夜光藻有性繁殖研究進展

宋書群，李才文，孫　軍

1 中國科學院海洋研究所，海洋生態(tài)與環(huán)境科學重點實驗室，青島　266071 2 天津科技大學，海洋與環(huán)境學院，天津　300457 3 天津科技大學，天津市海洋資源與化學重點實驗室，天津　300457

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夜光藻有性繁殖研究進展

宋書群1，李才文1，孫軍2,3,*

1 中國科學院海洋研究所，海洋生態(tài)與環(huán)境科學重點實驗室，青島266071 2 天津科技大學，海洋與環(huán)境學院，天津300457 3 天津科技大學，天津市海洋資源與化學重點實驗室，天津300457

摘要:夜光藻是全球最主要的赤潮生物之一，也是我國近海常見的浮游甲藻。根據營養(yǎng)方式分為異養(yǎng)的紅色夜光藻和混合營養(yǎng)的綠色夜光藻，前者廣泛分布于溫帶和亞熱帶近岸水域，后者僅分布于熱帶西太平洋、阿拉伯海、阿曼灣和紅海。夜光藻的生活史包括無性繁殖和有性繁殖過程。少部分營養(yǎng)細胞自發(fā)轉變?yōu)榕渥幽讣毎?，啟動了有性繁殖。每個配子母細胞可形成大量配子，具有橫溝、縱溝和2根鞭毛，形態(tài)與裸甲藻接近。配子兩兩融合形成合子，合子不經過休眠孢囊階段直接發(fā)育成新的營養(yǎng)細胞。目前，對配子母細胞形成的調控機制、合子發(fā)育的影響因素的認識還存在分歧。研究發(fā)現，營養(yǎng)細胞經過一定次數的二分裂后都會轉變?yōu)榕渥幽讣毎?，而配子的存在能夠中止此過程，使營養(yǎng)細胞繼續(xù)進行二分裂。因此，有性繁殖可能通過產生新個體對種群增長做出貢獻，還可能通過釋放配子維持無性繁殖，進而促進種群增長。配子在相模灣水域全年都有分布，其豐度峰值與營養(yǎng)細胞豐度峰值同步或提前出現，配子的大量出現可能是赤潮形成的必要條件。對有性繁殖的研究佐證了夜光藻在甲藻的系統(tǒng)進化中處于較為古老的地位。此外，還簡單介紹了研究夜光藻有性繁殖的主要方法，回顧了國內的夜光藻研究，并對相關研究進行了展望。

關鍵詞：夜光藻；生活史；有性繁殖；配子母細胞；配子

夜光藻(Noctilucascintillans(Macartney) Kofoid and Swezy =NoctilucamilarisSurirayex Lamarck)隸屬于甲藻門(Dinophyta)、甲藻亞門(Dinophycidae)、甲藻綱(Dinophyceae)、裸甲藻亞綱(Gymnodiniphycidae)、夜光藻目(Noctilucales)、夜光藻科(Noctiluaceae)、夜光藻屬(Noctiluca)[1]，是全球最主要的赤潮生物之一，廣泛分布于溫帶、亞熱帶和熱帶的近岸水域[2- 3]，是我國近海常見的浮游甲藻[4]。夜光藻通過營養(yǎng)細胞的二分裂進行無性繁殖，部分營養(yǎng)細胞轉變?yōu)榕渥幽讣毎?gametogenic cell)產生大量配子(gamete)進行有性繁殖。目前對配子母細胞形成、配子融合和合子發(fā)育等有性繁殖過程的認識還存在分歧，有性繁殖在夜光藻種群增長中的作用尚不明確[2, 5- 8]。研究夜光藻的有性繁殖過程，有助于完善對其生活史的認識，明確其種群增長模式和深入理解其赤潮形成機制，還可以為甲藻的分類和進化研究提供線索。為此，本文綜述了夜光藻有性繁殖方面的研究成果與進展，以期為國內相關研究工作的開展提供參考。

1夜光藻的營養(yǎng)類型及其生態(tài)地理分布

夜光藻具有異養(yǎng)和混合營養(yǎng)兩種營養(yǎng)類型，通常根據其赤潮呈現的顏色，將前者稱為紅色夜光藻(redNoctiluca)，后者稱為綠色夜光藻(greenNoctiluca)。紅色夜光藻沒有色素體，是典型的吞噬營養(yǎng)型甲藻[9]，能夠攝食細菌、浮游植物、小型浮游動物(microzooplankton)、中型浮游動物(mesozooplankton)的卵和糞便、魚卵等[10- 14]。綠色夜光藻細胞內共生一種綠藻門(Chlorophyta)柄藻綱(Pedinophyceae)的自養(yǎng)鞭毛藻——夜光柄胞藻(PedinomonasnoctilucaeSweeney)[15]，在食物缺乏的環(huán)境中，可以利用內共生藻的光合作用產物存活[16]，但吞噬營養(yǎng)對其也很重要[17- 18]。

因為對溫度的適應范圍不同，兩種夜光藻呈現不同的地理分布特征。紅色夜光藻適溫范圍為10—25 °C，廣泛分布于溫帶和亞熱帶近岸水域，在上升流、富營養(yǎng)化等高生產力水域豐度較高。而綠色夜光藻適溫范圍為25—30 °C，最早發(fā)現于熱帶西太平洋，1980年代以來分布范圍逐步擴展到印度洋，其在東南亞水域周期性爆發(fā)赤潮，在阿拉伯海(Arabian Sea)西北部和阿曼灣(Gulf of Oman)也有大規(guī)模赤潮爆發(fā)的記錄[3]。

夜光藻種群數量的季節(jié)變化也呈現不同的模式。紅色夜光藻在歐洲北海(North Sea)[6, 19]、西班牙近海[20]、日本的相模灣(Sagami Bay)[21]、中國的大鵬灣[22]和長江口[23]等水域，種群數量均在春季出現峰值，夏季到冬季較低；在澳大利亞東南近岸水域春、夏季的種群數量均較高，秋、冬季降至1個/L以下[24]；而在里雅斯特灣(Gulf of Trieste)和馬爾馬拉海(Marmara Sea)種群數量分別在冬季和秋季形成高值[25- 26]。綠色夜光藻在馬尼拉灣(Manila Bay)和越南近岸水域，春季種群數量最高，常爆發(fā)大規(guī)模赤潮[27]；在泰國灣(Gulf of Thailand)種群數量從5月到9月都處于較高水平，11月到次年2月較低[28]；在阿曼灣赤潮多發(fā)生在8、9月份[3]；而在孟加拉灣(Bay of Bengal)和阿拉伯海，種群數量高值出現在冬季[3]。

夜光藻種群動態(tài)受到水文要素(溫度、鹽度等)[29- 30]、生物要素(葉綠素a、中型浮游動物等)[24, 31- 32]和氣象要素(風速、風向等)[28, 33]的影響。因為其完全的異養(yǎng)生活習性，食物對紅色夜光藻的生長尤為重要[34]，但在不同水域其影響有較大的差異[3]；綠色夜光藻的種群動態(tài)與季風密切相關[28]。

2夜光藻的有性繁殖

對夜光藻有性繁殖過程的研究始于1899年，Calkins最早報道了夜光藻種群中偶爾出現的配子母細胞[35]。1970年Zingmark描述了夜光藻配子的形成和融合過程，雖然沒有觀察到合子發(fā)育成營養(yǎng)細胞，但他相信配子經過融合最終能夠產生新的營養(yǎng)細胞[5]。這一觀點受到了Elbr?chter和Qi的質疑，他們認為自然種群中未發(fā)現夜光藻配子融合后形成營養(yǎng)細胞的證據，因此配子的命運依然未知[2]。直到2006年，Fukuda和Endoh報道了夜光藻合子的發(fā)育，描述了夜光藻的有性繁殖過程，完善了其生活史(圖1)[7]。

圖1　夜光藻的生活史[7]Fig.1　The complete life cycle of Noctiluca scintillans[7]1. 開始形成配子母細胞; 2. 發(fā)生2次核分裂; 3. 原配子在細胞表面分裂; 4. 原配子轉變成配子; 5. 配子釋放后母細胞死亡; 6. 具有2根鞭毛的同形配子; 7. 具有4根鞭毛的合子; 8. 合子開始發(fā)育, 鞭毛減少; 9. 合子發(fā)育過程, 外鞘、觸手開始形成; 10. 觸手形成, 具有攝食能力; 11. 合子發(fā)育成小型營養(yǎng)細胞; 12. 繼續(xù)發(fā)育為成熟營養(yǎng)細胞

根據Fukuda和Endoh的觀察，夜光藻的有性繁殖過程可分為如下階段[7]。部分營養(yǎng)細胞形態(tài)和結構發(fā)生一系列變化，細胞核靠近細胞表面。細胞核連續(xù)分裂2次，形成4個核子，核子攜帶部分細胞質在細胞表面形成原配子，這些突起最終將形成配子。核子繼續(xù)分裂6—8次后，可形成4簇共256—1024個原配子，它們隨后集中到母細胞某一部分表面，形狀變?yōu)榘爰忓N形。配子在原配子內成熟后釋放到水體中，具有鞭毛，因此也稱為游動孢子。配子發(fā)生兩兩融合，形成合子。合子失去鞭毛，長出觸手，發(fā)生一系列變化后形成新的營養(yǎng)細胞，體積較成熟營養(yǎng)細胞小。其中，夜光藻配子母細胞的形成機制、配子融合和合子發(fā)育(從合子到營養(yǎng)細胞)過程存在一些爭論，還需要進一步研究。

2.1配子母細胞的形成

夜光藻一小部分營養(yǎng)細胞停止攝食，失去觸手、胞口和食物泡等細胞器，由茄形變?yōu)閳A球形后轉變?yōu)榕渥幽讣毎?圖2A、B)，啟動了夜光藻的有性繁殖[7]。配子母細胞在紅色夜光藻自然種群中所占比例較小[5, 36]，多在種群增長期或者種群數量高時呈現峰值，能達到5%左右[6, 37]。配子母細胞在綠色夜光藻自然種群中出現頻率較高，泰國灣西南季風期間最大值超過30%；在室內培養(yǎng)綠色夜光藻的指數增長期也較常出現[28]。

Sato等發(fā)現夜光藻配子母細胞的形成受到嚴格的程序控制，保持單細胞培養(yǎng)的夜光藻營養(yǎng)細胞經過22—24次的二分裂后，所有子細胞都會轉變成配子母細胞，而且這一過程不會因為培養(yǎng)條件(溫度、鹽度、光照、食物狀況和pH值)的改變而中止[8]。但Fukuda和Endoh的實驗不支持此觀點，他們發(fā)現配子母細胞的形成存在一定周期性，并不會一直發(fā)生，季節(jié)性因素可能觸發(fā)配子母細胞的形成[7]。綠色夜光藻的有性繁殖需要吞噬營養(yǎng)的支持，泰國灣的綠色夜光藻在西南季風期間細胞大多具有食物泡，有性繁殖旺盛，而在東北季風期間細胞內食物泡極少，配子母細胞較少出現[28]。室內培養(yǎng)的純自養(yǎng)綠色夜光藻在不投喂食物的情況下，能進行正常的二分裂，并長期存活，但不能形成配子母細胞[28]。

2.2配子的形態(tài)結構與細胞融合

每個夜光藻配子母細胞在24h內經過8—10次核分裂，最終形成256—1024個配子[2，5]，呈半紡錘形，其形態(tài)結構不同于營養(yǎng)細胞，與裸甲藻較為接近(圖2C)[7]。配子沒有甲板，具有典型的橫溝和縱溝。橫溝較靠近配子頂部，位于細胞3/4處，縱溝在腹面與橫溝相交，略傾斜，長度約占細胞的4/5。縱溝與橫溝交匯處著生2根不同長度的鞭毛，依靠他們夜光藻配子可以像大部分甲藻一樣螺旋游動，也可以腹部緊貼營養(yǎng)細胞或培養(yǎng)皿爬行，游動時較長的鞭毛控制方向，較短的鞭毛產生推力。細胞核呈半球形，位于細胞底部，可被醋酸地衣紅染色。配子頂部可觀察到多個顆粒，與營養(yǎng)細胞攝食綠藻后形成的油滴類似，可能來自配子母細胞的細胞質，可為不能進行胞吞的配子提供營養(yǎng)[7]。

對配子形態(tài)結構的描述曾存在分歧，主要在于鞭毛的數量。早期的研究多認為夜光藻配子具有1根鞭毛，屬于縱向鞭毛[38]。周成旭和吳玉霖首次報道了具有2根鞭毛的配子[37]。此外，還有3根鞭毛和4根鞭毛的報道，Kofoid和Swezy甚至描述了夜光藻配子的觸手[39]。Elbr?chter和Qi認為成熟的夜光藻配子只有1根長鞭毛，具有多鞭毛的配子是細胞分裂不完全的結果[2]；而Fukuda和Endoh認為成熟的夜光藻配子都具有2根鞭毛，單鞭毛配子是觀察過程中鞭毛斷裂或較短鞭毛蜷縮在橫溝內造成的，此前報道的“觸手”可能是2根鞭毛并排制造的假象[7]。

夜光藻配子能夠發(fā)生兩兩融合，兩個配子接觸后以腹面相接，融合后細胞體積增大，形成具有2個核的合子(圖2D)，隨后細胞核融合。合子呈紡錘形，較深的縱溝從細胞中部延伸到底部，具有4根鞭毛，可能被誤認為是四鞭毛配子[5, 7, 37]。夜光藻配子發(fā)生融合的比例較低，采自青島灣的夜光藻在室內培養(yǎng)條件下，有性繁殖過程發(fā)生融合的配子占所有配子的比例僅為1‰—2‰[37]。

Zingmark認為夜光藻產生同形配子，同一配子母細胞產生的配子可以兩兩融合，表明配子可能具有不同的交配型，因而夜光藻能夠進行同宗生殖[5]。而Schnepf和Drebes認為夜光藻產生異形配子，包括配子母細胞釋放的小配子和與營養(yǎng)細胞類似的大配子[40]，不過Fukuda和Endoh指出表面貼附有配子的營養(yǎng)細胞可能被誤認為大配子[7]。

2.3合子發(fā)育

夜光藻不同于其他甲藻，有性繁殖不產生休眠孢囊，合子經過一系列形態(tài)和結構的變化直接發(fā)育成新的營養(yǎng)細胞[7, 41]。首先，鞭毛數量減少，橫溝、縱溝消失，細胞變?yōu)榧忓N形；然后，細胞核和細胞質接近細胞中心，與營養(yǎng)細胞類似；生成2根鞭毛，細胞開始變?yōu)榍蛐?；失?根鞭毛，剩下的鞭毛略有增粗，細胞變得更圓，此時細胞具有微弱的運動能力，但沒有攝食能力；細胞邊緣變厚，形成外鞘；最后，長出觸手，其末端可以分泌粘液幫助捕獲食物。新形成的營養(yǎng)細胞較小，繼續(xù)生長為成熟營養(yǎng)細胞，但觸手的長度不發(fā)生變化(圖2E)。

甲藻休眠孢囊的萌發(fā)多伴隨一次減數分裂，而夜光藻合子的發(fā)育過程中未發(fā)現細胞核的分裂，所以其營養(yǎng)細胞應為二倍體[5, 7]，與大多數甲藻的單倍體營養(yǎng)細胞不同[42]。雖然有相當數量的配子能夠兩兩融合，但合子發(fā)育形成的新營養(yǎng)細胞卻非常少，Anderson把合子的不完全發(fā)育歸因于夜光藻未形成完全的兩性分化[43]，而Fukuda和Endoh認為融合的配子來自同一個母細胞，近親繁殖可能導致合子發(fā)育失敗[7]，但這些觀點都需要后續(xù)工作進行驗證。

圖2　夜光藻的不同生活史階段[7]Fig.2　Different stages of life cycle of Noctiluca scintillans[7]A:營養(yǎng)細胞; B: 配子母細胞; C: 配子具有橫溝, 縱溝和2根鞭毛; D: 新形成的合子具有4根鞭毛; E: 新形成的營養(yǎng)細胞個體較小, 觸手相對較長;A, B和E標尺為100 μm; C和D標尺為10 μm

3有性繁殖對種群增長的貢獻

紅色夜光藻自然種群中有性繁殖發(fā)生的幾率較低[5, 36]，配子母細胞在種群衰退期很少出現，但在種群增長期所占比例較高，水體中很高的配子豐度表明有性繁殖較為活躍[6, 37, 44]。由于至今未在自然環(huán)境中發(fā)現夜光藻配子融合后發(fā)育成新一代個體的證據，有性繁殖對種群增長的直接貢獻尚不明確。周成旭和吳玉霖發(fā)現青島灣夜光藻的二分裂個體和核分裂個體(配子母細胞)均在3—5月種群數量較高時呈現峰值，但二分裂與夜光藻種群數量年際變動之間的關系更為密切，他們據此認為二分裂是夜光藻種群增長的主要方式[37]；Uhlig和Sahling在北海的研究也得到了相同的結論[6]。

綠色夜光藻的有性繁殖與種群增長密切相關，在自然種群的快速增長期和室內培養(yǎng)的指數生長期配子母細胞頻繁出現，Sriwoon等認為這是綠色夜光藻旺盛生長的表現。他們基于實驗室觀察估算，如果每個配子母細胞產生512個配子，其中10%兩兩融合后發(fā)育成營養(yǎng)細胞，2002年9月在泰國灣某站位有性繁殖貢獻的種群生長率達到0.54 d-1，遠遠高于二分裂貢獻的種群生長率0.16 d-1。雖然10%的有性繁殖成功率僅是實驗室觀察的特例，據此做出的估計可能不夠準確，但仍體現出有性繁殖在綠色夜光藻種群增長中的重要作用[28]。

除了直接產生新個體，有性繁殖還能通過促進無性繁殖對種群增長做出貢獻。Sato等發(fā)現配子與營養(yǎng)細胞接觸后，能夠重啟營養(yǎng)細胞經過一定次數二分裂全部轉變?yōu)榕渥幽讣毎某绦颍S持其有性繁殖，不過重啟此程序的機制尚不清楚[8]。Miyaguchi等將夜光藻赤潮形成過程分為3個階段：1)適宜的水文和生物條件促進細胞豐度增加；2)降雨和風引起的表層海水輻聚導致細胞聚積；3)大量配子維持營養(yǎng)細胞的二分裂，促進赤潮形成[21]?？梢?，有性繁殖在夜光藻赤潮的形成中發(fā)揮重要作用。對相模灣夜光藻配子的定量研究發(fā)現，水體中全年(即使是未發(fā)現營養(yǎng)細胞的月份)都有分布，其豐度峰值較營養(yǎng)細胞豐度峰值提前或同步出現，2005年4月達到4.3×104個/L的最大值，配子的大量出現可能是赤潮形成的必要條件[44]。

4夜光藻有性繁殖的研究方法

夜光藻有性繁殖的研究多以實驗室培養(yǎng)株系為研究對象，現已實現夜光藻的室內長期培養(yǎng)。使用浮游生物網從自然水體中采集夜光藻，分離后用滅菌海水清洗除去周圍雜質，置于培養(yǎng)基內培養(yǎng)。紅色夜光藻的培養(yǎng)基可以使用滅菌海水，培養(yǎng)溫度20 °C，光源使用日光燈，光暗比12 h∶12 h，投喂綠藻(如扁藻Platymonas和杜氏藻Dunaliellatertiolecta)或硅藻作為餌料[2, 7, 45]。綠色夜光藻的培養(yǎng)基為Daigo IMK培養(yǎng)基，培養(yǎng)溫度28 °C，光源使用日光燈，光暗比14 h∶10 h，純自養(yǎng)株系不需投喂餌料，攝食株系可投喂杜氏藻[7, 18]。

顯微鏡觀察是研究夜光藻有性繁殖的主要方法。周成旭和吳玉霖將分離純化的配子母細胞做成單個體懸滴片，直接進行顯微鏡觀察和攝影[37]。用DAPI染色后可以更好的觀察配子母細胞核的變化，Fukuda和Endoh認為活體細胞通透性差導致DAPI染色效果不理想，可以先用卡諾氏液(酒精∶氯仿∶醋酸=6∶3∶1)固定，再用苔紅素進行染色[7]。

此外，還可以通過分別計數自然種群中營養(yǎng)細胞、二分裂個體和配子母細胞，來研究夜光藻的有性繁殖及其與種群增長的關系[28, 37]。不過，夜光藻配子的直徑僅有10—15 μm，很難從形態(tài)上與其他藻類區(qū)分[2]，使用光學顯微鏡對其進行鑒定和計數存在一定困難。分子生物學技術的應用為定量研究夜光藻配子提供了可能，Miyaguchi等選用夜光藻18S rDNA特異性片段作為模板，采用熒光定量PCR方法實現了對相模灣夜光藻配子的定量檢測[44]。

5夜光藻的分類和系統(tǒng)進化地位

與其他甲藻相比，夜光藻具有如下特征：1)個體大，營養(yǎng)細胞直徑200—2000 μm；2)吞噬營養(yǎng)無食物選擇性；3)捕食或分泌粘液濾食；4)密度小，可被動上浮；5)營養(yǎng)細胞為二倍體；6)有性繁殖產生大量配子[3]。由于營養(yǎng)細胞不具有典型甲藻的普遍特征，夜光藻曾被歸為水母類。1873年Haeckel提出應將夜光藻劃為甲藻[46]，此后Kofoid經過詳細觀察營養(yǎng)細胞，將夜光藻劃入新設立的夜光藻目[47]，親緣關系與裸甲藻目接近，這一劃分得到廣泛接受。

20世紀90年代以來，分子生物學技術被用于研究夜光藻的系統(tǒng)進化地位?；贚SU rDNA和SSU rDNA的進化分析均發(fā)現夜光藻屬于較為古老的甲藻物種[48- 49]。當選取更多物種分析夜光藻與甲藻的系統(tǒng)進化關系時，得到的結果受所選序列的影響完全相反，夜光藻可能較為古老，也可能是裸甲藻目中較新的一個分支[50]。Fukuda和Endoh認為配子反映了夜光藻一些較為原始或者古老的特征，夜光藻分化程度不高的2根鞭毛要比大部分甲藻分化明顯的尾鞭型縱鞭和環(huán)繞于橫溝內的扁平帶狀橫鞭原始，因而夜光藻更為古老，它可能與大部分甲藻具有形態(tài)與其配子類似、共同的單倍體祖先[1, 7]?；贚CF基因和Hsp90基因的系統(tǒng)進化分析也得到了相同的結果[51- 52]。

6國內夜光藻研究的回顧與展望

我國夜光藻的研究起步較早，1933年費鴻年報道了浙江近海的一次夜光藻赤潮，是我國赤潮的首次記錄[53]。作為1970—1990年代我國主要的赤潮生物，夜光藻相關研究得到廣泛開展，并取得了豐碩成果。研究內容包括生態(tài)分布、生理生態(tài)學、種群動力學、赤潮形成機制等；研究區(qū)域北起遼東灣、南至海南島，幾乎覆蓋了中國近海所有水域，其中南海大鵬灣、長江口、浙江近海和膠州灣的研究較多[22, 37, 54- 60]。然而，有關夜光藻繁殖的研究相對較少，陳漢輝和杞桑[36]、杞桑和李大勇[61]研究了夜光藻的無性繁殖，周成旭和吳玉霖研究了夜光藻配子形成、配子融合和合子發(fā)育等有性繁殖過程，并探討了青島灣夜光藻二分裂個體、核分裂個體與種群動態(tài)的關系[37]。目前，國內對夜光藻種群動態(tài)的研究較少關注其種群結構，很少區(qū)分營養(yǎng)細胞、二分裂個體和配子母細胞，對配子的定量研究尚未見報道，因而對有性繁殖在種群增長中的作用了解較少。

近年來，水體富營養(yǎng)化日趨嚴重[62]，近海生態(tài)系統(tǒng)面臨多重環(huán)境壓力，夜光藻赤潮仍呈旺發(fā)態(tài)勢。夜光藻赤潮導致魚類因窒息而大量死亡，其消亡過程大量消耗溶解氧、并釋放硫化氫等有毒物質，對水體環(huán)境造成破壞[63]。此外，夜光藻大量繁殖能夠強化食物網底層的營養(yǎng)循環(huán)，降低營養(yǎng)效率，間接影響漁業(yè)資源[64]；對硅藻和橈足類糞便的攝食、分解，不利于顆粒有機碳向底層輸送，在一定程度上減弱了生物泵對CO2的封存[65]。因此，夜光藻的相關研究，特別是種群動力學方面的研究，重新受到國內研究者的關注[23, 30, 66- 68]。

為更好的理解夜光藻的種群增長模式，亟需進一步開展夜光藻有性繁殖相關研究。分離純化不同地理群體的營養(yǎng)細胞，研究其有性繁殖過程，探究配子母細胞的形成機制，比較異宗/同宗配子融合及合子發(fā)育的差異；關注夜光藻的種群結構，研究夜光藻營養(yǎng)細胞、二分裂個體、核分裂個體和配子的比例及數量變化，以評估有性繁殖在種群增長中的作用。這些研究工作的開展將有助于完善對夜光藻生活史的認識，明確夜光藻赤潮的形成機制，為研究多重環(huán)境壓力下近海生態(tài)系統(tǒng)的演變提供參考。

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Progress on studies of sexual reproduction inNoctilucascintillans

SONG Shuqun1, LI Caiwen1, SUN Jun2,3,*

1KeyLaboratoryofMarineEcology&EnvironmentalScience,InstituteofOceanology,ChineseAcademyofSciences,Qingdao266071,China2CollegeofMarineandEnvironmentalSciences,TianjinUniversityofScienceandTechnology,Tianjin300457,China3TianjinKeyLaboratoryofMarineResourcesandChemistry,TianjinUniversityofScienceandTechnology,Tianjin300457,China

Abstract：Current knowledge about sexual reproduction in Noctiluca scintillans is reviewed in this paper. Noctiluca scintillans is one of the most prominent “red tide” organisms found in all Chinese coastal waters. There are two forms, red Noctiluca and green Noctiluca. The former is heterotrophic and broadly distributed in temperate and sub-tropical coastal waters. The latter contains a photosynthetic symbiont and can survive without an external food supply. It is mainly limited to the tropical west Pacific, parts of the Arabian Sea, the Gulf of Oman, and the Red Sea. The complete life cycle of N. scintillans consists of binary fission and sexual reproduction. A small fraction of trophonts transform into gametogenic cells, which undergo two successive nuclear divisions. The products of nuclear division migrate to the cell surface with a small amount of cytoplasm and further synchronously divide six to eight times. A large number of gametes, which possess some noctilucid-like characters, such as a transverse groove, a longitudinal groove, and two flagella, are released from the mother cell ghost. The zygote, which results from the fusion of two isogametes, gives rise to miniscule trophonts, which undergo change in shape and reduction in flagellum number and acquire a tentacle and crust. Gamete fusion in N. scintillans is not followed by formation of a non-motile resting cyst or by meiosis. To date, there is some controversy regarding the process of sexual reproduction, i.e., gametogenesis and the development from zygote to trophont. There is a strict program for the formation of gametogenic cells, which starts to operate in every cell after a defined number of binary fissions. However, the presence of gametes can reset this program and keep trophonts in binary fission instead of proceeding to gametogenesis. Sexual reproduction is common when populations are increasing but rare during population decline both in the field and in the culture. Thus, sexual reproduction is considered to contribute to the population growth of N. scintillans. Gametes were found all year round in coastal waters of Sagami Bay, and its peak abundance was observed to occur just before or at the same times as the peak abundance of the trophonts. It is suggested that sexual reproduction enhances the formation of N. scintillans “red tides” as intensive multiplication may occur under high-density conditions. The primitiveness of the noctilucid flagellum can be regarded as an ancestral character of dinoflagellates. If the gametes are likely to reflect the primary attributes of trophonts, it could be concluded that N. scintillans is an ancestral form of dinoflagellates. The methodology of investigating this sexual reproduction, including collection and cultivation, observation by light microscopy, quantification of gametes, etc., is briefly introduced in this article. Studies on physiology, population dynamics, and bloom formation of N. scintillans in Chinese coastal waters are summarized, and future research topics are briefly discussed.

Key Words:Noctiluca scintillans; life cycle; sexual reproduction; gametogenic cell; gamete

基金項目:海洋公益性行業(yè)科研專項(201005015-1, 201105021-03); 新世紀優(yōu)秀人才支持計劃(NCET-12-1065); 國家自然科學基金(41176136, 41276124); 山東省自然科學基金(ZR2014DQ029)

收稿日期:2013- 12- 21; 網絡出版日期:2015- 08- 26

*通訊作者

Corresponding author.E-mail: phytoplankton@163.com

DOI:10.5846/stxb201312212994

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