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Journal of Tropical Oceanography >

2025 , Vol. 44 >Issue 2: 137 - 146

DOI: https://doi.org/10.11978/2024119

Marine Biology

Observation of the fertilization process of Sargassum hemiphyllum var. chinense J. Agardhon Naozhou Island and a preliminary study on the optimal growth conditions for the juvenile sporophyte

  • YANG Wencheng ,
  • XIE Enyi ,
  • LIN Kun ,
  • GUO Youyou ,
  • WANG Huihui ,
  • CHEN Chunli ,
  • XIN Rong ,
  • CUI Jianjun
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  • Fisheries College of Guangdong Ocean University, Zhanjiang 524088, China
CUI Jianjun. email:

Copy editor: YIN Bo

Received date: 2024-06-04

  Revised date: 2024-07-02

  Online published: 2024-07-09

Supported by

National Key Research and Development Program of China(2022YFD2401303)

2023 Major Science and Technology Research and Launch Project of Ningbo City(2023Z118)

Fold

Abstract

Sargassum hemiphyllum var. chinense J. Agardh is an economic seaweed widely distributed along the coast of the South China Sea. To investigate the sexual reproductive characteristics and the feasibility of artificial seedling propagation of this brown macroalga, this study employed optical microscopy to examine the morphological features of the thallus, male and female receptacles, and the early developmental stages of fertilized eggs in S. hemiphyllum var. chinense from Naozhou Island. The results revealed that the mature thallus of this Chinese variant exhibited a yellow-brown hue with a height of 0.8 to 1 m. It exhibited dioecious traits and possessed discoid holdfasts composed of repetitive bifurcations. The female receptacles were yellow-brown and cylindrical, adorned with numerous surface spines, measuring (0.46 ± 0.05) mm in diameter and (2.50 ± 0.67) mm in length. Conversely, the male receptacles were lighter in color, adopting a rod-like morphology, with a diameter of (1.01 ± 0.18) mm and a length of (9.21 ± 2.36) mm. Eggs released from the female structures exhibited an eight-nucleate one-egg configuration, either ellipsoidal or oval, with an outside diameter of (76.32 ± 10.11) μm. Following ovulation, these eggs adhered to the female structures awaiting fertilization. Sperms released from the male structures were pear-shaped, measuring (27.52 ± 5.43) μm in length and equipped with flagella. At the post-fertilization stage, the majority of fertilized eggs detached from the receptacles, affixing to substrates and undergoing early developmental processes. Within six hours, these fertilized eggs underwent their initial transverse division, subsequently progressing through multiple transverse and longitudinal divisions, and ultimately culminating in the development of landmine-shaped sporophytes within 24 hours, with primary fronds emerging after 28 days. Additionally, this study investigated the indoor use of suitable artificial substrates for the germination of sporophytes and the effect of temperature on the S. hemiphyllum var. chinense growth. Results indicated that, after seven days of culture, the mesh curtain yielded a germination rate of (7.25 ± 3.64) sporophytes per cm2, measuring (1.38 ± 0.35) mm in sporophytes’ length. Additional indoor suspension culture experiments revealed a 90% survival rate of sporophytes at the optimal temperature of 25℃, with a thallus growth rate of 90.1 μm·d−1, significantly outperforming other temperatures. These findings provide valuable preliminary data on which to base further studies of the early development and large-scale artificial seedling propagation of S. hemiphyllum var. chinense, thereby facilitating the rapid establishment of natural Sargassum habitats in coastal regions and contributing to the swift rehabilitation of China’s nearshore marine ecosystems.

Key words： Sargassum hemiphyllum var.chinense J. Agardh; sexual reproduction; growth; morphological characteristics

Cite this article

YANG Wencheng , XIE Enyi , LIN Kun , GUO Youyou , WANG Huihui , CHEN Chunli , XIN Rong , CUI Jianjun . Observation of the fertilization process of Sargassum hemiphyllum var. chinense J. Agardhon Naozhou Island and a preliminary study on the optimal growth conditions for the juvenile sporophyte[J]. Journal of Tropical Oceanography, 2025 , 44(2) : 137 -146 . DOI: 10.11978/2024119

马尾藻广泛分布于温带及热带沿海地区, 隶属于不等鞭毛门(Heterokontophyta), 棕色藻亚门(Ochrophytina), 褐藻纲(Phaeophyceae), 墨角藻目(Fueales), 马尾藻科(Sargassaceae)(Guiry, 2024)。目前中国记录的马尾藻物种有130余种, 占世界的 38.24%, 中国特有种64种, 占世界的 18.82%, 约124种马尾藻分布于我国的南海海域(黄冰心 等, 2013)。马尾藻藻体富含丰富的蛋白质、脂肪酸、矿物质等营养物质, 既可用于食品加工, 又可作为优质饲料(姜森颢 等, 2017)。另外, 马尾藻可作为生物吸附器净化水体(Saldarriaga et al, 2020), 并在构建海藻场及维持海洋生态系统中, 发挥重要作用(Phillips, 1995; Yu et al, 2012)。
受全球气候变化和人类活动等影响, 马尾藻野生种群资源正在逐年减少(Terawaki et al, 2003; Yu et al, 2012)。自然条件下, 马尾藻一般以固着器(假根)进行营养繁殖, 因受气候、水文环境等影响, 野生马尾藻的有性繁殖率在下降(王惠 等, 2019)。因此, 有必要开展马尾藻的有性生殖研究, 为其规模化人工栽培、海藻场的增值及保护打下基础。有关马尾藻的有性生殖和人工栽培方面的研究已有较多报道。孙立伟等(2015)研究了亨氏马尾藻(S. henslouianum)的有性生殖过程和温度对早期发育的影响, 发现20℃时雌生殖托排卵数最高, 25℃为幼孢子发育的适宜温度; 曾昭钧等(2024)在24℃下培育围氏马尾藻(S. wightii)幼孢子体, 发现幼孢子体在24h左右形成假根, 经一个月后可长出4片叶片; 邢珊珊等(2016)在实验室内以布帘为附着基, 培养出了2cm的匍枝马尾藻(S. polycystum)幼苗, 转至海区挂养后可生长到7cm, 验证了匍枝马尾藻半人工育苗的可行性; 孙建璋等(2008)筛选出石头、水泥片为铜藻(S. horneri)人工采苗的最佳附着基。
半叶马尾藻(S. hemiphyllum)自然分布较广, 北起日本列岛南部至朝鲜半岛、黄海、渤海沿岸, 南至南海及北部湾(Tseng et al, 1985)。半叶马尾藻在中国存在变种, 主要生长于低潮线附近及1m以下的岩石或岩沼(曾呈奎, 2000)。有关半叶马尾藻中国变种的研究主要集中在野外种群分布特征(向玉哲, 2022)、成熟期的藻体形态特征(田淑娴 等, 2014)、周年生长情况(曲元凯 等, 2015), 其有性生殖过程及幼孢子体萌发、生长条件等研究则相对较少, 我们对半叶马尾藻中国变种的成熟藻体、雌雄生殖托、雌雄生殖细胞进行了观察, 记录了雌雄生殖细胞的受精过程及早期发育特征, 然后对幼孢子体早期萌发和生长适宜条件进行初步探索, 以期研究半叶马尾藻中国变种的繁殖和发育过程。

1 材料与方法

1.1 试验材料

成熟的半叶马尾藻中国变种于2023年4月采集自广东省湛江市硇洲岛海区(110°37′07′′E, 20°52′29′′N)。采集后的藻体低温(4℃)运至广东海洋大学藻类实验室, 用毛刷和灭菌海水清除藻体表明浮泥及杂质后, 在温度25℃、光照 40μmol·m-2·s-1、盐度30‰的条件下, 暂养于藻类培养室, 供后续试验使用。

1.2 试验方法

1.2.1 形态学特征和幼孢子体早期发育过程观察

从藻类暂养室中选取完整的成熟藻体20株, 采用目测和数码拍照相结合的方式, 观察并记录半叶马尾藻中国变种藻体的颜色、株高、主枝、分枝、固着器和气囊的形状。随机抽选雌雄藻体, 统计第二分支上生殖托的数量并对生殖托的形状、大小等特征进行观察记录。随机挑选雌、雄性生殖托各60个, 阴干处理后分别获取卵细胞和精子。通过显微镜观察, 记录卵细胞和精子的释放特征、细胞形状和后期发育过程; 拍摄显微照片, 测量卵细胞和精子的大小。同时, 将获取的部分卵细胞和精子混合, 通过有性生殖, 获得受精卵; 将受精卵转移至培养皿中, 在水温25℃, 光照强度15μmol·m-2·s-1, 盐度30‰的条件下培养, 采用荧光正置显微镜(Olymps BX53, 日本), 每日观察受精卵的发育过程并拍摄显微照片, 记录幼孢子体早期发育各时期的典型特征。

1.2.2 幼孢子体附着基的筛选

从藻类暂养室筛选出成熟的雌雄半叶马尾藻中国变种各30株, 阴干处理至触摸生殖托有明显黏腻感时, 剪取雌雄生殖托并按照数量比5∶1一同放入盛有灭菌海水的塑料水箱(20L)中, 在上述条件下培养2d后, 放入灭菌的牡蛎壳、布帘、铝板、塑料板和水泥砖, 作为附着基放入箱底, 进行室内附着基筛选试验, 各材质附着基的大小均为20cm × 20cm, 各附着基均做3个平行, 培养周期为30d。采用连续变倍体视荧光显微镜(Nikon SMZ18, 日本)观察附着基上幼孢子的附着情况; 从不同附着基上随机挑选10个面积为50mm2的区域, 计算区域中幼孢子苗的密度, 并测量其长度。

1.2.3 温度对幼孢子体生长的影响

从上述布帘上筛选并取下健康、生长状态良好的幼孢子体(长度0.2cm) 60株, 每20株转移到含有无菌海水的500mL圆底烧瓶中, 分别充气悬浮培养于20℃、25℃、30℃ 3个温度梯度下, 每个梯度设置3个平行组, 每3d更换一次营养液。在光照强度60μmol·m-2·s-1、盐度30‰、光周期12L∶12D条件下连续培养2周, 每7d统计各温度梯度幼苗的存活数量, 用于计算幼孢子体的成活率。同时从各温度梯度下随机挑选5株健康幼苗记录幼苗的长度和叶片数量, 幼苗长度用于计算幼苗的生长速率(k)。
$ \text { 幼苗生长速率的计算公式：} k=\frac{L_{n}-L_{1}}{\Delta t}$
式中: L1为初始测量的幼苗长度(单位: mm), Ln为第n天测量的幼苗长度(单位: mm), Δ t为2次测量之间的天数。

1.3 数据处理

试验数据采用SPSS20和origin 2018分别进行数据分析和绘图, 结果以平均值 ± 标准差(mean ± SD)表示, 通过单因素方差分析(One Way ANOVA)比较试验组间的平均值, 当显著性P < 0.05时, 认为组间差异具有显著的统计学意义, 使用Turkey法进行多重比较。

2 结果

2.1 硇洲岛半叶马尾藻中国变种成熟藻体、雌雄生殖托形态特征观察

硇洲岛半叶马尾藻中国变种成熟藻体呈黄褐色, 株高0.8~1m (图1a), 具有盘状固着器, 固着器由重复二叉组成(图1b)。主枝呈圆柱状, 主枝断面呈椭圆形。主枝上生出1~3个第一分支, 第一分支上生出8~13个第二分支。第一分支叶片接近卵形, 第二分支叶片为不对称半叶形, 叶片扁平呈肉质, 边缘有齿牙, 无叶脉(图1d)。第二分支上长有气囊, 气囊为倒卵形, 顶端钝圆, 气囊囊柄较细, 部分气囊顶端边缘有翼状部分(图1c)。
图1 硇洲岛半叶马尾藻中国变种外形特征

a. 藻体外观; b. 固着器; c. 气囊; d. 叶片

Fig. 1 Morphological characteristics of S. hemiphyllum var. chinense J. Agardh collected from Naozhou Island. Morphological features of the whole plant (a); holdfasts (b); air vesicles (c); fronds (d)

半叶马尾藻中国变种为雌雄异株, 雌雄藻体的生殖托均发生于第二分支的叶腋处, 单条存在或排列成总状(图2a)。硇洲岛半叶马尾藻雌性生殖托长度为(2.50 ± 0.67)mm, 直径为(0.46 ± 0.05)mm; 雄性生殖托长度为(9.21 ± 2.36)mm, 直径为(1.01 ± 0.18)mm; 雄性生殖托的长度大于雌性(图3)。雌性生殖托棘突较多, 棘突呈总状排列(图2b), 表面生殖窝较大, 其中有卵子; 雄性生殖托少见棘突, 多呈棒状(图2b), 表面生殖窝孔较小, 其中为精子囊。雌雄藻体的分支数量基本相同, 但雄生殖托总数(74.17 ± 12.69)个, 多于雌性生殖托(56 ± 4.08)个(表1)。当生殖托发育成熟并开始放散生殖细胞时, 雌性生殖托表现为表面窝孔增大, 有卵子排出并黏附于生殖托上(图2c); 雄性生殖托的窝孔也增大, 窝孔中有包含精细胞的黏液排出, 在显微镜下表现为生殖托表面出现白色的点状附着物(图2d)。
图2 硇洲岛半叶马尾藻中国变种成熟生殖托外观

a. 成熟藻体(上雌下雄); b. 雌雄生殖托(左雌右雄); c. 挂卵的成熟雌性生殖托; d. 排精的成熟雄性生殖托

Fig. 2 Morphological features of mature receptacles of S. hemiphyllum var. chinense J. Agardh from Naozhou Island. The mature plants (above: female; below: male) (a); the receptacles (left: female; right: male) (b); eggs adhered to the female receptacle (c); sperms released by the male receptacle (d)

图3 硇洲岛半叶马尾藻中国变种雌、雄生殖托长度

Fig. 3 The length of female and male receptacles of S. hemiphyllum var. chinense J. Agardh from Naozhou Island

表1 硇洲岛半叶马尾藻中国变种第二分支上生殖托数量、长度和直径

Tab. 1 The number, length and diameter of the receptacles from the second lateral branches of S. hemiphyllum var. chinense J. Agardh from Naozhou Island

性别 第二分支生殖托总数/个 生殖托长/mm 生殖托直径/mm
雄性 74.17 ± 12.69 9.21 ± 2.36 1.01 ± 0.18
雌性 56 ± 4.08 2.50 ± 0.67 0.46 ± 0.05

2.2 硇洲岛半叶马尾藻中国变种雌雄生殖细胞及幼孢子体早期发育观察

雌雄生殖托经阴干刺激后, 快速释放卵细胞和精子。卵细胞的整个释放过程持续3~5d, 集中释放于第一天, 单个雌托每次排卵量为50~200个; 卵细胞形状为椭球型或卵圆形, 细胞质呈黄褐色, 直径为(76.32 ± 10.11)μm; 刚排出的卵只有一个卵核, 为单核体卵(图4a)。在随后6h内, 卵核进行减数分裂, 依次出现二核体卵、三核体卵、四核体卵, 直至分裂成为八核体卵(图4b~4d), 分裂过程具有非对称减数分裂特点; 刚释放的卵细胞不会立即脱落, 而是黏附在生殖托上等待受精, 暂养条件下卵细胞可以保存3d左右, 5d之后生殖托上未受精的卵细胞发黑死亡。雌性生殖托上可同时存在多个时期的卵细胞, 也可能存在受精卵或幼孢子体, 这是由于卵细胞受精不同步所致。雄性生殖托成熟时间与雌性生殖托同步, 雄性生殖窝内形成椭圆形精子囊, 精子囊母细胞第一次分裂为减数分裂, 在囊内产生许多精细胞, 经过阴干处理后生殖托触感发黏, 表明此时生殖窝中已有精子随黏液排出; 精细胞呈梨形(图4f), 内含黄褐色色素体, 长度为(27.52 ±5.43)μm, 具两条侧生鞭毛(图4e), 可游向卵细胞与之结合; 精细胞的释放也是连续性过程, 暂养的5d中, 雄性生殖托每日都有排精现象, 未与受精卵结合的精细胞, 1d后便会破裂死亡。
图4 硇洲岛半叶马尾藻中国变种的卵细胞和精细胞

a—d. 单、三、四、八核体卵; e. 刚放散时的精细胞(①、②为鞭毛); f. 精细胞

Fig. 4 The eggs and sperms of S. hemiphyllum var. chinense J. Agardh from Naozhou Island. (a)-(d) The eggs with one, three, four, and eight nuclei; (e) the newly released sperms (① and ②: flagellum); (f) sperms

半叶马尾藻中国变种的卵细胞与精细胞结合成功后形成受精卵, 受精卵大小形状和卵细胞近似, 但细胞中看不到明显的细胞核(图5a)。受精卵会附着在生殖托上或脱落后继续发育成胚孢子, 又称幼孢子体。暂养7d后, 将水体过滤可获得大量受精卵, 其中混杂有少数未受精的卵细胞和幼孢子体。将受精卵转移到培养皿继续培养, 约6h后观察到受精卵开始第一次横分裂(图5b), 随后不断进行横分裂和纵分裂(图5c), 约24h后受精卵经过多次横分裂和纵分裂细胞体数达到16个或32个, 形成地雷状的幼孢子体(图5d)。幼孢子体较窄的基部会发出假根, 假根形态为透明管状, 其中含色素体。假根一旦萌发便迅速增长, 2d后其长度可超过幼孢子体胞体(图5e)。随着幼孢子体细胞不断分裂增长, 钝圆的胞体向上延伸, 假根则会附着缠绕在周围的附着基上。2周后可长到0.5mm左右成为肉眼可见的幼苗(图5f)。培养28d后, 幼苗出现原生叶片。
图5 硇洲岛半叶马尾藻变种受精卵发育过程

a. 受精卵; b. 第一次横分裂后的受精卵; c. 分裂中的受精卵; d. “地雷状”幼孢子体; e. 萌发出假根的幼孢子体; f. 幼孢子体幼苗

Fig. 5 The early development of zygotes of S. hemiphyllum var. chinense J. Agardh from Naozhou Island. (a) Zygotes; (b) first division of zygotes across the longer axis; (c) zygotes after several divisions; (d) the landmine-shaped juvenile sporophytes formed after multiple divisions; (e) the sporophytes that geminated rhizoids; (f) juvenile sporophyte germlings

2.3 硇洲岛半叶马尾藻中国变种幼孢子体附着基的筛选

经过室内培养2d, 观察发现铝板和塑料板上没有幼孢子体附着, 牡蛎壳、水泥砖和布帘上有幼孢子体附着, 7d后牡蛎壳和布帘上均发现由幼孢子体附着发育而成的幼苗(图6a, 6b), 水泥砖上虽有幼孢子体附着, 但未见有幼苗萌发。继续培养一个月后, 布帘上的幼孢子体的密度和长度分别达到(7.25 ± 3.64)indiv.·cm-2和(1.38 ± 0.35)mm, 显著大于牡蛎壳上(P < 0.05)(图6c, 6d)(表2)。
图6 硇洲岛半叶马尾藻变种幼苗成功萌发的附着基

a. 牡蛎壳上附着的幼孢子体; b. 布帘上附着的幼孢子体; c. 一个月后贝壳上的幼苗; d. 一个月后布帘上的幼苗

Fig. 6 Attachment materials for successful germination of S. hemiphyllum var. chinense J. Agardh from Naozhou Island.

(a) Juvenile sporophytes attached to the oyster shells; (b) juvenile sporophytes attached to the curtain; (c) the 30 days’ germlings on the oyster shell; (d) the 30 days’ germlings on the curtain

表2 硇洲岛半叶马尾藻中国变种不同附着基幼孢子体附着和幼苗生长情况

Tab. 2 The attachment of juvenile sporophytes and growth of germlings for different attachment materials in the S. hemiphyllum var. chinense J. Agardh from Naozhou Island

基质 幼孢子体附着 幼苗长度/mm 幼苗密度/(indiv.·cm-2)
牡蛎壳 有 0.92 ± 0.34a 3.20 ± 2.15a
布帘 有 1.38 ± 0.35b 7.25 ± 3.64b
铝板 无 — —
塑料板 无 — —
水泥砖 有 — —

注: —表示无幼苗存活; 不同小写字母表示组别之间差异显著(P < 0.05)

2.4 温度对硇洲岛半叶马尾藻中国变种幼苗生长的影响

硇洲岛半叶马尾藻中国变种幼苗悬浮培养的适宜温度为25℃, 在该温度下培养14d后, 幼苗存活率和生长速率最高, 分别达到90%和90.1μm·d-1 (表3), 显著高于20℃和30℃ (P < 0.05); 同样在25℃条件下,幼苗长度和叶片数量随培养时间延长而增加, 在第14天达到最大值, 分别为(3.36 ± 0.80)mm和(4.44 ± 1.09)个(图7), 大于20℃条件下幼苗的长度[(2.81 ± 0.64)mm]和叶片数量[(4.13 ± 0.99)个]。30℃条件下, 幼苗的存活率、生长速率、幼苗长度、叶片数量均为最低值, 显著低于20℃和25℃ (p < 0.05)。
表3 不同温度条件下硇洲岛半叶马尾藻中国变种幼苗培养第7天和第14天的存活率和生长速率

Tab. 3 Survival rate and growth rate of Naozhou Island S. hemiphyllum var. chinense J. Agardh germlings on the 7th and 14th days of cultivation under different temperature conditions.

第7天 第14天
20℃ 25℃ 30℃ 20℃ 25℃ 30℃
存活率/% 75 95 55 75 90 40
生长速率/(μm·d-1) -1.4 102.9 -15.7 3.6 90.1 -10.6
图7 不同温度对硇洲岛半叶马尾藻变种幼苗长度(a)和叶片数量(b)的影响

不同小写字母表示组别之间的差异显著(P < 0.05)

Fig. 7 Effects of different temperatures on the germlings’ length (a) and fronds’ number (b) of S. hemiphyllum var. chinense J. Agardh from Naozhou Island Different lowercase letters indicate significant differences between groups (P<0.05)

3 讨论

3.1 硇洲岛半叶马尾藻中国变种的形态学特征

半叶马尾藻中国变种在湛江硇洲岛的繁殖季节为4月中旬到5月中旬, 当地水温24℃~26℃, 此时生殖托发育饱满, 可进行有性生殖; 5月末水温升高至30℃左右, 藻体的生殖托迅速脱落, 到了7月只剩下假根度夏(曲元凯 等, 2015)。马尾藻的早期分类依赖于固着器、主干、分枝、藻叶、生殖托和气囊的形态特征(Agardh, 1889)。Ajisaka等(1997)指出日本列岛、朝鲜半岛和北部湾的半叶马尾藻的叶片要小于中国沿海的半叶马尾藻中国变种, 可以此区分半叶马尾藻和中国变种, Cheang等(2008)通过核酮糖-1, 5-二磷酸羧化加氧酶基因分析鉴定, 证明了半叶马尾藻与半叶马尾藻中国变种在遗传上存在差异。半叶马尾藻中国变种雌雄异株, 成熟时雄性生殖托明显较雌性生殖托更为粗长, 可作为区别雌雄株的依据, 该特点同样存在于羊栖菜、鼠尾藻等马尾藻属海藻中(逄少军 等, 2000; 孙修涛 等, 2010; 曲元凯 等, 2015)。本试验统计的半叶马尾藻中国变种雄性生殖托长度约为雌性生殖托长度的3~4倍, 近似于在瓦氏马尾藻(S. vachellianum)中报道的3倍(韩军军 等, 2016)。其中雌性生殖托约为9mm, 小于田淑娴等(2014)在浙江南麓海域采集到的长度为18mm左右的半叶马尾藻雄性生殖托; 雌性生殖托为2.5mm左右, 长度小于匍枝马尾藻(5~10mm)和亨氏马尾藻(约5mm) (孙立伟 等, 2015; 邢珊珊 等, 2016)。
半叶马尾藻中国变种的生殖细胞具有夜间排放的特点, 阴干处理能够模拟夜间干露环境从而刺激精卵排放, 卵子从雌性生殖托生殖窝中排放后便黏附在生殖托上等待受精。生殖细胞夜间排放和生殖托挂卵现象在同属的羊栖菜(S. fusiforme)、瓦式马尾藻、莫氏马尾藻(S. mcclurei)均有观察到(贾柽 等, 2012; 韩军军 等, 2016; 林立东 等, 2020)。推测因为夜间无阳光直射水温低, 有利于马尾藻生殖细胞的存活, 而挂卵的方式也能够防止卵子飘散, 提高体外受精的成功率。与同属马尾藻类似的还有卵子的形态特征和减数分裂。卵子均为圆球形, 从生殖窝排放后为单核卵, 随后卵核进行非对称减数分裂, 依次形成二核体卵、三核体卵、四核体卵直至八核体卵, 成熟的八核体卵即可进行受精。马尾藻的精细胞因个体小、游动快、释放后迅速在水中放散等特点较难被观察到。本次试验观察到的半叶马尾藻中国变种的精细胞是从雄性生殖托上释放而出的, 其长度约为卵子的三分之一, 具两条侧生鞭毛, 但并未观察到其主动游动的姿态, 推测可能是因为精子失活导致未能游动。半叶马尾藻中国变种的受精卵具有极性, 多次分裂后形成的多细胞的幼孢子体, 之后一端萌发出假根, 另一端伸长形成孢子体幼苗。假根萌发后快速生长, 假根与幼孢子的长度比最大可达3∶1, 大于羊栖菜的1∶1, 与莫氏马尾藻(2∶1 ~ 3∶1)相似(贾柽 等, 2012; 张立宁, 2013)。这可能由于莫氏马尾藻和半叶马尾藻中国变种都生长于风浪较大海湾的低潮带岩石, 较长的假根可增加幼孢子体的附着性能, 有利于抵抗风浪的冲击。

3.2 硇洲岛半叶马尾藻中国变种幼孢子体的人工培育条件

目前, 羊栖菜、鼠尾藻等商业种植的马尾藻仍使用营养繁殖作为苗种获取和数量扩繁的主要手段(张立宁, 2013; 刘玮, 2015)。营养繁殖直接利用假根或上次收割留下的残枝进行栽培繁育, 具有取材简单、生物量增加快等优点, 但所需种苗多依赖于野外采集。野外采集易损坏马尾藻附着在岩礁上的假根, 导致马尾藻资源的流失, 若过度采集则会对天然马尾藻场及周围生境造成不可逆的影响(骆其君, 2002)。另外, 长时间依靠营养繁殖栽培大型海藻可能导致生长性能降低、种质退化等问题(Oliveira et al, 2000; 张立宁, 2013), Chu等(2011)的研究指出马尾藻的有性繁殖和营养繁殖间存在着资源分配的平衡关系, 这种关系有利于藻体适应不同的生态环境。因此, 研究有性生殖并开发人工育苗技术是马尾藻自然种群的扩繁和种植经济效益提高的不可忽视的一环。
马尾藻属海藻的有性繁殖过程中, 通常没有大量散播和选择性附着的特点(赵素芬, 2012)。有研究指出当幼孢子最初附着时, 各种材料之间的差异并不明显, 而在随后的培养过程中, 由于材料的结构不同和化学组成不同, 附着的牢固程度和成活率会显示出差异, 其中水泥制成的附着基上成活率较高(孙建璋 等, 2008; 王惠 等, 2019)。本研究中选用5种不同材质的附着基, 其硬度和表面粗糙度各具代表。结果表明, 硬度最高的塑料板和光滑度最高的铝板均没有幼孢子体的附着, 硬度适中的水泥砖虽有幼孢子体附着, 但其上的幼孢子很快死亡, 并没有长成幼苗。推测是因为水泥砖向环境中释放出了碱性物质, 虽然试验前已经将水泥砖浸泡在无菌海水中一个月, 但残留的碱性物质仍然对幼孢子体的生长造成了影响。牡蛎壳作为天然附着基不存在可能毒害藻体的物质, 粗糙度较大, 幼孢子可以附着在上面并成功发育成幼苗, 于沛民(2007)使用牡蛎壳模型藻礁作为鼠尾藻的附着基, 发现附着效果良好, 密度可达0.2indiv.·cm-2。另外有研究表明, 向水体中施加适度浓度的Ca2+有助于半叶马尾藻中国变种主动积累可溶性蛋白和游离脯氨酸等渗透调节物质, 从而维持叶片的膜结构和功能的稳定性, 提高抗逆性(贺亮, 2017)。而牡蛎壳呈钙质, 选用牡蛎壳作为培养基可增加水中的钙离子含量, 有利于幼苗的附着和健康生长。布帘在5种材质中硬度最低、粗糙度最大。贾柽(2012)指出相较于棕绳苗帘、水泥柱和黄泥砖, 硇洲马尾藻在布帘上附着率最高。本研究中以布帘作为附着基时, 幼孢子体附着效果同样最佳, 且幼苗的长度和密度最高。此外布帘还具有价格便宜、易于搬运和清洁的优点, 可运用于大规模工厂化生产。因此, 人工育苗时可选用牡蛎壳和布帘可作为半叶马尾藻中国变种的附着基。
本研究探索了硇洲岛半叶马尾藻中国变种幼孢子体在悬浮培养的条件下对温度的适应性, 发现幼孢子体生长和存活的最适温度是25℃, 而在30℃下幼孢子体生长停滞、存活率随着培养时间的延长逐渐降低, 21d后死亡过半。向玉哲(2022)研究发现28℃和30℃条件下半叶马尾藻中国变种光合色素含量显著下降, 表明此时藻体正受到高温胁迫; 李爵乾等(2018)也指出半叶马尾藻中国变种生长的适宜温度在20℃~26℃。可见半叶马尾藻中国变种幼孢子体对温度的适应情况与成体相似, 在幼孢子体培育过程中保持25℃左右为宜。Pang等(2009)在室内使用水箱对铜藻幼苗进行了悬浮培养, 3个月后幼苗生长到3~4cm, 其形态大小、叶片数量与本试验结果相似。相比于传统育苗方式, 悬浮培养不需要附苗装置, 不仅节省了占地空间也避免了清洗附苗器带来的工作量, 室内恒温条件下培养可以使幼苗成功度夏, 并且在流动的水体中幼苗可以充分利用光照和营养物质, 有利于马尾藻苗的生长和成活, 具有发展成为马尾藻保种、育苗手段的潜力。

4 结论

硇洲岛半叶马尾藻中国变种为雌雄异株, 雌性生殖托直径为(0.46 ± 0.05)mm, 长度为(2.50 ± 0.67)mm; 雄性生殖托直径为(1.01 ± 0.18)mm, 长度为(9.21 ± 2.36)mm。卵细胞属8核1卵型, 直径(76.32 ± 10.11)μm; 精子呈梨形、长度为(27.52 ± 5.43)μm, 具有鞭毛。受精卵于第6小时开始第一次横分裂, 随后经过数次横纵分裂、于第24小时发育成“地雷状”幼孢子体, 28d后出现原生叶。布帘适宜作为半叶马尾藻中国变种幼孢子体的附着基, 在水温25℃, 盐度30‰, 光照强度15μmol·m-2·s-1的条件下培养30d, 布帘上的附苗密度可达(7.25 ± 3.64)indiv.·cm-2。25℃是半叶马尾藻中国变种幼苗生长的适宜温度, 该温度下藻体存活率为90%, 生长速率为90.1μm·d-1。

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