休眠孢囊作為甲藻有害藻華年際頻發(fā)和地理擴(kuò)散一種關(guān)鍵機(jī)制的研究進(jìn)展*

唐贏中 胡章喜 鄧蘊彥

(1. 中國科學(xué)院海洋研究所 海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)重點實驗室, 青島 266071; 2. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實驗室 海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)功能實驗室, 青島 266071)

休眠孢囊作為甲藻有害藻華年際頻發(fā)和地理擴(kuò)散一種關(guān)鍵機(jī)制的研究進(jìn)展*

唐贏中1,2①胡章喜1,2鄧蘊彥1,2

(1. 中國科學(xué)院海洋研究所 海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)重點實驗室, 青島 266071; 2. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實驗室 海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)功能實驗室, 青島 266071)

過去幾十年, 中國近海有害藻華的發(fā)生頻率持續(xù)升高、規(guī)模和面積不斷增大,使我國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)、漁業(yè)造成了重大損失, 對近岸生態(tài)系統(tǒng)也構(gòu)成了極大威脅。在引起有害藻華的眾多原因中, 甲藻的特殊生活史策略(尤其是形成休眠孢囊)提供了一種關(guān)鍵的機(jī)理。孢囊的形成過程通常伴隨著基因重組, 從而增加了赤潮藻的生態(tài)適應(yīng)性;孢囊具有厚的囊壁, 增加了其對不利環(huán)境條件的耐受性, 也使其免于病原體的感染和捕食者的攻擊; 孢囊的適時萌發(fā)不但為藻華提供了“種源”, 而且它們可通過自然或人為途徑(如船舶壓艙水)傳播, 從而擴(kuò)大了其地理分布。本文從如下幾個重要方面綜述并討論了甲藻生活史和孢囊研究的最新進(jìn)展: ①甲藻生活史的復(fù)雜性和有關(guān)甲藻孢囊概念及歸類的爭議; ②沉積物中孢囊分布圖(cyst mapping)在藻華模型和預(yù)測(報)中的重要性, 以及孢囊分布/豐度與藻華規(guī)模耦合關(guān)系的復(fù)雜性和條件依賴性; ③孢囊形成和萌發(fā)的若干影響因子及其復(fù)雜性和可變性; ④近年來, 分子生物學(xué)技術(shù)和各種組學(xué)手段在甲藻生活史和孢囊研究中的部分應(yīng)用, 特別是植物激素在孢囊形成、萌發(fā)過程中的可能作用。在簡要評述了國際、國內(nèi)有關(guān)研究歷史中的路標(biāo)性成果后, 最后強(qiáng)調(diào)了4個值得重視的研究方向。

有害藻華; 甲藻; 生活史; 休眠孢囊; 孢囊形成; 孢囊萌發(fā); 壓艙水; 沉積物

從20世紀(jì)90年代起, 中國有害藻華的發(fā)生頻率、規(guī)模和面積不斷增大, 對沿海養(yǎng)殖業(yè)、漁業(yè)資源、漁產(chǎn)品質(zhì)量、生態(tài)環(huán)境及人類健康構(gòu)成了重大危害和威脅, 嚴(yán)重影響了沿海經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。例如, 2000～2005年, 中國沿海每年因有害藻華造成的直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)數(shù)千萬元, 其中 2005年東海米氏凱倫藻(Karenia mikimotoi)赤潮對南麂島的養(yǎng)殖魚類造成毀滅性的打擊, 僅此一地的直接經(jīng)濟(jì)損失就達(dá)2000萬元(周名江和于仁成, 2007)。2000年以來, 東海長江口和浙江海域每年都會發(fā)生大規(guī)模東海原甲藻(Prorocentrum donghaiense)赤潮, 面積最高可達(dá)上萬平方千米, 世界罕見(周名江和于仁成, 2007; 張秀芳和劉永健, 2007)。2012年, 我國沿海發(fā)現(xiàn)赤潮73次, 12次造成災(zāi)害, 其中發(fā)生在浙江溫州和舟山的米氏凱倫藻和東海原甲藻混合赤潮造成 400多萬元的損失, 而發(fā)生在福建的 10余次米氏凱倫藻赤潮覆蓋了從泉州到寧德的廣大海域,造成的直接經(jīng)濟(jì)損失超過 20億元(國家海洋局《2012年中國海洋災(zāi)害公報》)。特別值得關(guān)注的是, 在有害藻華發(fā)生頻次、規(guī)模、危害程度逐漸增加的同時, 形成有毒有害藻華的赤潮藻種類數(shù)也在不斷上升, 新的有毒或可能有毒藻類在最近幾年不斷被發(fā)現(xiàn), 如鏈狀亞歷山大藻(Alexandrium catenella, 現(xiàn)名A. pacificum, 譯為太平洋亞歷山大藻)(Zhou, 2010)、劇毒卡爾藻(Karlodinium veneficum)(周成旭等, 2008; Agriculture, Fisheries, and Conservation Department, 2008;王紅霞等, 2011; 徐娜等, 2012)、多環(huán)旋溝藻(Cochlodinium polykrikoides) (余文翎等, 2011)、Azadinium poporum(Gu et al., 2013b)、Takayama xiamenensis(顧海峰等, 2006; Gu et al., 2013e)、雙胞旋溝藻(Cochlodinium geminatum, 現(xiàn)名Polykrikos geminatum)(Qiu et al., 2013), 以及若干從沉積物孢囊萌發(fā)而被發(fā)現(xiàn)和描述的新種(Gu et al., 2013a, 2013b, 2013d, 2013e)。這不僅對盡快探明我國有害藻華發(fā)生和擴(kuò)散的機(jī)制提出了急迫的要求, 也使開展有關(guān)藻華暴發(fā)機(jī)理的研究具有非常重要的科學(xué)與現(xiàn)實意義, 特別是針對那些分布范圍廣泛且造成重大災(zāi)害的種類, 如米氏凱倫藻、東海原甲藻和劇毒卡爾藻。甲藻在近岸海域具有高生產(chǎn)力, 是重要的海洋初級生產(chǎn)者之一, 也是海洋微食物環(huán)(microbial loop)和珊瑚礁共生體系重要的組成者。然而, 過去幾十年來, 由甲藻引發(fā)的有毒有害藻華在世界范圍內(nèi)頻繁暴發(fā)并呈現(xiàn)逐年增加的態(tài)勢, 而且若干藻華種類還表現(xiàn)出向其他國家和地區(qū)擴(kuò)散的趨勢(Heisler et al., 2008; Anderson et al., 2012), 如在全世界幾乎所有重要臨海國家出現(xiàn)的亞歷山大藻(Alexandrium spp.)(Anderson and Wall, 1978; Anderson and Morel, 1979; Smayda, 2007), 在亞(含中、日、韓)洲、美洲、歐洲等地頻繁暴發(fā)赤潮的多環(huán)旋溝藻(Kudela and Gobler, 2012; Tang and Gobler, 2012), 以及在美洲、亞洲、澳大利亞、歐洲都有出現(xiàn)且頻繁暴發(fā)赤潮的鏈狀裸甲藻(Gymnodinium catenatum)(Bolch and de Salas, 2007; Smayda, 2007)。關(guān)于有害藻華為何頻發(fā)且規(guī)模面積逐年擴(kuò)大, 全世界有害藻華生態(tài)學(xué)家公認(rèn)的一個外在原因是全球范圍的水體富營養(yǎng)化(Heisler et al., 2008; Anderson et al., 2012)。然而, 在特定富營養(yǎng)化海域, 某個有害藻種群能夠快速生長形成藻華, 必有其獨特的適應(yīng)策略, 使其能在特定的階段形成競爭優(yōu)勢。對有害赤潮藻的適應(yīng)策略進(jìn)行分析, 是了解有害藻華形成機(jī)制的關(guān)鍵途徑(周名江和于仁成, 2007)。赤潮藻會采取不同的適應(yīng)策略, 包括高生長速率、高營養(yǎng)吸收能力或親和力、混合型營養(yǎng)(Glibert and Legrand, 2006; Stoecker et al., 2006)、依賴性營養(yǎng)(auxotrophy)、特殊營養(yǎng)方式(如對維生素和稀土元素的需求)(Tang et al., 2010)、垂直遷移或水平遷移的行為特征、對極端環(huán)境條件(溫度、鹽度、干燥等)的耐受力、對捕食者和競爭者的毒性效應(yīng)和化感作用等(周名江和朱明遠(yuǎn), 2006; 周名江和于仁成, 2007; Tang and Gobler, 2009a, 2009b, 2010; Anderson et al., 2012)。此外, 還有一類重要策略對有害藻華(特別是甲藻類藻華)的發(fā)生和地理擴(kuò)散具有重要意義, 即藻華原因種的特殊生活史。

1 甲藻生活史、休眠孢囊與有害藻華

所謂生活史(life history, life cycle), 是指藻類細(xì)胞或個體在不同形態(tài)、生理、遺傳狀態(tài),以及時空位置上轉(zhuǎn)換的全過程, 如從浮游到底棲、運動到靜止、光合自養(yǎng)到異養(yǎng)、自由生活到寄生、高代謝到低代謝、無性有絲分裂及伴隨的種群增加、有性融合和與此伴隨的細(xì)胞從單倍體到二倍體甚至多倍體等。生活史過程中的任何一個階段都可能隨種類不同而不同, 且受各種內(nèi)外因素的調(diào)節(jié)和控制。在有性過程中形成的帶有兩根縱鞭毛的運動合子(planozygote)可以因為營養(yǎng)等條件合適而繼續(xù)以營養(yǎng)細(xì)胞方式生活, 甚至通過減數(shù)分裂回到單倍體(N), 或者失去鞭毛、沉入水底, 繼續(xù)發(fā)育為底棲的休眠孢囊(resting cysts)。這種復(fù)雜的生活史從相當(dāng)程度上為此類群在生態(tài)學(xué)上的成功提供了條件(Pfiester and Anderson, 1987)。

在上述復(fù)雜的生活史中, 休眠孢囊的形成(encystment)、在沉積物中的“休眠”(dormancy, resting)和在環(huán)境適宜時的萌發(fā)(excystment, germination)是對甲藻具有重要意義的生態(tài)學(xué)過程。多數(shù)情況下, 休眠孢囊是在環(huán)境條件不利(如低溫和營養(yǎng)缺乏)時通過有性過程形成的, 甲藻細(xì)胞通過配子體的結(jié)合形成二倍體合子, 進(jìn)而通過形態(tài)轉(zhuǎn)化成為不再游動的休眠孢囊(Matsuoka and Fukuyo, 2000; Anderson et al., 2003)。但是, 孢囊的形成過程(包括有性或無性、雌雄同株或異株等)、形態(tài)結(jié)構(gòu)及功能是多樣化的。例如, 針對多株不同來源的鏈狀裸甲藻進(jìn)行的實驗表明, 雌雄同株(homothallism)或雌雄異株(heterothallism)可以同時存在于一個種(Figueroa et al., 2010)。同一個種的不同種群之間的有性結(jié)合還存在相容性(compatibility)的問題(Blackburn et al., 2001; Brosnahan et al., 2010)。例如, 對分離自澳大利亞、日本、西班牙和葡萄牙的21株鏈狀裸甲藻的雜交實驗表明, 不同地理種群間的相容性存在明顯差異, 表現(xiàn)為后代的存活能力及孢囊的休眠期等(Blackburn et al., 2001)。其他種, 如鏈狀亞歷山大藻也出現(xiàn)同樣的情形(Mardones et al., 2016)。但Figueroa和 Bravo(2005)卻發(fā)現(xiàn), 用不同地理來源的G. nolleri單細(xì)胞系進(jìn)行雜交, 兩個種群的遺傳差異越大, 則孢囊的產(chǎn)率和孢囊存活度越高。塔瑪亞歷山大藻復(fù)合種(Alexandrim tamarense species complex)包含5個具有不同地理分布的遺傳類型, 其中有毒的Group I和無毒的 Group III可以雜交, 但后代不能存活(Brosnahan et al., 2010)。雖然最近該復(fù)合種的5個遺傳類型已經(jīng)被分開為 5個種, 上述的Group I和Group III分別描述為A. fundyense和A. tamarense(John et al., 2014), 但不能否認(rèn)這種非相容性可能還存在于其他親緣關(guān)系更近(即無法區(qū)分分為不同種)的不同種群之間。休眠孢囊之外, 甲藻中還普遍存在無性過程產(chǎn)生的“暫時性孢囊”(temporary cyst), 但其生態(tài)學(xué)功能一直存在爭議。Garcés等(2002)發(fā)現(xiàn), 在泰勒亞歷山大藻(A. taylori)藻華暴發(fā)期間, 暫時性孢囊沉入水底的量每天可達(dá)(1.8～4.4)×106cysts/(m2·d), 且在水底至少能存活 4d, 同時其萌發(fā)率也達(dá)(0.9～2.7)× 106cysts/(m2·d), 所以研究者認(rèn)為, 該藻種通過形成暫時性孢囊并儲存于沉積物中以減少種群損失成為一種有利的生態(tài)策略。生活在波羅的海的冷水種Scrippsiella hangoei在置于黑暗條件下5d后失去鞭毛和甲板, 形成“暫時性孢囊”。在暫時性孢囊形成初期, 其細(xì)胞呼吸速率提高達(dá) 10倍以上, 然后降低到幾乎無法檢測, 所以這種暫時性孢囊可通過降低呼吸速率在黑暗條件下長期存活(Rintala et al., 2007)。另外, 一種裸甲藻(Gymnodinium sp.)和波羅的海別什萊藻(Biecheleria baltica)在實驗室純培養(yǎng)條件下可形成能存活 6個月以上的單倍體“休眠孢囊”(Parrow and Kremp, 2008)。2010年以前, 除“暫時性孢囊”外, 還有單層胞壁的“薄壁孢囊”(pellicle, thin-walled cyst)和通過蛻殼(ecdysis)形成也是單層壁的“蛻殼孢囊”(ecdysal cyst)等概念被提出, 它們一般指未經(jīng)有性過程形成、沒有強(qiáng)制休眠期(mandatory dormancy)的孢囊。這3個概念常常被當(dāng)作同義詞使用, Bravo等(2010a)嘗試?yán)逭Z義的混亂, 最后建議統(tǒng)一使用薄壁孢囊(pellicle)。隨后, 考慮到孢囊的多樣性和復(fù)雜性, Bravo和Figueroa(2014)在其綜述中將甲藻孢囊分為 4類, 即無性薄壁孢囊(asexual pellicle cyst)、無性休眠孢囊(asexual resting cyst)、有性薄壁孢囊(sexual pellicle cyst)和有性休眠孢囊(sexual resting cyst), 他們同時提出“resting cyst”與“thick-walled cyst”(厚壁孢囊)同義。但是, 仔細(xì)考察這種歸類法, 并沒有使問題得到解決, 反而使術(shù)語更加混亂, 原因在于其在邏輯上并不自洽, 因為“pellicle、thin-walled、thick-walled”描述的是細(xì)胞形態(tài)結(jié)構(gòu), 而“resting”描述的是功能, 即“dormancy”,而且“resting cyst”長期被當(dāng)作是與“temporary”相對的概念(counterpart)使用, 如果“temporary”所指的是無強(qiáng)制休眠期, 則邏輯上也是自洽的(Tang and Gobler, 2015), 問題僅在于如何對暫時性孢囊給予嚴(yán)格、明確的定義。而且,與曾經(jīng)以為的“底棲階段的細(xì)胞都是不動合子(hypnozygotes, hypnospores)”相反, 不管是無性孢囊還是薄壁孢囊, 抑或是靜止孢囊(quiescent cyst), 都有證據(jù)表明, 它們具有“resting”, 即休眠然后萌發(fā)的功能, 從而都起著種子庫的作用(Pfiester and Anderson, 1987; Garcés et al.,2002; Rintala et al., 2007; Parrow and Kremp, 2008; Steidinger, 2010; Tang and Gobler, 2012, 2015)。當(dāng)然, Bravo和Figueroa (2014)對孢囊進(jìn)行更細(xì)致的分類仍然是對有關(guān)概念發(fā)展有益的嘗試。由于現(xiàn)在研究過的種類還只占甲藻種類的一小部分, 甲藻生活史更多的復(fù)雜性還在不斷被揭示。例如, Tang和Gobler(2012)發(fā)現(xiàn), 多環(huán)旋溝藻(C. polykrikoides)的“暫時性孢囊”與休眠孢囊的孢囊壁都是薄而光滑的, 但一個可判別特征是前者通過孢囊的形態(tài)轉(zhuǎn)化(transformation)萌發(fā), 即細(xì)胞形態(tài)由圓形、無鞭毛、不運動在1d至兩個星期內(nèi)變化為營養(yǎng)細(xì)胞, 而后者在更長的時間內(nèi)(1個月)通過孢囊內(nèi)部的發(fā)育過程(development processes)萌發(fā), 萌發(fā)后的營養(yǎng)細(xì)胞(germling)通過萌發(fā)孔(archaepyle)離開孢囊壁。再如, 通過成像流式細(xì)胞儀、細(xì)胞分選和熒光原位雜交(fluorescence in situ hybridization, FISH)跟蹤微小亞歷山大藻(A. minutum)細(xì)胞 DNA含量和細(xì)胞核的變化發(fā)現(xiàn), 在培養(yǎng)種群內(nèi)同時存在二倍體和單倍體兩個亞種群, 也即有性過程形成的運動合子(planozygote)與單倍體的營養(yǎng)細(xì)胞同時進(jìn)行著有絲分裂且有同樣的晝夜節(jié)律, 只有在營養(yǎng)高度匱乏時, 很少一部分的運動合子才會形成不動合子(hypnozygote)直至休眠孢囊(Figueroa et al., 2015), 這就說明有性融合并不總是與休眠孢囊形成相聯(lián)系。再如, 對某些在開闊大洋生活的甲藻而言, 我們習(xí)見的孢囊種類一旦形成, 由重力作用造成沉降, 將意味著細(xì)胞永遠(yuǎn)離開水體, 所以它們在進(jìn)化過程中形成了新的生活史, 一是其二倍體的孢囊的休眠期大大縮短(即在沉入水底之前萌發(fā)), 如Calciodinellum levantinum, 二是某些種如 Leonella granifera和 Thoracosphaera heimii的整個生活史在水體中完成且不一定有有性和二倍體階段, 而是在其單倍體的營養(yǎng)細(xì)胞階段細(xì)胞鈣化(calcification)(Meier et al., 2007)?？梢? 有關(guān)甲藻生活史和孢囊更加明晰、準(zhǔn)確的概念性定義與分類還有待于更多種類的深入研究。最后, 孢囊若通過有性過程形成, 常常涉及小型化的配子細(xì)胞的相對“探戈式舞蹈”、配對和接合(Fukuyo, 2002)。這種“舞蹈”像許多其他行為模式一樣, 可能涉及細(xì)胞間的通訊和交配相容性的判別。例如, Accoroni等(2014)發(fā)現(xiàn), Ostreopsis cf. ovata同時存在兩種不同的配子交配方式, 而且, 在配子細(xì)胞上錐部(epitheca)似乎存在一個決定或參與交配過程的凸起(process)。在孢囊形成過程中的一系列事件或階段中, 每一步可能都是可逆的, 即配子和合子都可能重新回到營養(yǎng)細(xì)胞狀態(tài)(Figueroa and Bravo, 2005; Figueroa et al., 2006; Tang and Gobler, 2015)。

對于甲藻的有害藻華生態(tài)學(xué)領(lǐng)域, 大多數(shù)時候被人們關(guān)注的還是休眠孢囊, 即能夠長期保存在海洋沉積物中作為種群恢復(fù)的“種子”的孢囊。這是因為: 第一, 對于通過有性過程形成的孢囊來說, 因為有性過程常常伴隨著基因重組, 從而可維持、提高個體及群體的遺傳多樣性, 也因之增加其生態(tài)適應(yīng)性(Bravo and Figueroa, 2014); 第二, 孢囊較厚的壁、休眠的生理狀態(tài), 或許還有組成囊壁的某些特殊有機(jī)物, 如多糖、幾丁質(zhì)等, 可使孢囊免予病毒、細(xì)菌、寄生物和捕食者的攻擊(Bravo and Figueroa, 2014); 第三, 也是由于孢囊多層胞壁的保護(hù)和其“休眠”的生理狀態(tài)(低能耗), 從而能使孢囊在各種極端環(huán)境條件下于底泥中長期保持存活至少經(jīng)過越冬期,有時可存活達(dá)上百年(Lundholm et al., 2011; Ribeiro et al., 2011), 遇到合適的環(huán)境條件,如底泥的擾動后再萌發(fā), 也即為種群的長期延續(xù)保留了種源(Anderson and Wall, 1978; Anderson and Morel, 1979; Hallegraeff and Bolch, 1991; Smayda, 2007; 顧海峰等, 2011; Tang and Gobler, 2012; Bravo and Figueroa, 2014); 第四,因為形成孢囊后一般會蛻去鞭毛和失去運動能力從而沉入水底, 加之一個有性方式形成的孢囊需要兩個營養(yǎng)細(xì)胞, 因而孢囊特別是有性孢囊的形成常常意味著水體中種群的縮小和藻華的衰退(Garcés et al., 2002; 王朝暉, 2007; Díaz et al., 2014); 第五, 最重要的, 休眠孢囊經(jīng)過“休眠期”后在條件合適, 如春夏溫暖季節(jié)(一般為次年)萌發(fā)成營養(yǎng)細(xì)胞回到水體, 從而為新一輪的種群生長甚至藻華起始“接種(inoculation)”(Anderson and Wall, 1978; Anderson and Morel, 1979; Anderson et al., 1983; Anderson, 1989; Matsuoka and Fukuyo, 2000; Bravo and Figueroa, 2014); 第六, 由于孢囊能夠耐受如黑暗、低溫、低氧等極端條件的性質(zhì), 孢囊可以通過船舶壓艙水(或者貝類運輸)從一地轉(zhuǎn)運至另一海域, 從而擴(kuò)大其地理分布(Hallegraeff and Bolch, 1991; Smayda, 2007; Tang and Gobler, 2012, 2015; Bravo and Figueroa, 2014)。由此可見, 休眠孢囊在甲藻的藻華生態(tài)學(xué)中起著十分關(guān)鍵的作用, 也是甲藻整個生活史中的一個關(guān)鍵階段(Anderson and Wall, 1978; Anderson and Morel, 1979; Dale, 2001; Matsuoka and Fukuyo, 2003; Smayda, 2007; Tang and Gobler, 2012, 2015)。另外, 還有越來越多的研究表明, 海洋沉積物中的甲藻孢囊特別是不同時間尺度(甚至地質(zhì)年代尺度)的化石孢囊記錄對認(rèn)識有害藻華暴發(fā)與全球氣候變化及海洋環(huán)境演變, 特別是富營養(yǎng)化和環(huán)境污染的發(fā)展也具有重要的指示意義(Dale et al., 1999; Dale, 2001; Leroy et al., 2013; Liu et al., 2013), 表層沉積物中的孢囊記錄也被用以重建海洋初級生產(chǎn)力、海表水溫、鹽度、硅濃度和其他營養(yǎng)鹽濃度等(Radi et al., 2007)。

沉積物中的孢囊分布和豐度(如鏈狀亞歷山大藻孢囊可達(dá)14 627cysts/cm3)(Mardones et al., 2016)能夠直接影響甚至決定次年赤潮的暴發(fā)及其規(guī)模, 但并不是簡單的線性關(guān)系。Anderson實驗室基于長期特別是過去十幾年連續(xù)的沉積物孢囊分布與豐度調(diào)查數(shù)據(jù), 對緬因灣芬迪亞歷山大藻(A. fundyense)赤潮開展富有成效的預(yù)測模型研究, 發(fā)現(xiàn)孢囊豐度表現(xiàn)出較大的年際變動, 豐度超過300cysts/cm3的“孢囊富集區(qū)(accumulation zones)”的定位, 2009年大的赤潮后孢囊床分布范圍的顯著擴(kuò)大和隨后的消失、秋天的表層 3cm孢囊豐度與次年赤潮規(guī)模和貝毒強(qiáng)度之間較強(qiáng)的正相關(guān)性、應(yīng)用孢囊豐度與分布的數(shù)據(jù)建立預(yù)測次年赤潮規(guī)模的經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷?Stock et al., 2005; He et al., 2008; Anderson et al., 2014)。模型表現(xiàn)了很好的預(yù)測能力, 但有時也可能完全失敗。不過,這些研究推動了其他國家(如西班牙)對藻華種類在沉積物中孢囊的檢測、調(diào)查和以其為基礎(chǔ)的預(yù)測研究。Olli和Trunov(2010)發(fā)現(xiàn), 沉積物中Woloszynskia sp.孢囊的豐度不僅與沉積物的有機(jī)物含量和黏土含量呈顯著正相關(guān), 也與次年藻華的強(qiáng)度(intensity)呈正相關(guān), 雖然其中也有遠(yuǎn)遠(yuǎn)逸出線性關(guān)系的所謂“逸出點(outlier)”。還有現(xiàn)場工作和模型擬合表明, 微小亞歷山大藻的孢囊萌發(fā)率在營養(yǎng)細(xì)胞生長很低或為負(fù)值時, 或者在藻華起始過程中, 對種群增殖起重要作用, 但對處于對數(shù)增長期的種群基本無影響, 而在藻華后期的孢囊形成速率會影響(降低)藻華高峰的細(xì)胞密度, 但不影響藻華持續(xù)時間(Estrada et al., 2010)。他們基于若干不同模型的研究, 強(qiáng)調(diào)需要對生活史不同階段的短期的時序可變性(short-term temporal variability)、物理參數(shù)及種群增長和損失速率的量化(Estrada et al., 2010)。同樣是微小亞歷山大藻, 另一項研究發(fā)現(xiàn), 藻華的規(guī)模與前一年檢測到的沉積物孢囊豐度無關(guān),而且孢囊形成的平均百分比(2%)也與藻華細(xì)胞密度無關(guān)(Cosgrove et al., 2014)。那么, 沉積在孢囊床(seed beds)的孢囊最少需要多少萌發(fā)以達(dá)到足夠的量為一次“藻華接種”？一般認(rèn)為, 這個數(shù)值是很小的, 如淺水海域大概需10個孢囊每平方厘米(Anderson, 1998)或者深而寬闊的海域需 100～1000個每平方厘米(Anderson et al., 2005)。孢囊在沉積物中的分布取決于很多因素, 如一般封閉或半封閉的海灣其豐度較高(Satta et al., 2010)。

生活史轉(zhuǎn)換與藻華周期存在緊密而復(fù)雜的耦合關(guān)系(Steidinger and Garccés, 2006), 我們現(xiàn)在獲得的知識還不允許任何形式的簡單化理解。Steidinger(2010)認(rèn)為, 有3個主要的耦合關(guān)系可用于整合生活史與藻華種及其環(huán)境, 即底棲與水體的耦合關(guān)系(benthic-pelagic coupling)、內(nèi)源與外源反饋環(huán)(endogenous and exogenous feedback loops)、生物與物理的濃縮機(jī)制(bio-physical concentration mechanisms)。浮游植物, 如甲藻、硅藻和其他種類在浮游與底棲和單倍體與二倍體之間的世代轉(zhuǎn)換一般被認(rèn)為是季節(jié)性生存于不同生態(tài)位的一種生態(tài)適應(yīng)機(jī)制, 而這種轉(zhuǎn)換的觸發(fā)因素可能是溫度、光照、震蕩、水流剪切力、營養(yǎng)、細(xì)胞密度、內(nèi)源或外源的信號分子或營養(yǎng)物質(zhì)甚至氣體(Steidinger, 2010)。Bravo等(2010b)根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果認(rèn)為, 鏈狀裸甲藻的有性生殖是頻繁發(fā)生的, 因此其藻華的發(fā)生不依賴于孢囊的萌發(fā), 但與此相反, 微小亞歷山大藻在近岸低鹽水體同時存在營養(yǎng)細(xì)胞種群和休眠孢囊種群, 每年的藻華復(fù)發(fā)則依賴于孢囊的萌發(fā)接種而不是外海的輸送。Díaz等(2014)在智利內(nèi)陸海對鏈狀亞歷山大藻孢囊-藻華即底棲-水體的耦合關(guān)系的研究發(fā)現(xiàn), 水體中的孢囊密度在藻華密度最高值之后的一個月最高, 但當(dāng)時水體中已沒有營養(yǎng)細(xì)胞; 藻華最高密度之后的3個月, 沉積物中的孢囊豐度達(dá)到最高, 但 3個月之后孢囊豐度只剩下 10%;藻華發(fā)生在相對封閉的內(nèi)海灣, 但孢囊的最大密度卻在更靠近外海的區(qū)域; 綜合分析表明, 藻華發(fā)生頻率與低溫更加相關(guān), 而與鹽度、葉綠素a、捕食者無關(guān)。筆者根據(jù)孢囊豐度的快速衰減認(rèn)為: 孢囊對藻華的發(fā)生可能起的作用很有限的觀點值得商榷, 因為衰減的孢囊豐度去向未知, 并且正如研究本身發(fā)現(xiàn)的, 孢囊的高豐度區(qū)與藻華區(qū)并不重合, 而且為藻華“接種”并不需要很高的孢囊密度(Anderson, 1998)。

使休眠孢囊成為有害藻華生態(tài)學(xué)研究熱點的一個非常重要的原因是發(fā)現(xiàn)休眠孢囊還能通過船舶壓艙水(ships' ballast water)或者其他人為方式, 如貝類的長途運輸從一個海域傳播到另一個海域, 形成外來種或入侵種, 并最終可能形成藻華或者影響被入侵水體的群落結(jié)構(gòu)(Hallegraeff and Bolch, 1991; Smayda, 2007)。Anderson(1989)最早認(rèn)識到有害藻華似乎在世界范圍增加和擴(kuò)散, 隨后澳大利亞塔斯瑪利亞大學(xué) Hallegraeff的實驗室通過對壓艙水底泥中甲藻休眠孢囊的工作, 以翔實的數(shù)據(jù)和事實表明, 壓艙水及其底泥是有害藻華地理擴(kuò)散十分重要的途徑(Hallegraeff and Bolch, 1991; Hallegraeff, 1993)。例如, 在一個水艙的底泥中就可檢測到幾十種甲藻孢囊,僅塔瑪亞歷山大藻一種的孢囊就可達(dá) 3億個(Hallegraeff and Bolch, 1991)。鏈狀裸甲藻和若干種亞歷山大藻是現(xiàn)已被廣為接受、通過這種方式傳播到世界很多地區(qū)并形成有毒有害藻華的兩個典型例證(Bolch and De Salas, 2007; Smayda, 2007)。通過形態(tài)學(xué)、同位素測定和分子生物學(xué)手段, 鏈狀裸甲藻和塔瑪亞歷山大藻被令人信服地推斷是 100多年前通過木材運輸船從日本或東南亞國家傳入澳大利亞水體的(Bolch and De Salas, 2007; Smayda, 2007)。關(guān)于甲藻孢囊與壓艙水傳播的關(guān)系, Harmful Algae的前主編T. Smayda說過: “那些被認(rèn)為可以通過壓艙水傳播的種類, 無一例外的都是產(chǎn)孢囊(子)的?！?Smayda, 2007)。由于壓艙水在生物入侵方面的可能危害和海上運輸?shù)娜找嬖黾? 國際海事組織(The International Maritime Organization)2004年2月發(fā)布了一個關(guān)于船舶壓艙水和其艙泥的控制與管理的國際準(zhǔn)則International Convention for the Control and Management of Ships' Ballast Water and Sediments, 現(xiàn)正等待有足夠的簽約國家和地區(qū)背書后生效(現(xiàn)在背書的國家和地區(qū)已夠合約要求但船舶總噸位不夠,見http://www.imo.org/home.asp)。

2 關(guān)于甲藻生活史和休眠孢囊研究的歷史

對甲藻孢囊的研究, 在20世紀(jì)60年代由Evitt首先肯定了沉積物中孢囊對應(yīng)于水體中活的甲藻(Evitt, 1961, 1967; Evitt and Davidson, 1964), 隨后伍茲霍爾海洋研究所的Wall和奧斯陸大學(xué)的Dale等通過萌發(fā)試驗證明所謂的孢粉粒(hystrichospore)萌發(fā)后就是甲藻(Wall et al., 1967; Wall and Dale, 1968), 這引發(fā)了很大轟動和廣泛的研究興趣。此后, Dale、Wall和 Anderson等的開創(chuàng)性工作證明, 沉積物中亞歷山大藻孢囊就是水體中營養(yǎng)細(xì)胞種群的“種子庫”, 孢囊的萌發(fā)即是為藻華接種和起始的過程(Dale, 1977; Anderson and Wall, 1978; Anderson and Morel, 1979; Anderson et al., 1983), 這成為有害藻華生態(tài)學(xué)領(lǐng)域里程碑式的成就。20世紀(jì)80年代初以來, 日本科學(xué)家Fukuyo和Matsuoka各自或合作的眾多細(xì)致工作為甲藻生活史研究和使領(lǐng)域內(nèi)認(rèn)識到孢囊在有害藻華生態(tài)學(xué)中的重要性做出了巨大貢獻(xiàn), 如孢囊與營養(yǎng)細(xì)胞形態(tài)學(xué)的比較與相互關(guān)系, 某些種類孢囊的地理分布, 特別是建立孢囊的研究方法(Matsuoka and Fukuyo, 2000)。由于上述的奠基性工作, 針對甲藻生活史和孢囊的研究在過去30多年一直是有害藻華生態(tài)學(xué)研究的熱點領(lǐng)域(Anderson et al., 2003; Matsuoka and Fukuyo, 2003; Garcés et al., 2010; Bravo and Figueroa, 2014)。例如, 2005～2008年, 歐盟和美國 NSF聯(lián)合資助了一個名為SEED的項目, 專門研究有害藻華種類的生活史及其環(huán)境、生理和遺傳調(diào)控因素, 作為其成果, 國際著名期刊Deep Sea Research Part II在2010年出版了一期藻華種類生活史的專刊(Garcés et al., 2010)。該?？赋龅淖钪匾聦嵒蚪Y(jié)論包括嘗試澄清前述有關(guān)概念(Bravo et al., 2010a), 指出生活史各不同階段的轉(zhuǎn)換對種群動態(tài)或動力學(xué)具有深刻意義, 表層沉積物中的孢囊總體(assemblage)代表了一個暫時性的物種多樣性集合(a temporally integrated repertoire), 孢囊“種床”(seedbeds)為藻華的監(jiān)測、研究有害藻華種的地理分布和新物種的外來引入等提供了基準(zhǔn)信息(Olli and Trunov,2010; Satta et al., 2010)。由于每個國家藻華種類、氣候條件、海洋條件、藻華研究發(fā)展水平的巨大差異, 類似的工作如今仍然是國際有害藻華研究領(lǐng)域的重點之一, 如藻華研究領(lǐng)域里唯一專業(yè)期刊 Harmful Algae在 2014～ 2015年發(fā)表的關(guān)于該主題的論文就有 50余篇。而且, 正如本文其他部分所提到的, 早期研究發(fā)現(xiàn)或總結(jié)的任何一個現(xiàn)象、規(guī)律或者“相互關(guān)系”都在新的種類、地域或新的條件下獲得不同程度的證實或者修正, 新的現(xiàn)象和“關(guān)系”還在不斷被發(fā)現(xiàn)。

我國的孢囊研究始于20世紀(jì)80年代末由齊雨藻教授主持的國家自然科學(xué)基金重大項目“中國東南沿海赤潮發(fā)生機(jī)理研究”, 加之后續(xù)的國家自然科學(xué)基金重大項目和“973”項目的支持, 尤其是 90年代末期以來, 對我國近海許多港灣沉積物中孢囊分布的調(diào)查,獲得了許多寶貴的研究成果(Qi et al., 1996;齊雨藻, 2003; 王朝暉, 2007)。在最早的報道中, 通過形態(tài)學(xué)方法, 從南海與東海諸海灣和河口中鑒定了 22種孢囊, 包括有毒藻種塔瑪亞歷山大藻(可能即現(xiàn)在的太平洋亞歷山大藻)、鏈狀裸甲藻、一種旋溝藻和哈曼褐色多溝藻(Pheopolykrikos hartmannii)(Qi et al., 1996)。到2011年, 從中國海域共鑒定出至少25屬67種甲藻孢囊, 包括產(chǎn)貝毒的5種亞歷山大藻和鏈狀裸甲藻(王艷和騰琳, 2006; 王朝暉, 2007; 顧海峰等, 2011; 王艷等, 2012; 邵紅兵等, 2012)。藍(lán)東兆和顧海峰(2014)整理出了北起鴨綠江、南至西沙群島海域沉積物中鑒定的 91種甲藻孢囊。特別是最近幾年, 通過沉積物中孢囊的萌發(fā)并建立純培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)了一系列新種, 如G. microreticulatum、G. inusitatum、S. enormis、Azadinium dalianense(Gu et al., 2013a, 2013b, 2013d, 2013e; Luo et al., 2013)等, 這些成果為進(jìn)一步深入研究提供了重要的背景資料。但已有研究大多是從沉積物中鑒定、計數(shù)已知孢囊種類, 只有很少研究是基于實驗室純培養(yǎng)開展的(Gu et al., 2013a, 2013b, 2013d, 2013e; Luo et al., 2013), 而對中國海域危害最大(爆發(fā)頻次和規(guī)模)的藻華種類, 如米氏凱倫藻、東海原甲藻和劇毒卡爾藻生活史的研究我們還未見到, 在野外也未發(fā)現(xiàn)這些種類的孢囊, 雖然已有一些間接證據(jù)表明它們也可能存在休眠階段即孢囊, 如 Portune(2008)用qPCR方法從美國特拉華州海灣底泥中曾檢測到劇毒卡爾藻的信號。目前, 關(guān)于中國海域甲藻休眠孢囊的了解和認(rèn)識還有大量空白, 有必要開展取樣站點和取樣深度覆蓋更加全面、種類鑒定方法更加先進(jìn)準(zhǔn)確的大規(guī)模調(diào)查:①已有研究大多是根據(jù)已有文獻(xiàn)提供的圖譜對沉積物中孢囊進(jìn)行鑒定和計數(shù), 但文獻(xiàn)報道中常常指出, 新的孢囊因為沒有參照且樣品已固定而不能萌發(fā)而未得到明確鑒定, 幾乎每一個基于形態(tài)學(xué)特征的調(diào)查都有或多或少的種類無法明確鑒定。②已知有些同屬不同種甚至分類關(guān)系更遠(yuǎn)的種類其休眠體的形態(tài)很相似因而被鑒定為同種屬(Garcés et al., 2010)。③營養(yǎng)細(xì)胞個體很小的種類(<20μm)產(chǎn)生的孢囊的個體也必然很小, 在通用的沉積物樣品預(yù)處理中將極易被過大的篩網(wǎng)篩除,即使在處理后樣品中存在一定的豐度, 也因太小不易通過形態(tài)學(xué)方法觀察到。④有些種類,如多環(huán)旋溝藻和紅色赤潮藻的孢囊無厚壁保護(hù)(Tang and Gobler, 2012, 2015), 因而在泥齡較早的沉積物中或豐度低時難以發(fā)現(xiàn)(例如,紅色赤潮藻在中國海域十分常見, 以前的所有野外調(diào)查都未曾觀察、鑒定到該種類孢囊,但最近我們從采自我國海域的沉積物中成功萌發(fā)出其營養(yǎng)細(xì)胞)(Tang and Gobler, 2015),或已失活而不能萌發(fā), 或過于脆弱而在前處理中被破壞。況且, 傳統(tǒng)孢粉學(xué)或化石孢囊學(xué)方法在沉積物的處理過程中會用到鹽酸、氫氟酸和超聲波等處理, 都可能破壞某些胞壁較薄或脆弱的孢囊。⑤有些孢囊因為表面光滑無突出物或個體球形而形態(tài)高度簡單不易辨別,從而在傳統(tǒng)的形態(tài)學(xué)鑒定中被忽略。⑥在漫長的中國海岸線上分布著眾多相對封閉的海灣水體, 其封閉性(物理、水文或鹽度差等)造成了某些浮游植物種類的局域化分布, 甚至發(fā)生一定程度的物種分化(生態(tài)型分化), 而已進(jìn)行的調(diào)查還沒有覆蓋這些區(qū)域。⑦已有調(diào)查大多屬于表層取樣, 因而對于保存在沉積物中關(guān)于我國海域甲藻區(qū)系演變的長期歷史記錄我們還知之甚少, 以至于在判斷新出現(xiàn)的藻華是否是外來物種入侵還是本地種的突然暴發(fā)時無據(jù)可依。⑧近期初步的分子鑒定研究表明, 在我國海洋沉積物中存在為數(shù)不少的孢囊種類還從來沒有被發(fā)現(xiàn)和描述過。尤其是,在現(xiàn)有的約2300種甲藻中(Gómez, 2012), 大概只有約200種被發(fā)現(xiàn)能夠產(chǎn)生孢囊(Matsuoka and Fukuyo, 2000; Anderson et al., 2003), 即只約占10%。一方面, 每年都有新的產(chǎn)孢囊種類從實驗室純培養(yǎng)或野外樣品中被發(fā)現(xiàn); 另一方面, 絕大多數(shù)的甲藻的生活史過程還沒有被研究過(Garcés et al., 2010; Bravo and Figueroa, 2014)。據(jù)此, 有理由相信隨著取樣點在時空兩個方面的擴(kuò)展與分子鑒定方法精確性和全面性的提高, 更多的孢囊種類將被發(fā)現(xiàn), 更準(zhǔn)確的名錄和分布型式(pattern)將得到揭示。在此基礎(chǔ)上, 我們才可能獲得關(guān)于中國海域藻華發(fā)生、擴(kuò)散與生活史、孢囊耦合關(guān)系更深入的認(rèn)識。

3 關(guān)于孢囊形成與萌發(fā)的影響因素

通常認(rèn)為, 孢囊的形成主要是受到外界不利環(huán)境因素的誘導(dǎo), 如溫度、營養(yǎng)鹽、光照、鹽度、生物之間的相互作用等, 其中溫度和營養(yǎng)鹽水平是最重要的兩個因素。

(1)溫度。溫度與浮游植物的生長、繁殖密切相關(guān), 因此一定范圍的溫度可能影響甲藻孢囊的形成。阿博卡氏藻(Calciodinellum albatrosianum)、顆粒里奧藻(Leonella granifera)和 Pernambugia tuberosa能生存的溫度范圍(分別為 12.3～30.4oC、15.5～30.7oC和 13.3～ 32.8oC)較廣, 但發(fā)現(xiàn)僅在較小的溫度范圍(分別為16.1～21.7oC、18.0～24.0oC和22.3～27.6oC)里能形成較多的孢囊(Meier et al., 2004)。斯氏扁甲藻(Pyrophacus steinii)在27oC形成孢囊數(shù)量最多, 較低或較高的溫度除明顯減少孢囊形成外, 對孢囊的大小也有顯著影響(Zonneveld and Susek, 2007)。此外, 溫度升高(在正常培養(yǎng)溫度基礎(chǔ)上增加 3oC)能促進(jìn) S. hangoei和Woloszynskia halophile形成大量的孢囊(Kremp et al., 2009)。與上述幾種藻不同,腰帶多甲藻(Peridinium cinctum)在各種 N、P條件下(如正常添加N和P, 或缺N, 缺P, 或同時缺 N缺 P), 低溫(6oC)和高溫(22oC)均較其他溫度(10～18oC)能明顯促進(jìn)孢囊形成, 似乎孢囊是在低溫或高溫脅迫下形成的(Grigorszky et al., 2006)。

(2)營養(yǎng)鹽。一般認(rèn)為, 營養(yǎng)鹽限制如N、P, 尤其是 N限制或缺乏能促進(jìn)孢囊形成。Pfiester和 Anderson(1987)總結(jié)了 1965～1980年有關(guān)調(diào)控甲藻(包括淡水種和海水種)孢囊形成的研究, 在 14種甲藻中, 有一半甲藻孢囊的形成與營養(yǎng)(主要是 N、P)的耗盡或缺乏密切相關(guān)。營養(yǎng)鹽的缺乏或限制似乎是誘導(dǎo)孢囊形成最有效的途徑。不同N、P營養(yǎng)條件能顯著影響腰帶多甲藻(Peridinium cinctum)孢囊的形成, 相較于添加N、P, 缺N又缺P時孢囊形成率最高, 其次是缺N條件或缺P條件(Grigorszky et al., 2006)。Levanderina fissa在缺N或缺P培養(yǎng)條件下均能形成孢囊, 但在同時缺 N、缺 P的條件下形成孢囊的數(shù)量最多(Shikata et al., 2008)。Figueroa等(2011)發(fā)現(xiàn),微小亞歷山大藻(A. minutum)在缺N或缺P時均能大量形成孢囊, 但缺P較缺N更有利于孢囊形成。然而, 鏈狀裸甲藻(Gymnodinium catenatum)在低 N、P條件下形成的孢囊數(shù)則較缺N、缺P或同時缺N和缺P多(Figueroa etal., 2006b)。錐狀斯氏藻(S. trochoidea)較易形成孢囊, 因此也是孢囊研究最為廣泛的甲藻之一。齊雨藻等(1997)認(rèn)為, N缺乏是誘導(dǎo)錐狀斯氏藻孢囊形成的關(guān)鍵因子, 而磷酸鹽缺乏并不能誘導(dǎo)其孢囊的形成; 而曹宇等(2006)發(fā)現(xiàn), 中度N限制(N: 50～100μg/L, P: 74μg/L)能顯著促進(jìn)該藻孢囊的形成, 其形成率可達(dá)85%～99%。低 NO3–、PO43–和高 NH4+條件能促進(jìn)紅色赤潮藻(A. sanguinea)孢囊的形成(Chen et al., 2015)。事實上, 目前有關(guān)營養(yǎng)限制或缺乏誘導(dǎo)甲藻孢囊的形成關(guān)注的還是環(huán)境中(或者說是細(xì)胞外)的營養(yǎng)條件, 很少有研究去測定接種后培養(yǎng)基中N、P的濃度, 因此細(xì)胞的營養(yǎng)狀態(tài)還不能簡單地根據(jù)外源添加營養(yǎng)的量來判斷。細(xì)胞的營養(yǎng)狀態(tài)取決于環(huán)境中營養(yǎng)的多寡, 但也不完全取決于環(huán)境中營養(yǎng)的含量, 更與細(xì)胞的營養(yǎng)儲存能力相關(guān)。Kremp等(2009)研究了環(huán)境因子、細(xì)胞內(nèi)部營養(yǎng)狀態(tài)與孢囊形成的關(guān)系, 發(fā)現(xiàn)環(huán)境中N的消耗以致隨后引起的細(xì)胞內(nèi)部N脅迫是G. corollarium孢囊形成的主要因素, 對于Woloszynskia halophile來說, N限制誘導(dǎo)該種群轉(zhuǎn)變成小體積細(xì)胞(推測為配子), 但是這個過程并沒有進(jìn)一步發(fā)展形成孢囊, 然而 P脅迫與這 3種甲藻中任何一種孢囊的形成沒有直接聯(lián)系(Kremp et al., 2009)。但是, 在野外和實驗室純培養(yǎng)研究中, 營養(yǎng)充足的條件下, 某些甲藻也能形成大量的孢囊。在A. tamarense藻華后期, 水體中營養(yǎng)鹽含量仍然較高, 卻有大量孢囊形成(Anderson et al., 1983)。實驗室純培養(yǎng)的S. cf . lachrymose在完全的f/2培養(yǎng)基條件下, 其孢囊形成率可達(dá) 100%(Olli and Anderson, 2002)?？梢? 營養(yǎng)條件如何影響孢囊形成是個非常復(fù)雜的過程, 現(xiàn)在還不能做任何簡單的一般性結(jié)論。

(3)光照。光照在浮游植物進(jìn)行光合作用過程起著非常重要的作用, 因此與浮游植物的生長、代謝和繁殖等過程密切相關(guān)。在25～250μE/(m2·s)光強(qiáng)條件下, 斯氏扁甲藻(Pyrophacus steinii)孢囊形成的數(shù)量隨光強(qiáng)的升高而增加, 當(dāng)光強(qiáng)為70μE/(m2·s)時, 形成的孢囊數(shù)量最多, 隨著光強(qiáng)的進(jìn)一步升高, 孢囊形成數(shù)量逐漸降低(Zonneveld and Susek, 2007)。除此之外, 光周期也即光照時間的長短對 S. trochoidea var. aciculifera、Pentapharsodinium tyrrhenicum、Calciodinellum operosum和 S. rotunda孢囊的形成有一定影響(Sgrosso et al., 2001)。

(4)鹽度。鹽度對孢囊的形成也可能產(chǎn)生影響, 但是目前有關(guān)此方面的報道極少。在鹽度為25～45時, 斯氏扁甲藻(P. steinii)孢囊形成的數(shù)量隨鹽度的升高而增加, 當(dāng)鹽度為35時,形成孢囊數(shù)量最多, 隨著鹽度的進(jìn)一步升高,孢囊形成數(shù)量逐漸降低(Zonneveld and Susek, 2007)。但對某些種, 如紅色赤潮藻, 鹽度的改變似乎對孢囊產(chǎn)率完全沒有影響(Tang and Gobler, 2015)。

(5)其他生物的影響。細(xì)菌可以誘導(dǎo)Lingulodinium polyedrum 形成暫時性孢囊(Mayali et al., 2007)。3種有毒藻塔瑪亞歷山大藻、米氏凱倫藻(Karenia mikimotoi)和Chrysochromulina polylepis產(chǎn)生的化感物質(zhì)不僅能對錐狀斯氏藻產(chǎn)生致死作用, 還能誘導(dǎo)其形成暫時性孢囊, 以度過短期的不良環(huán)境條件(Fistarol et al., 2004)。錐狀斯氏藻還能被寄生性甲藻Amoebophrya sp.的存在誘導(dǎo)形成孢囊以逃避寄生甲藻的侵害(Chambouvet et al., 2011)。寄生性Parvilucifera infectans(Perkinsea綱)也可誘導(dǎo)Alexandrium ostenfeldii形成暫時性孢囊(Toth et al., 2004)。Uchida等(2001)認(rèn)為, 增加Levanderina fissa合子(zygote)與其他營養(yǎng)細(xì)胞之間的接觸, 可以促進(jìn)合子進(jìn)一步形成孢囊。

(6)其他因素。細(xì)胞之間的碰撞頻率可能成為孢囊形成的誘導(dǎo)因素, 如Uchida等(2001)發(fā)現(xiàn), 錐狀斯氏藻和條紋環(huán)溝藻(Gymnodiniuminstriatum=Levanderina fissa )在細(xì)胞碰撞少時誘導(dǎo)細(xì)胞分裂, 但碰撞頻率高時則誘導(dǎo)孢囊形成。各種脅迫作用, 如低溫刺激(如放置于冰上)、機(jī)械震蕩(離心)、化學(xué)物質(zhì)暴露(皂角苷和 H2O2等)均能誘導(dǎo)微小亞歷山大藻(A. minutum)形成暫時性孢囊(Haberkorn et al., 2011)。另外H2O2和NO能誘導(dǎo)Lingulodinium polyedrum形成孢囊(Ganini et al., 2013)。

孢囊的萌發(fā)同時受到內(nèi)因和外因的調(diào)控。內(nèi)因主要是指強(qiáng)制休眠期(mandatory dormancy)或者細(xì)胞自身的生物節(jié)律。一般說來, 對于剛剛形成的孢囊, 在生理上能萌發(fā)之前必須經(jīng)歷一段強(qiáng)制休眠期(Kremp and Anderson, 2000)。對于不同的種類來說, 強(qiáng)制休眠期的長短差異較大, 如 12h至 12個月(Pfiester and Anderson, 1987)。對于同一個種,如果保存條件發(fā)生變化, 休眠期的長短也不一樣(Anderson, 1980)。另外, 有些專家認(rèn)為,孢囊休眠期的長短與藻華的出現(xiàn)顯著相關(guān),休眠期長的物種一年內(nèi)只能出現(xiàn)1次或2次藻華, 而那些能在短時間內(nèi)萌發(fā)的種類, 會在一個季節(jié)內(nèi)多次形成藻華(肖詠之等, 2001)。也有根據(jù)野外采得的孢囊進(jìn)行萌發(fā)實驗的結(jié)果表明, 萌發(fā)與否和萌發(fā)多少似乎并不取決于一個強(qiáng)制休眠期(Moore et al., 2015)。但是,所謂“強(qiáng)制休眠期”到底是遺傳上(或基因水平上)真實存在的(真的“強(qiáng)制休眠期”), 還是表觀上存在的一種生理狀態(tài)(即可逆的、可塑的)且更大程度上決定于外部環(huán)境條件還值得深入研究。

當(dāng)孢囊經(jīng)歷了強(qiáng)制休眠期后, 外界環(huán)境條件對萌發(fā)過程就起著更重要的作用。已有研究表明, 溫度是孢囊萌發(fā)最主要的調(diào)控因素(Bravo and Figueroa, 2014; Moore et al., 2015)。但其他因素, 如營養(yǎng)鹽、光照、溶解氧濃度等也具有不同程度的作用(齊雨藻等, 1997; 王朝暉, 2007; Moore et al., 2015)。例如, Mardones等(2016)發(fā)現(xiàn), 鏈狀亞歷山大藻(A. catenella)孢囊萌發(fā)和萌發(fā)后營養(yǎng)細(xì)胞的生長按照影響力順序依次為鹽度、光強(qiáng)、溫度和營養(yǎng)水平。

(1)溫度。首先, 溫度可能影響到孢囊的休眠期。例如, 在4°C休眠的塔瑪亞歷山大藻孢囊需經(jīng)過 4～6個月才能完成生理成熟階段,而在溫暖的環(huán)境中這個過程可縮短至 3個月或更短(Anderson, 1980)。Kremp和Anderson (2000)發(fā)現(xiàn), S. hangoei孢囊在溫度為–0.7°C時的萌發(fā)率為29%, 0.5～4°C時萌發(fā)率為90%以上, 而4～8°C時萌發(fā)率迅速降低, 8°C以上時萌發(fā)過程則被完全抑制了。沉積物中分離的條紋環(huán)溝藻(Gyrodinium instriatum= Levanderina fissa)孢囊在 10～30oC條件下均能萌發(fā), 但是在低溫條件下萌發(fā)時間延長(Shikata et al., 2008)。錐狀斯氏藻、塔瑪亞歷山大藻(A. tamarense)和鏈狀亞歷山大藻(A. catenella)孢囊的萌發(fā)也與溫度密切相關(guān)(顧海峰等, 2003)。Accoroni等(2014, 2015)發(fā)現(xiàn), 有毒甲藻(Ostreopsis cf. ovata)孢囊的萌發(fā)取決于25°C的臨界水溫。但 Moore等(2015)對采自沉積物的亞歷山大藻孢囊在實驗室與采樣點底部水同樣的溫度下萌發(fā)發(fā)現(xiàn), 萌發(fā)率卻與溫度不相關(guān), 而是與水體條件是否適合營養(yǎng)生長相關(guān), 并推測可能存在一個所謂的“次級休眠(secondary dormancy)”, 即外部條件不適合營養(yǎng)生長時, 孢囊不會萌發(fā)。

(2)光照。孢囊的萌發(fā)對黑暗或不同光照水平的反應(yīng)存在顯著差異。Gonyaulax polyedra孢囊需要光照才能萌發(fā), 塔瑪亞歷山大藻、斯氏藻(Scrippsiella sp.)和Gonyaulax verior 3種孢囊有光照時的萌發(fā)率是黑暗條件下的 5～20倍, G. rugosum黑暗與光照條件下都有較高的萌發(fā)率(Anderson et al., 1987)。在一定的光強(qiáng)(如600～7500lx)下, 錐狀斯氏藻孢囊的萌發(fā)率均在 80%～90%, 且高光強(qiáng)(如 7500lx)還可縮短萌發(fā)時間(齊雨藻等, 1997)。顧海峰等(2003)發(fā)現(xiàn), 光照對海洋底泥中采集到的塔瑪亞歷山大藻(A. tamarense)和鏈狀亞歷山大藻(A. catenella)孢囊的萌發(fā)沒有影響。

(3)溶解氧。溶解氧對孢囊萌發(fā)也有一定影響。缺氧條件下, S. hangoei孢囊不能萌發(fā),當(dāng)溶解氧達(dá) 15%～20%飽和度時, 足夠支持孢囊的萌發(fā)。塔瑪亞歷山大藻和鏈狀亞歷山大藻孢囊也需一定的溶解氧才能萌發(fā), 當(dāng)溶解氧低至 0.01mg/L時, 孢囊不能萌發(fā)(顧海峰等, 2003)。但 Rengefors和 Anderson(1998)發(fā)現(xiàn), Ceratium hirundinella孢囊可在嚴(yán)重低氧(5%飽和度)的條件下萌發(fā)且萌發(fā)率與正常氧濃度的對照組無顯著差別。

(4)其他因素。此外, 不同季節(jié)采集的孢囊萌發(fā)的調(diào)控因素也表現(xiàn)出明顯差別, 如Ishikawa和 Taniguchi(1994)發(fā)現(xiàn), 在野外, 斯氏藻(Scrippsiella spp.)在冬天的萌發(fā)受控于低溫, 而在夏季則可能受控于低 DO和孢囊年齡。Moore等(2015)也發(fā)現(xiàn), 亞歷山大藻孢囊是否萌發(fā)很大程度上取決于采樣時水體的環(huán)境是否適合營養(yǎng)生長。

孢囊形成和萌發(fā)過程涉及非常復(fù)雜的調(diào)控因素, 尤其是孢囊的形成過程, 不同種類甲藻的孢囊形成誘因存在很大差異。即使對于同一個種的不同種群和株系, 孢囊形成的誘因也可能不同, 如磷酸鹽限制常導(dǎo)致泰勒亞歷山大藻(A. taylori)形成“暫時性孢囊”, 而硝酸鹽限制則有利于其“休眠孢囊”的形成(Figueroa et al., 2006b)。甚至同一株系的藻培養(yǎng)于同樣條件下, 在一個培養(yǎng)板的不同孔中孢囊形成的多少也有很大差別(Tang and Gobler, 2015)。對有的種類, 如多環(huán)旋溝藻(C. polykrikoides)和紅色赤潮藻, 上述因素固然都可能有影響, 但很難總結(jié)出一般性規(guī)律, 也未找到一個確定以某種方式或方向發(fā)生作用的因素(Tang and Gobler, 2012, 2015)。導(dǎo)致種間或種內(nèi)不同生態(tài)型的孢囊形成控制因素的差異可能是由于種內(nèi)不同種群適應(yīng)策略的特化(Figueroa et al., 2011)。由于迄今為止的大量研究還僅僅限于少數(shù)幾個門類,如亞歷山大藻(Alexandrium spp.)和斯氏藻(Scrippsiella spp.)等, 我們得到的認(rèn)識還很難一般化。只有同時在生理學(xué)水平和分子水平深入研究這些過程中涉及的基因和在轉(zhuǎn)錄、翻譯、代謝水平的調(diào)控, 才可望對孢囊形成和萌發(fā)過程獲得較為全面的認(rèn)識。

4 關(guān)于生活史階段轉(zhuǎn)換、孢囊形成與萌發(fā)的分子機(jī)制

隨著對藻華發(fā)生機(jī)制研究的深入, 在分子水平上對甲藻的研究自20世紀(jì)90年代以來逐漸增多(丁德文等, 2005)。分子手段的最初引入主要集中于利用核糖體大小亞基基因(28S或LSU rDNA、18S或SSU rDNA)的部分序列和兩者之間的轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)(ITS rDNA)序列對孢囊進(jìn)行分子鑒定, 這些工作對準(zhǔn)確鑒定形態(tài)特征不明顯或易混淆, 或低豐度, 或難以培養(yǎng)的異養(yǎng)型甲藻等孢囊種類具有重要價值(Bolch, 2001; Godhe et al., 2002)。另外, 基于特異性寡核苷酸分子探針的熒光定量 PCR和熒光原位雜交等技術(shù)也被較多地用來快速鑒定和檢測自然環(huán)境底泥中的孢囊, 其也為相關(guān)海域藻華的早期預(yù)警提供了手段。隨著高通量測序技術(shù)的革新和普及, 基因組學(xué)及最近這些年蓬勃發(fā)展起來的轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白組學(xué)、代謝組學(xué)在甲藻藻華生態(tài)學(xué)領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用(Anderson et al., 2012; Lin et al., 2015; Murray et al., 2016)。對甲藻不同生理狀態(tài)和適應(yīng)策略涉及的功能基因、代謝通路和分子調(diào)控的研究在進(jìn)入21世紀(jì)以來快速增多。由于甲藻基因組太過龐大(3～245Gb)(Lin, 2011), 有關(guān)研究一般從轉(zhuǎn)錄組而非基因組展開, 涉及的轉(zhuǎn)錄本包括不同的營養(yǎng)狀態(tài)(Morey et al., 2011; Xiang et al., 2015; Cooperet al., 2016)、不同環(huán)境脅迫(Lowe et al., 2011; Guo et al., 2016)、毒素合成(Erdner and Anderson,2006; Uribe et al., 2008; Yang et al., 2010;Jaeckisch et al., 2011; Zhang et al., 2014)、蟲黃藻與珊瑚共生關(guān)系(Rodriguez-Lanetty et al., 2006; Bayer et al., 2012)等。國內(nèi)還有團(tuán)隊直接從蛋白組學(xué)開展有關(guān)功能基因的研究(Wang et al., 2012, 2013a, 2013b), 但所有這些轉(zhuǎn)錄組和蛋白組學(xué)的研究都未涉及與甲藻生活史和孢囊形成、萌發(fā)過程有關(guān)的基因。然而, 2015年廈門大學(xué)林森杰教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊報道了第一個甲藻基因組即, 蟲黃藻(Symbiodinium kawagutii)的基因組(Lin et al., 2015)。這些功能基因序列和注釋信息為今后分析與孢囊形成和萌發(fā)過程有關(guān)的分子機(jī)制提供了重要基礎(chǔ)。目前, 雖然對影響孢囊形成和萌發(fā)的環(huán)境因素的工作已取得重要進(jìn)展, 但對該過程涉及的功能基因只見于極有限的報道。值得特別指出的是, 在這兩種蟲黃藻 Symbiodinium minutum和S. kawagutii基因組中發(fā)現(xiàn)了與有性生殖、孢子形成和萌發(fā)和端粒(telomeres)合成相關(guān)的基因, 并推測這些基因也可能參與孢囊形成(Lin et al., 2015)。我們曾發(fā)現(xiàn), 在紅色赤潮藻(A. sanguinea)休眠孢囊的形成中伴隨著一種熱休克蛋白(Heat shock protein 70)的上調(diào)表達(dá)(Deng et al., 2015), 但需要更多的工作證明該基因是否與孢囊形成直接相關(guān)。簡而言之, 專門研究甲藻孢囊形成和萌發(fā)的分子調(diào)控機(jī)制和信號響應(yīng)關(guān)系的報道尚未見到。

如果我們相信所有生物在最基本的生物學(xué)過程上的統(tǒng)一性, 還考慮到甲藻的休眠孢囊在功能上與高等植物種子的相似性(如強(qiáng)制休眠, 萌發(fā)等), 則有關(guān)高等植物種子休眠過程已有的認(rèn)識, 特別是有關(guān)植物激素的結(jié)果就可能為我們提供重要的思考起點。高等植物種子休眠的啟動和解除主要由種子內(nèi)源組分響應(yīng)外界環(huán)境因子和內(nèi)源生理變化, 通過下游信號傳導(dǎo)和基因級聯(lián)表達(dá)最終引發(fā)生理效應(yīng)(McCarty, 1995)。若干植物激素作為內(nèi)源信號分子, 通過調(diào)節(jié)基因表達(dá)和細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)參與調(diào)控高等植物種子休眠和萌發(fā)過程(Koornneef et al., 2002; Ali-Rachedi et al., 2004; Kucera et al., 2005; Footitt et al., 2011), 常見的包括生長素(auxin)、脫落酸(abscisic acid, ABA)、赤霉素(gibberellin, GA)、細(xì)胞分裂素(cytokinin, CK)和乙烯(ethylene, ET)等。對多種高等植物的研究表明, ABA有誘導(dǎo)和維持種子休眠及抑制種子萌發(fā)的作用; 而GA與種子打破休眠和促進(jìn)萌發(fā)有關(guān)(Koornneef et al., 2002; Ali-Rachedi et al., 2004; Kucera et al., 2005; Footitt et al., 2011)。ABA和GA含量的動態(tài)平衡是調(diào)控高等植物種子休眠進(jìn)程的關(guān)鍵要素, 其他激素主要通過影響ABA或者GA 含量而發(fā)揮作用(Kucera et al., 2005; Footitt et al., 2011)。對ABA和GA合成和分解代謝及相關(guān)基因的研究進(jìn)一步明確了它們作為內(nèi)源信號分子對種子發(fā)育的關(guān)鍵調(diào)控作用(Kucera et al., 2005; Nambara and Marion-Poll, 2005; Yamaguchi, 2008)。9-順式-環(huán)氧類胡蘿卜素雙加氧酶(9-cis-epoxycarotenoid dioxygenase, NCED)是高等植物ABA間接合成途徑中最關(guān)鍵的限速酶, 其表達(dá)量的變化直接影響內(nèi)源ABA含量(Schwartz et al., 1997; Thompson et al., 2000; Lefebvre et al., 2006)。在擬南芥中 NCED是誘導(dǎo)休眠所必需的基因(Lefebvre et al., 2006), 番茄中NCED基因的過量表達(dá)也導(dǎo)致內(nèi)源ABA迅速積累和種子休眠增強(qiáng)(Thompson et al., 2000)。脫落酸-8’-羥化酶(ABA-8’-hydroxylase, ABAH)是高等植物內(nèi)源 ABA 分解途徑中的關(guān)鍵酶(Saito et al., 2004; Millar et al., 2006), 通過快速有效地調(diào)節(jié)內(nèi)源ABA降解, 進(jìn)而間接參與調(diào)控種子休眠和萌發(fā)(Millar et al., 2006; Okamoto et al., 2006)。擬南芥ABAH基因突變體種子中內(nèi)源ABA含量較野生型提高了 6倍, 同時伴隨著種子萌發(fā)率顯著降低(Okamoto et al., 2006)。高等植物中 GA通過前饋和反饋調(diào)節(jié)維持內(nèi)源含量平衡, 其中主要通過調(diào)控GA合成途徑中關(guān)鍵酶的活性進(jìn)行作用(Hedden and Phillips,2000; Olszewski et al., 2002)。GA-20氧化酶(GA-20 oxidase, GA20ox)是GA生物合成途徑中重要的限速酶之一, 表達(dá)受到轉(zhuǎn)錄水平上的反饋調(diào)節(jié)和環(huán)境因素的影響(Sakamoto et al., 2004)。擬南芥中GA20ox基因引起內(nèi)源GA含量升高(Huang et al., 1998; Coles et al., 1999)。

邏輯上, 甲藻休眠孢囊的形成和萌發(fā)過程也應(yīng)該是外源環(huán)境因素、內(nèi)源生理變化、信號分子(植物激素)與基因表達(dá)等協(xié)同作用、共同調(diào)控的結(jié)果。因此, 利用多組學(xué)(轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白組學(xué)和表觀遺傳學(xué)等), 結(jié)合生理過程,以聯(lián)合分析休眠孢囊形成和萌發(fā)的關(guān)鍵過程,比較營養(yǎng)細(xì)胞和孢囊形成、萌發(fā)不同階段的mRNA和miRNA表達(dá)譜、蛋白譜的差異, 篩選可能參與孢囊形成和萌發(fā)的關(guān)鍵通路和重要的功能基因, 將為我們明確調(diào)控甲藻營養(yǎng)細(xì)胞和休眠孢囊相互轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵“開關(guān)”基因(家族), 深入認(rèn)識調(diào)控甲藻休眠孢囊形成和萌發(fā)的內(nèi)在分子機(jī)制提供了巨大的可能性。由于前述的甲藻基因組的特殊性(基因組太大)和特殊的生理學(xué)要求(如必須液相培養(yǎng)、對鹽度的要求等), 如何在現(xiàn)有的技術(shù)條件下確證任何一個基因的功能還是一個巨大的挑戰(zhàn)(Murray et al., 2016)。但是, 應(yīng)用原位雜交、熒光定量 PCR、雙熒光素酶報告系統(tǒng)等手段,研究營養(yǎng)細(xì)胞和孢囊相互轉(zhuǎn)化過程中關(guān)鍵基因的表達(dá)時序, 以推測其潛在功能, 對探討孢囊形成和萌發(fā)關(guān)鍵過程的分子機(jī)制、明確關(guān)鍵分子通路對環(huán)境因子擾動的響應(yīng)過程都是可行的途徑。

5 結(jié)語和展望：認(rèn)識的空白和沖突與可能的機(jī)會和突破

將甲藻生活史和孢囊作為有害藻華生態(tài)學(xué)研究的一個熱點研究對象, 研究常見甚至潛在藻華類甲藻是否和如何產(chǎn)生休眠孢囊、在海洋沉積物中是否存在及其豐度、休眠孢囊形成和萌發(fā)的外在環(huán)境影響因素和內(nèi)在生理生化與分子機(jī)理, 目的還是在于回答不同形式和階段的生活史及孢囊在各個種類有害藻華發(fā)生、發(fā)展、消亡、地理擴(kuò)散中的作用, 以及我們?nèi)绾巫罱K應(yīng)用獲得的從宏觀到分子水平的認(rèn)識對藻華開展快速、實時監(jiān)測、預(yù)警、預(yù)報、控制。因此, 有關(guān)研究是有害藻華發(fā)生、發(fā)展和地理擴(kuò)散機(jī)制, 以及災(zāi)害預(yù)測防控的一個非常重要的研究方向, 同時還將為氣候變化、環(huán)境變遷對海洋生態(tài)系統(tǒng)及浮游植物影響的研究、生物地理學(xué)、海洋生物資源探索等領(lǐng)域提供重要的基礎(chǔ)資料或參照。目前, 對于甲藻, 尤其是少數(shù)重要的能引起有害藻華的種類, 我們已經(jīng)獲得關(guān)于其生活史很多重要的認(rèn)識, 但就整體而言, 從最基本的概念到藻華現(xiàn)場的實際過程與格局, 仍然還有許多認(rèn)識空白, 正是這些認(rèn)識空白才為今后的研究提供了方向和機(jī)會。

第一, 已經(jīng)證明產(chǎn)休眠孢囊的種類(大約200種)只占甲藻有效描述種類2300余種的不到 10%, 還有很多類群(科或?qū)? 如凱倫藻科)從未曾有單個種類發(fā)現(xiàn)或證實產(chǎn)孢囊, 盡管其中有些種類是世界性分布種類甚至暴發(fā)造成巨大危害的有害藻華, 如米氏凱倫藻、東海原甲藻、劇毒卡爾藻等。據(jù)報道, 有些種類可以形成孢囊或者從沉積物中“鑒定”出孢囊(如微小原甲藻和兩種鰭藻, Dinophysis), 但可靠性還是值得懷疑的。即使是某些已經(jīng)通過實驗室培養(yǎng)證明存在有性生活史和產(chǎn)孢囊的種類,也還需在藻華發(fā)生海域沉積物中尋找和證明其確實存在和探明其分布、豐度和動態(tài)規(guī)律。最近幾年, 每年都有若干新的種類甚至很常見的種類和類群(如紅色赤潮藻、多環(huán)旋溝藻、斯氏藻、裸甲藻等)被證實能夠形成休眠孢囊,使我們相信還有更多種類的孢囊等待被發(fā)現(xiàn)。發(fā)現(xiàn)、證明任何一個重要的藻華種能夠形成休眠孢囊, 都會為藻華的種源、形成、年際復(fù)發(fā)、地理擴(kuò)散提供更深入的認(rèn)識和機(jī)理性解釋,也為后續(xù)基于孢囊分布和豐度的藻華預(yù)測及防控研究提供科學(xué)依據(jù)。與此相關(guān)的問題還有如曾經(jīng)在世界其他海域形成大規(guī)模或嚴(yán)重危害的藻華種類, 如短凱倫藻(K. brevis)、Pfiesteria piscicida等是否在中國海域存在;瑞典灣 100年齡的厚壁孢囊仍然存活的事實(Ellegaard et al., 2008)說明, 我們在調(diào)查孢囊分布時不能僅僅研究表層幾個厘米的樣品,應(yīng)該將研究擴(kuò)展到更長的時間尺度。鑒于此,我們認(rèn)為, 通過野外深度檢測和調(diào)查工作, 獲得通過沉積物保留下來的中國海域甲藻的區(qū)系演變與分布特征的準(zhǔn)確、全面、深入的認(rèn)識,將為不同海域可能暴發(fā)的有害藻華提供重要的預(yù)警性資料, 為研究過去或未來可能的外來物種入侵提供全面的基礎(chǔ)參照數(shù)據(jù), 也為研究氣候與環(huán)境演變對海洋浮游植物區(qū)系甚至海洋生態(tài)系統(tǒng)的影響提供支持?jǐn)?shù)據(jù)。

第二, 關(guān)于通過壓艙水可能傳入中國海域的甲藻或其他藻華種類的研究在我國還只有很零星的報道, 主要因為中國的港口、船舶管理涉及若干部門, 登船取樣面臨眾多困難。但這是一個很重要的研究領(lǐng)域, 也對我們的海洋生態(tài)安全甚為重要, 應(yīng)該開展更多深入的研究。與此相關(guān)的具體課題例如: 在日本、韓國、馬來西亞、菲律賓、美國、加拿大、阿拉伯海灣等海域經(jīng)常形成大規(guī)模有毒藻華的多環(huán)旋溝藻和褐色旋溝藻(Cochlodinium fulvesens)也在中國形成規(guī)模不等的藻華, 那么它們是中國的原生種類還是通過船舶壓艙水外源輸入的種類？如果是中國的本地種,為何只在近些年才發(fā)生或觀察到藻華？再如,壓艙水作為休眠孢囊攜帶者的發(fā)現(xiàn)使人容易相信, 只要是產(chǎn)休眠孢囊的種類, 就一定是到處可見的廣譜種, 但實際情況可能遠(yuǎn)不是這樣。已有的證據(jù)表明, 即使是很容易形成孢囊且孢囊也易于在沉積物中保存的種類, 它們?nèi)匀挥凶约邯毺氐摹吧锏乩怼? 所以壓艙水與我國海域的沉積物樣品的對比研究, 將為我們提供現(xiàn)在還難以預(yù)計的但無疑很有價值的科學(xué)認(rèn)識。國際上已有不少國家, 如澳大利亞、新西蘭、加拿大、美國、新加坡等從立法、政府管理、工業(yè)企業(yè)到研究部門形成了緊密合作的工作和研究體系。中國是上述《準(zhǔn)則》最早的背書國之一, 也是最早的五個“試點”國家之一, 現(xiàn)有的研究力度與我們的海岸線長度、國際海運規(guī)模和藻華種類入侵可能造成的危害強(qiáng)度等都還很不相稱。

第三, 關(guān)于甲藻生活史、孢囊的形成和萌發(fā), 以及孢囊豐度與藻華規(guī)模的關(guān)系, 我們現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)的每一個現(xiàn)象或“規(guī)律”, 似乎都有在規(guī)律之外的“逸出者”。實際上, 對任何一個種,我們都不明確是什么因素和以何種方式誘導(dǎo)了生活史各階段的轉(zhuǎn)化(如配子形成、孢囊的形成與萌發(fā))。例如, 營養(yǎng)缺乏或者溫度遽變可能大多數(shù)時候都能誘導(dǎo)某個種形成孢囊,但對另一個種就見不到這樣的即時反應(yīng)。一個已經(jīng)證明能夠產(chǎn)休眠孢囊的藻華種類, 與其種群動力學(xué)和藻華發(fā)生緊密相關(guān)的問題有孢囊產(chǎn)率、孢囊休眠期長短、萌發(fā)能力(excystment success)、有性后代的存活能力(offspring viability)、不同株系有性結(jié)合的相容性(mating compatibility)等眾多因素, 每一個因素的變異都可能帶來另一個因素的規(guī)律“失效”。不同的研究者關(guān)于沉積物孢囊豐度與藻華頻率和規(guī)模相關(guān)性的結(jié)論有時互相支持, 也可能完全相反。不僅是物種的多樣性帶來了功能的或行為的多樣性, 即使同一個物種的不同種群也會在不同的生境下表現(xiàn)不同, 從而每一個“規(guī)律”必然伴隨非常多的限制條件。因此, 我們對每一個重要的種類, 都必須進(jìn)行具體的“個案”研究。人們已經(jīng)開始將獲得的特定條件下孢囊豐度與下一個藻華規(guī)模的經(jīng)驗數(shù)量關(guān)系整合進(jìn)數(shù)值模型中, 以嘗試描述、擬合、預(yù)測(報)藻華的起始、維持、衰減等過程。但是, 現(xiàn)階段對這樣的模型還不能期望過高, 還必須考慮加入更多的參數(shù)或者為已有參數(shù)準(zhǔn)備適應(yīng)不同條件的更多“版本”。同時, 雖然在技術(shù)上具有很大的挑戰(zhàn)性, 還應(yīng)該嘗試在野外開展與生活史有關(guān)問題的探索, 如什么條件下配子形成、孢囊形成、孢囊萌發(fā)、細(xì)胞薄層現(xiàn)象(thin-layer)及其生活史意義等, 因為現(xiàn)有的有關(guān)生活史的研究基本上都是在實驗室完成的, 而野外的細(xì)胞成層現(xiàn)象不可能在實驗室的培養(yǎng)瓶里觀察到。

第四, 關(guān)于甲藻生活史過程中的信號分子與分子生物學(xué), 因為技術(shù)上的困難, 相較于高等植物甚至其他藻類, 有關(guān)的研究還處于“嬰兒”階段。但我們想要特別指出的是, 孢囊形成和萌發(fā)過程中任何一個關(guān)鍵基因功能的闡明都不僅僅是關(guān)于甲藻基礎(chǔ)生物學(xué)的進(jìn)步,同時也將為我們認(rèn)識孢囊分布、生理狀態(tài)與藻華形成的關(guān)系, 建立藻華監(jiān)測體系、種群增長和消減的預(yù)測模型等提供重要的理論依據(jù)和應(yīng)用工具。而且, 某些“從小處著手”的研究也在生態(tài)學(xué)和應(yīng)用上很有意義。例如, 研究、設(shè)計各種特異性分子探針, 分別鑒定、檢測生活史不同階段的配子、運動合子、不動合子(孢囊)和減數(shù)分裂細(xì)胞等。研究表明, S. lachrymosa的配子含有特征性糖綴合物(glycoconjugates) (Kremp and Anderson, 2004), 或許據(jù)此可以獲得特異性抗體, 然后進(jìn)行熒光免疫反應(yīng)檢測。如果能獲得這類分子工具, 將在自然條件下的各種界面, 如泥-水界面或藻華發(fā)展階段示蹤種群動態(tài)中特別有用(Steidinger, 2010)。再如, 信號的接受與處理可以認(rèn)為是內(nèi)外信號分子(infochemicals)或者細(xì)胞密度作為種群響應(yīng)的調(diào)控者的“反饋環(huán)”(feedback loops) (Steidinger, 2010)。鑒別這些信號分子及作用機(jī)制在種群動態(tài)和藻華發(fā)展的各個階段都很重要。孢囊形成和萌發(fā)與否固然是單個孢囊的反應(yīng), 但也是整個種群水平的指示, 認(rèn)識這些過程中信號分子的反饋環(huán)和在哪里它們短路,將為可能的藻華應(yīng)急處置提供思路。

致謝 本文作者特別感謝兩位匿名審稿人的建設(shè)性意見。

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Characteristical Life History (Resting Cyst) Provides A Mechanism for Recurrence and Geographic Expansion of Harmful Algal Blooms of Dinoflagellates: A Review

TANG Ying-Zhong1,2*, HU Zhang-Xi1,2, DENG Yun-Yan1,2
(1. Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 2. Laboratory of Marine Ecology and Environmental Sciences, Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266071, China) *Corresponding author, E-mail: yingzhong.tang@qdio.ac.cn

The coastal waters of China Seas have observed many harmful algal blooms (HABs) caused by dinoflagellates such as Karenia mikimotoi and Prorocentrum donghaiense in the last decades and the associated catastrophic losses in shellfish aquaculture, fisheries and coastal ecosystems. In the view of addressing these problems, we reviewed the advancements in our knowledge about the characteristical life history and in particular, resting cysts, of dinoflagellates, because cysts have been shown to be associated with genetic recombination; resistance to unfavorable environments; protection from viruses, grazers, or parasite attacks; termination of HABs; seeding recurrent HABs; and geographic expansion of populations via ships' ballast water. We reviewed and discussed ①the complexity of life cycles of dinoflagellates and controversies in the terms of cysts, ②the importance of cyst mapping in forcasting blooms and the associated complexity in the coupling between cyst abundance/distribution and blooms, ③the complexity of factors affecting encystment and excystment, and ④the recent progresses in genomics and transcriptomics about dinoflagellates in general and cyst-relevant molecular mechanisms in particular, and the possible vital roles of phytohormone in cyst-relevant processes. After a brief summary for the landmarks in cyst-relevant studies in the international HAB community and China, we end the review by highlighting four research themes about cyst-relevant issues in China, namely, ①comprehensive investigations on an inventory of dinoflagellate cysts in the coastal sediments of China Seas and on the life histories of those important HAB species in China, ②more intensive investigations on the species of cysts carried in those ships arriving ports of China ③more field investigations on the processes in encystment, excystment, and coupling between life history events and bloom dynamics, and ④investigations on the molecular processes relevant to encystment, dormancy, and excystment via a combined approach of- omics and physiology.

harmful algal blooms; dinoflagellates; life history; resting cysts; encystment; excystment; ships’ ballast water; sediment

X55

10.12036/hykxjk20160730001

* 資助項目: 國家自然科學(xué)基金(41476142, 61533011, 41506143); 國家自然科學(xué)基金委-山東省聯(lián)合基金(U1406403); 中國科學(xué)院海洋研究所人才啟動項目。

① 通訊作者: 唐贏中, 男, 研究員, 從事有害藻華生態(tài)學(xué)和浮游植物生態(tài)學(xué)研究, E-mail: yingzhong.tang@ qdio.ac.cn

2016-07-30, 收修改稿日期: 2016-08-04