光照強(qiáng)度對孔石莼生長和藻體化學(xué)組成的影響

王巧晗,董雙林,田相利,王 芳,董云偉,張 凱

(中國海洋大學(xué) 教育部海水養(yǎng)殖重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 266003)

光是植物賴以生存的能量來源。光照強(qiáng)度對植物的生長、光合作用和物質(zhì)代謝均有調(diào)控作用[1]。在對高等植物的研究中發(fā)現(xiàn),適當(dāng)?shù)墓庹諒?qiáng)度能夠促進(jìn)植物細(xì)胞的分裂、組織器官的分化、花芽的增加和果實(shí)的成熟[2]。在水生植物光生態(tài)的研究中發(fā)現(xiàn),光照強(qiáng)度是造成單細(xì)胞藻類種群變動和生化組成變化的主要因素[3],并能調(diào)節(jié)單細(xì)胞藻類在水層中的垂直移動[4]。單細(xì)胞藻類經(jīng)歷光照條件短期惡化后恢復(fù)正常光照,其生長和生化組成會出現(xiàn)超補(bǔ)償生長現(xiàn)象[5,6]。同時(shí),光照強(qiáng)度也能改變潮間帶海藻的形態(tài)[7,8],調(diào)節(jié)大型海藻在潮間帶的分布位置[9],是海藻幼體發(fā)育和生活史完成的關(guān)鍵環(huán)境因子之一[10]。

海洋植物不僅能夠?qū)⑺械年懺礋o機(jī)物(主要是N、P)轉(zhuǎn)化為有機(jī)物、貯存能量,并且,藻類能夠?yàn)樯鷳B(tài)系統(tǒng)中消費(fèi)者和分解者提供適宜的環(huán)境,并對海洋生物修復(fù)作用具有積極意義[11]?？资?Ulva pertusa)是我國分布較廣的一種綠藻,在適宜的季節(jié)通常能夠成為潮間帶的優(yōu)勢種海藻。在孔石莼營養(yǎng)動力學(xué)和克生生物學(xué)的研究中發(fā)現(xiàn),這種綠藻不僅可以快速地吸收水體中的營養(yǎng)鹽,而且可以有效地抑制有害單細(xì)胞藻類的發(fā)生[12～16],提高養(yǎng)殖產(chǎn)品的產(chǎn)量、存活率和餌料系數(shù)[17]。

光對孔石莼生理生態(tài)學(xué)影響的研究,僅見于光照強(qiáng)度與孔石莼光合作用速率之間的關(guān)系[18],光照強(qiáng)度對孔石莼生物量積累的調(diào)節(jié)、以及不同光照強(qiáng)度對孔石莼藻體化學(xué)組成的影響尚未見系統(tǒng)的研究。作者通過對較大光照強(qiáng)度范圍內(nèi)潮間帶無性繁殖系孔石莼生長和藻體化學(xué)組成的研究,以期為潮間帶海藻對多變光照條件的適應(yīng)機(jī)制提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),并為無性系孔石莼的利用提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 材料

孔石莼(U.pertusa)由日本東北大學(xué)的Akira Taniguchi 教授提供。

1.2 實(shí)驗(yàn)前預(yù)培養(yǎng)條件

實(shí)驗(yàn)前將孔石莼培養(yǎng)于無菌環(huán)境中[19],培養(yǎng)溫度為 20 ℃,鹽度為 30.0,光暗周期為 12 h：12 h(L：D),光照強(qiáng)度為10 000 lx。

實(shí)驗(yàn)用海水經(jīng)過脫脂棉和三層篩絹過濾后煮沸。海水的 pH 值和鹽度分別調(diào)節(jié)至 8.3～8.5和30.0±0.1。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和培養(yǎng)條件

用面積為1.42 mm2的打孔器選取健康、靠近葉片邊緣、分生速度快的由同一片藻培養(yǎng)獲得的圓形葉片。為減少葉片損傷對實(shí)驗(yàn)的影響,實(shí)驗(yàn)前將葉片在20 ℃、200 μmol/(m2·s)下暫養(yǎng) 24 h 以上隨機(jī)選入各處理組。實(shí)驗(yàn)中溫度為20℃,光暗比L：D=12：12,用f/2營養(yǎng)液培養(yǎng),每天全量更換培養(yǎng)液。實(shí)驗(yàn)共有8個處理,即 2 500、5 000、7 500、10 000、125 000、15 000、17 500、20 000 lx,每處理6重復(fù),每重復(fù)置藻3片。

1.4 生長的測定

各處理持續(xù)培養(yǎng)12 d,每3天稱量一次生物量,計(jì)算相對生長率(RSG),并測定藻葉片最終生物量,計(jì)算干濕比。相對生長率的計(jì)算公式如下：RSG=[ln(Wt/W0)t]×100%,其中W0為初始藻的鮮生物量(g),Wt為實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)藻的鮮質(zhì)量(g),t為實(shí)驗(yàn)持續(xù)的時(shí)間(d)。

1.5 生化組成的測定

在實(shí)驗(yàn)的最后一天測定藻的葉綠素 a(Chl-a)和葉綠素 b(Chl-b)、游離脯氨酸(Pro)、蛋白質(zhì)(P)和可溶性糖(C)的含量,并計(jì)算蛋白質(zhì)/可溶性糖(P/C)的含量。葉綠素a采用丙酮萃取法[20]; 蛋白質(zhì)采用考馬斯亮藍(lán)法測定,以牛血清白蛋白作為標(biāo)準(zhǔn)[21]; 可溶性糖采用蒽酮法測定,以蔗糖作為標(biāo)準(zhǔn)[22]; 游離脯氨酸采用茚三酮顯色法,以 L-脯氨酸作為標(biāo)準(zhǔn)[23]。以上指標(biāo)均以鮮物質(zhì)測定。

1.6 化學(xué)成分的測定

于實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)對藻體干物質(zhì)N、C、H元素含量,采用元素分析儀測定。

1.7 數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用 SPSS11.0軟件經(jīng)單因素方差分析,結(jié)果差異顯著后進(jìn)行多重比較(Duncan)。以P＜0.05作為顯著標(biāo)準(zhǔn)。為了取得方差齊性和近于正態(tài)分布,百分?jǐn)?shù)和比率經(jīng)過反正弦轉(zhuǎn)換后進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果

2.1 光照強(qiáng)度對孔石莼生長的影響

從圖1可見,在實(shí)驗(yàn)初始階段(3 d),孔石莼的相對生長率具有隨著光照強(qiáng)度的增加而增加的趨勢,但在實(shí)驗(yàn)的第6天,光強(qiáng)超過17 500 lx時(shí)孔石莼的相對生長率卻明顯下降,直至實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí),其相對生長率一直維持在相對較低的水平。

光照強(qiáng)度高于17 500 lx時(shí),實(shí)驗(yàn)超過6天后,藻體葉片的局部產(chǎn)生了色素變淡或色素缺失的現(xiàn)象,之后開始潰爛,并產(chǎn)生大小不等的潰斑。

圖1 不同光照強(qiáng)度下孔石莼的相對生長率Fig.1 The relative growth rates (RSG) of U. pertusa at different light intensity

2.2 光照強(qiáng)度對孔石莼生化組成的影響

不同光照強(qiáng)度對孔石莼生化組成的影響見表 1。光照強(qiáng)度對孔石莼葉綠素a(Chl-a)、葉綠素b(Chl-b)、蛋白質(zhì)(P)、可溶性糖(C)以及游離脯氨酸(Pro)的含量都有顯著的影響(P＜0.05)。葉綠素a和葉綠素b的含量都有隨著光照強(qiáng)度的增加而減小的趨勢。蛋白質(zhì)含量在不同光照強(qiáng)度下變化不明顯(P＞0.05),但也有隨著光強(qiáng)增加而減小的趨勢。可溶性糖的含量在12 500 lx以上時(shí)隨著光照強(qiáng)度的增加而逐漸增高。游離脯氨酸的含量在12 500 lx以下隨著光照強(qiáng)度的增加而減少,但當(dāng)光照強(qiáng)度大于17 500 lx時(shí),其含量顯著增高。

表1 不同光照強(qiáng)度下孔石莼的生化組成Tab.1 Effects of different light intensity on the proximate biochemical composition of U. pertusa

2.3 光照強(qiáng)度對孔石莼化學(xué)組成的影響

光照強(qiáng)度對孔石莼化學(xué)組成的影響見圖2、圖3和圖4。從圖中可見光照強(qiáng)度在2 500～15 000 lx范圍內(nèi),隨著光照強(qiáng)度的升高,藻體的 N元素含量有所升高,但光強(qiáng)達(dá)到17 500 lx后,隨著光強(qiáng)的增加,N元素含量反而降低; C元素的含量在2 500～15 000 lx范圍內(nèi)變化不明顯,但當(dāng)光照強(qiáng)度達(dá)到17 500 lx后,C元素的含量明顯升高; H元素的含量在 2 500～20 000 lx范圍內(nèi),具有隨著光照強(qiáng)度增加而增加的趨勢。

圖2 光照強(qiáng)度對孔石莼N元素含量的影響Fig.2 Effects of different light intensity on nitrogen of U.pertusa

圖3 光照強(qiáng)度對孔石莼C元素含量的影響Fig.3 Effects of different light intensity on carbon of U.pertusa

圖4 光照強(qiáng)度對孔石莼H元素含量的影響Fig.4 Effects of different light intensity on hydrogen of U.pertusa

3 討論

本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,光照強(qiáng)度對孔石莼的生長具有顯著影響(圖1)?？资荒軌蛟? 500～15 000 lx光強(qiáng)范圍內(nèi)生長,在10 000～15 000 lx范圍內(nèi)孔石莼的相對生長率顯著高于其余各處理。

總的來看,孔石莼能夠適應(yīng)的光照強(qiáng)度范圍比較廣,這可能與其所處的生態(tài)環(huán)境密切相關(guān)。潮間帶的光照強(qiáng)度變化劇烈而復(fù)雜,因此生活在潮間帶的海藻,在經(jīng)歷光照大幅度變化過程中,對光的適應(yīng)性也變得更強(qiáng),其生理生態(tài)學(xué)特征也向更利于適應(yīng)光照強(qiáng)度多變的方向發(fā)展。但是過低或過高的光照強(qiáng)度能夠抑制孔石莼的生長,甚至破壞其光系統(tǒng)、產(chǎn)生細(xì)胞防御物質(zhì)。本實(shí)驗(yàn)中,光照強(qiáng)度低于5 000 lx時(shí),孔石莼的相對生長率明顯降低。在較低光照強(qiáng)度范圍內(nèi)隨著光照強(qiáng)度的降低藻體葉綠素的含量反而增加,這種現(xiàn)象在其他海藻中也普遍存在,各學(xué)者將葉綠素增加的原因歸于海藻對低光強(qiáng)的適應(yīng),即在較低光照強(qiáng)度下,海藻通過補(bǔ)償性的增加光合色素來彌補(bǔ)光照不足而引起的光能利用率低和生長緩慢等問題[24],同時(shí)有的學(xué)者認(rèn)為這種反應(yīng)受到了光敏色素的誘導(dǎo)[25]。當(dāng)光照強(qiáng)度過強(qiáng),超過17 500 lx時(shí),孔石莼的生長同樣受到阻礙,并且在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到第6天時(shí),17 500 lx和20000 lx處理組藻體開始潰爛,產(chǎn)生了大小不等的潰斑,光強(qiáng)越強(qiáng)則潰爛情況越嚴(yán)重,且這兩個處理的植物防御物質(zhì)游離脯氨酸的含量明顯增加(P＜0.05),看來,過高的光照強(qiáng)度對藻體產(chǎn)生了一定的傷害,對藻體產(chǎn)生了光抑制。

光照與水生植物生長和生化組成的關(guān)系一直受到很多學(xué)者的重視。對單細(xì)胞藻類的研究中發(fā)現(xiàn)：在一定的光照強(qiáng)度范圍內(nèi),單胞藻具有隨著光強(qiáng)的提高而碳水化合物含量增加、蛋白質(zhì)含量下降的趨勢[24,27]。本研究發(fā)現(xiàn),光強(qiáng)在15 000 lx以下時(shí)孔石莼蛋白質(zhì)的含量也有隨著光強(qiáng)而減小的趨勢,但是可溶性糖含量的變化趨勢卻不明顯。

大型海藻組織中的氮庫主要由無機(jī)氮庫、蛋白質(zhì)氮庫和非蛋白質(zhì)類可溶性氮庫(葉綠素等)組成[28]。本文中氮元素含量的變化趨勢與可溶性蛋白質(zhì)和葉綠素含量的變化趨勢恰好相反,因此推斷氮元素含量的變化與可溶性蛋白質(zhì)和葉綠素含量變化的關(guān)系不大,可能主要來自于無機(jī)氮庫的變化。在光照強(qiáng)度為15 000 lx以下時(shí),孔石莼體內(nèi)氮元素的含量有隨著光照強(qiáng)度的增加而增加的趨勢,當(dāng)光強(qiáng)超過15 000 lx時(shí),氮元素的含量逐漸降低,這種趨勢同孔石莼的生物量積累的趨勢也比較吻合,從而進(jìn)一步證明了適宜的光照條件更有利于孔石莼對無機(jī)氮的吸收。同時(shí),光照強(qiáng)度對孔石莼無機(jī)氮庫的影響,仍然需要不同光照強(qiáng)度下孔石莼營養(yǎng)吸收動力學(xué)的研究來提供更為直接的理論依據(jù)。

[1]Korbee N,Figueroa F,Aguilera J.Effect of light quality on the accumulation of photosynthetic pigments,proteins and mycosporine-like amino acids in the red algaPorphyra leucosticte(Bangiales,Phodophyta) [J].Journal of Photochemistry and Photobiology B:Bilolgy,2005,80：71-78.

[2]Küster A,Schaible F,Schubert H.Light acclimation of photosynthesis in three charophyte species[J].Aquatic Botany,2004,79：111-124.

[3]莊樹宏,Sven H.光強(qiáng)和光質(zhì)對底棲藻類群落影響Ⅱ.群落和種群的動態(tài)和適應(yīng)模式[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2001,21：2057-2066.

[4]Duarte P.A mechanistic model of the effects of light and temperature on algal primary productivity[J].Ecological Modelling,1995,82：151-160.

[5]劉寧寧,段舜山.蛋白核小球藻在光脅迫下的超補(bǔ)償現(xiàn)象[J].生態(tài)科學(xué),2002,21：053-054.

[6]郭羽豐,段舜山,李愛芬,等.四裂藻在光限制脅迫下的超補(bǔ)償生長響應(yīng)[J].生態(tài)科學(xué),23：5-8.

[7]Davison I R,Pearson G A.Stress tolerance in intertidal seaweeds[J].Journal of Phycology,1996,32：197-211.

[8]Darley W M.Algae Biology：a physiological approach(basic microbiology Volume 9) [M].Oxford London Edinburgh,Boston Melbourne：Blackwell Scientific Publications,1982.92-98.

[9]Breeman A M,Gerbaud A.Ecology and distribution of the subtidal red algaAcrosymphyton purpuriferum(J.AG.) Sj?st.(Rhodophyceae,Cryptonemiales) [J].Aquatic Botany,11：143-146.

[10]王偉,林均民,金德祥.藻類的光控發(fā)育[J].植物學(xué)通報(bào),1998,15：31-39.

[11]Hanisak M D.The nitrogen relationships of marine macroalgae [A].Carpenter E J,Capone D G.Nitrogen in the Marine Environment [C].Cambridge：AcademicPress Inc.,1983.

[12]Liu Jingwen,Dong Shuanglin.Comparative studies on utilizing nitrogen capacity between two macroalgaeGracilaria tenuistipitataVar.Liui(Rhodophyta) andUlva pertusa(Chlorophyta)：Ⅰ.Nitrogen storage under nitrogen enrichment and starvation[J]. Journal of Environmental Sciences,2001,13：318-322.

[13]Liu Jingwen,Dong Shuanglin.Comparative studies on utilizing nitrogen capacity between two macroalgaeGracilaria tenuistipitataVar.Liui(Rhodophyta) andUlva pertusa(Chlorophyta)：Ⅱ.Feedback control of intracellular nitrogen pools on nitrogen uptake[J].Journal of Environmental Sciences,2001,13：323-327.

[14]Liu Jingwen,Dong Shuanglin,Liu Xiaoyun,Ma Shen.Response of macroalgaeGracilaria tenuistipitatavar.liui(Rhodophyta) to iron stress[J].Journal of Applied Phycology,2000,12：605-612.

[15]Jin Qiu,Dong Shuanglin.Comparative studies on the allelopathic effects of two different strains ofUlva pertusaonHeterosigma akashiwoandAlexandrium tamarense[J].Journal of Experimental Marine Biol-ogy and Ecology,2003,293：41-55.

[16]Jin Qiu,Dong Shuanglin,Wang Changyun.Allelopathic growth inhibition ofProrocentrum micans(Dinophyta) byUlva pertusaandUlva linza(Chlorophyta)in laboratory cultures[J].European Journal of Phycology,2005,40：31-37.

[17]王吉橋,靳翠麗,張欣,等.不同密度的石莼與中國對蝦的混養(yǎng)實(shí)驗(yàn)[J].水產(chǎn)學(xué)報(bào),2001,25：32-37.

[18]劉長發(fā),張澤宇,雷衍之.鹽度、光照和營養(yǎng)鹽對孔石莼光合作用的影響[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2001,21：795-798.

[19]Guillard R R L,Ryther J H.Studies on marine plankton diatoms：Ⅰ.Cyclotella nana(Hustedt) andDetonula confervaceae(Cleve) [J].Canadian Journal of Microbiology,1962,8：229-239.

[20]Jeffrey S W,Humphrey G F.New spectrophotometric equations for determining chlorophylls a,b,c1 and c2 in higher plants,algae,and natural phytoplankton[J].Biochem Physiol Pflanz BPP,1975,167：191-194.

[21]Bradford M M.A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principles of protein-dye binding[J].Analytical Biochemistry,1976,72：248-254.

[22]Yemm E W,Willis A J.The estimation of carbohydrates in plant extracts by anthrone[J].Biochemical Journal,1954,57：508-514.

[23]Bates L S,Waldren R P,Teare I D.Rapid determination of free proline for water-stress studies[J].Plant and Soil,1973,39：205-207.

[24]劉靜雯,董雙林.光照和溫度對細(xì)基江蘺繁枝變型的生長及生化組成的影響[J].青島海洋大學(xué)學(xué)報(bào),2001,31：332-338.

[25]Lopez-Figueroa F,Niell F X.Red-light and blue-light photoreceptors controlling chlorophyllasynthesis in the red algaPorphyra umbilicalis andin the green algaUlva rigida[J].Physiol Plant,1989,76：391-397.

[26]Harrison W C,Platt T,Lewis M R.F-ratio and its relationship to ambient nitrate concentration in coastal waters[J].Journal of Plankton Research,1987,9：235-248.

[27]李文權(quán),黃賢芒.4種海洋單胞藻生化組成的環(huán)境因子效應(yīng)研究[J].海洋學(xué)報(bào),1999,21：59-65.

[28]McGlathery K J.Changes in intracellular nitrogen pools and feedback controls on nitrogen uptake inChaetomorpha linum[J].Journal of Phycology,1996,31：393-401.