超前/滞后性的统计; b. 不同频率范围内正相干、负相干和超前/滞后性的持续时间; c. 不同频率内正相干、负相干和超前/滞后性的相干系数

Fig. 9 Statistics of wavelet coherence spectra for the sinking behavior of 10 non-repeating random pairs of dying and healthy cells. (a) The statistics of each in-phase, anti-phase and out-of-phase situation at different frequencies; (b) the duration of each in-phase, anti-phase and out-of-phase situation across different frequency ranges; (c) the coherence values of each in-phase, anti-phase and out-of-phase situation at different frequencies

3 讨论

3.1 热处理对哈德掌状藻细胞沉降的影响

小范围的高温胁迫会改变硅藻的物质组成, 比如小于35℃的高温胁迫减少硅藻蛋白质合成(Flanjak et al, 2022), 增加脂质含量(Novak et al, 2019), 并累积甘油和葡萄糖(Scholz et al, 2013), 物质组成的改变将引起硅藻密度的变化, 从而影响沉降速度。高于40℃的高温胁迫则可能导致蛋白质和酶的变性, 对细胞造成严重损伤甚至导致热死亡(Rosenberg et al, 1971; 魏静 等, 2020)。在50℃热处理10min后, 哈德掌状藻细胞的生理状态发生改变, 细胞内含物聚缩(图3a、b), 细胞的Fv/Fm值显著下降(t-test, P<0.01, 图3c), 这表明藻细胞的光合系统遭到了严重破坏, 光合作用效率下降(Tan et al, 2019; Li et al, 2021), 细胞无法通过光合作用获取能量(Lin et al, 2016)。
硅藻通过光合作用获得能量, 这些能量有一部分被大型浮游硅藻用于控制藻细胞在水体中的上浮和下沉(Waite et al, 1992; Lavoie et al, 2016; Du Clos et al, 2019; Lavoie et al, 2020; Petrucciani et al, 2023)。硅藻的沉降速度随着光合作用受到抑制而增加(Tan et al, 2019; Li et al, 2021), 当细胞的Fv/Fm值下降时, 光合效率降低, 细胞获得的能量减少, 没有足够的能量主动降低细胞密度并上浮, 从而引起细胞沉降速度的增加。本研究对哈德掌状藻进行热处理, 在其Fv/Fm值显著降低后其沉降进行观测, 发现热处理细胞的沉降速度和沉降距离约是健康细胞的4倍(图4a、b)。而Gemmell等(2016)的研究发现热致死细胞的沉降速度和沉降距离大约是正常细胞的15倍。这表明本研究中50℃热处理10min不会导致哈德掌状藻细胞马上死亡, 热处理细胞仍然具有沉降调节能力。硅藻细胞可以敏锐感知周围环境变化(Uwizeye et al, 2021; Sourisseau et al, 2024), 光合作用受限时硅藻会控制沉降速度, 延长细胞在高光区的停留时间(Raven et al, 2014; Lavoie et al, 2020)。本研究中热处理使细胞受到严重损伤, 光合系统遭到破坏, 光合能力受限, 但细胞仍可能利用储备的能量对沉降速度做出调整, 抵御快速沉降, 从而使得其沉降速度远小于热致死细胞的沉降速度。

3.2 热处理后濒死细胞与健康哈德掌状藻细胞沉降行为比较

当前, 大型浮游硅藻沉降行为的差异主要通过瞬时沉降速度的时间变化曲线、沉降速度和沉降距离等时域信息进行比较(Gemmell et al, 2016)。实际上, 除时域信息外, 频域上也包含行为的重要信息(Watson et al, 1983; Sourisseau et al, 2024)。本研究通过连续小波分析提取哈德掌状藻沉降行为的时频特征, 发现热处理后的濒死细胞与健康细胞的沉降行为在128~400mHz高频率范围内正相干、负相干和超前/滞后性三种关系的相干系数均在0.8左右(图9a、c), 具有强相干关系。将哈德掌状藻细胞连同其培养液加入观察仓进行沉降行为观测时, 每个细胞沉降行为开始的位置并不一样, 即观察到的每个细胞沉降行为的初始相位不一样。由于初始相位不同, 在进行相位分析时, 两个完全相同的行为也可能存在正相干、负相干和超前/滞后性这三种关系。但这三种相位关系均表示分析的两列数据间存在某种联系(Sourisseau et al, 2024), 也即是说热处理细胞和健康细胞在128~400mHz范围内的行为可能包含哈德掌状藻沉降行为中必不可少的基础性行为。
健康细胞的沉降行为具有广泛的调节频率(100~350mHz), 在观察时间内具有更多的主动调节次数和更长的调节时间(图6a—c, 图7a、c)。相较于健康细胞, 热处理后的濒死细胞沉降行为的调节频率范围更狭窄且主要集中在高频段处(300~400mHz)、行为调节的次数更少, 时间更短但所需要的能量更强 (图6a—c, 图7b、d、f)。与健康细胞比, 热处理细胞增强了350~400mHz的调节, 该频段的行为似乎是热处理导致生理损伤后哈德掌状藻的应激行为。大型浮游硅藻沉降行为是一种耗能过程, 热处理后濒死的哈德掌状藻由于光合系统受损, 能量补充受限, 因此其可能为了节约能量, 减少不必要的频率调节, 而集中在高频调节。高频的沉降行为虽然更加耗能, 但有助于营养物质的吸收(Bienfang et al, 1982; Karp-Boss et al, 1996; Gemmell et al, 2016; Du Clos et al, 2019; Lavoie et al, 2020), 促进受损细胞的修复。然而由于能量得不到有效补充, 同时细胞储存的能量有限, 所以哈德掌状藻高频调节的时间和次数会减少。

4 结论

本文从时频角度对急性热处理后濒临死亡的哈德掌状藻沉降行为和健康哈德掌状藻沉降行为的差异进行研究和分析。实验将哈德掌状藻放置在50℃水浴锅中进行热处理, 导致哈德掌状藻光合系统遭到严重破坏。通过沉降行为观察总结出以下结论: 热处理后濒死的哈德掌状藻细胞具有更快的沉降速度和更远的沉降距离。热处理后的濒死细胞与健康细胞的沉降行为在128~350mHz范围内存在强联系。与健康细胞不同, 热处理获得的濒死细胞沉降行为的调节频率更高, 频段范围更狭窄, 沉降过程中每次调节的持续时间更短, 调节的次数更少, 但更耗能。

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序
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