光照周期對大草履蟲種群變化的影響

李思萱 馮思特 杜念臻 李 鋰

（中國人民大學附屬中學 北京 100080）

光照周期是指一日之內光照時間長短的相對變化，即有光照時間/無光照時間（L/D）。生物生長具有其所需的最低和最適光照周期，是生物在長期進化過程中形成的對其生活環(huán)境的適應［1］。光照周期能影響水生動物的生長發(fā)育、繁殖等。例如連續(xù)24 h光照促進福壽螺（Pomacea canaliculata）的體重增長，完全黑暗嚴重抑制福壽螺的生長發(fā)育，降低其繁殖能力［2］。 光照周期對海蜇（Rhopilema esculenta）足囊萌發(fā)有顯著影響，黑暗組較自然光組的萌發(fā)率平均高7.18%［3］。

大草履蟲（Paramecium caudatum）為原生生物界單細胞動物，對其細胞形態(tài)、結構、消化、呼吸及生殖已有較詳細的研究。目前有大量關于光照強度、波長等對原生動物種群的影響研究，而關于光照周期對原生動物種群影響方面的研究較少。

本文研究了不同光照周期對大草履蟲在有限培養(yǎng)條件和食物充足條件下的種群變化的影響。

1 材料和方法

1.1 材料 實驗用大草履蟲于本實驗室保種獲得。

1.2 單克隆培養(yǎng)方法 采樣后，體視鏡下隨機挑取單個個體，于（25±1）℃自然光照條件下培養(yǎng)。在顯微鏡下，用10μL微量移液器隨機挑出單個個體于24孔板培養(yǎng)3 d后，移入250 mL錐形瓶繼續(xù)培養(yǎng)為草履蟲母液。

1.3 計數方法 取100μL培養(yǎng)液至比色板，滴加2～3滴魯哥氏液染色，在體視鏡下用計數器計數。

1.4 實驗設計 各組大草履蟲種群均在溫度設置為25℃，光照周期分別設置為24L/0D、0L/24D、12L/12D和6L/18D，于4臺恒溫光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。照度計測得培養(yǎng)箱內無照明條件下光照強度為0 lx，打開光源時光照強度為4 800 lx。先后在限制性培養(yǎng)條件和食物充足的條件下進行實驗。

限制性培養(yǎng)條件下的實驗使用稻草汁培養(yǎng)液［4］。選取保種的草履蟲種群進行接種，初始種群密度為10 ind./mL。每組光周期4個平行，在錐形瓶中進行培養(yǎng)，培養(yǎng)液200 mL，連續(xù)培養(yǎng)9 d，期間不更新或補充培養(yǎng)液。每24 h計數一次。

食物充足條件下的實驗使用酵母培養(yǎng)液［5］。選取單克隆培養(yǎng)后的草履蟲種群進行接種，初始種群密度為10 ind./mL。每組光周期6個平行，在6孔板中進行培養(yǎng)，培養(yǎng)液為7 mL。每72 h向體系中添加1.5 mL培養(yǎng)液，連續(xù)培養(yǎng)14 d。每24 h計數一次。

1.5 相關參數的定義和計算方法

種群增長率：r=（lnNt－lnN0）/t，N0為起始種群密度；Nt為實驗進行到t天時的種群密度。從種群的指數增長期選取4～6個數據計算種群增長率。

環(huán)境容納量：環(huán)境條件允許的種群數量最大值為等時間距離的3個觀察值。

1.6 數據分析及計算 數據用 Excel 2010進行計算、作圖。使用 SPSS 16.0軟件進行統(tǒng)計分析，在統(tǒng)計分析前進行正態(tài)分布檢驗。經檢驗，數據均為正態(tài)分布。采用單因素方差分析、LSD和Tamhane′s T2多重比較檢驗光照周期對限制性培養(yǎng)條件下大草履蟲種群的影響。采用Pearson Correlation對光照時間與限制性培養(yǎng)條件下大草履蟲種群參數進行相關性分析。所有描述性統(tǒng)計值采用Mean±SD表示，顯著性水平為α=0.05。

2 結果

2.1 光照周期對大草履蟲種群在有限培養(yǎng)環(huán)境中種群變化的影響 如圖1，各光照周期條件下，大草履蟲種群均能從較小的密度開始增長，在種群增長過程中，各光照周期組大草履蟲種群增長期的曲線均具有S形特點。其中，種群密度的最大值出現在0L/24D 組第 5 天，為（610.42±49.43）ind./mL（圖1b）。0L/24D組的種群飽和期持續(xù)時間最短為（1.75±0.96）d， 種群密度波動范圍最廣；6L/18D組、12L/12D組及24L/0D組的種群峰值期持續(xù)時間較長，分別為（2.50±0.58）d，（3.00±0.00）d 和（3.25±0.50）d，但各組種群密度波動范圍相對較窄。在種群衰落過程中，12L/12D組最早進入衰落期，衰落歷時（5.25±0.50）d；24L/0D 組最晚進入衰落期，歷時（7.00±0.82）d。24L/0D 組與 12L/12D 組種群變化曲線形態(tài)近似。

圖1 光照周期對大草履蟲在有限培養(yǎng)環(huán)境中種群變化的影響

單因素方差分析表明，在有限培養(yǎng)環(huán)境中，光照周期對大草履蟲種群增長率無顯著影響(P＞0.05)，但對環(huán)境容納量有極顯著的影響（P＜0.01）(表 1)。多重比較顯示，12L/12D組種群增長率顯著低于6L/18D組及 0L/24D 組（P＜0.05）；0L/24D 組種群環(huán)境容納量極顯著高于其他3組（P＜0.01），而12L/12D組種群環(huán)境容納量則極顯著低于其他3組（P＜0.01），6L/18D組和24L/0D組間無顯著的差異（P＞0.05）。

表1 有限培養(yǎng)環(huán)境中光照周期對大草履蟲種群增長率和最大環(huán)境容納量的影響

Pearson相關性分析（表2）表明，在有限培養(yǎng)環(huán)境條件中，光照時間與種群增長率之間不相關（P＞0.05），而光照時間與最大環(huán)境容納量之間存在中度負相關關系（r=－0.626）。

表2 有限培養(yǎng)環(huán)境中光照時間對大草履蟲種群參數的相關性分析

2.2 光照周期對大草履蟲種群在食物充足環(huán)境中種群增長的影響

如圖2，在各光照周期條件下，大草履蟲種群均能從較小的密度開始增長，且光照周期對大草履蟲種群增長依然有明顯的影響。圖中可以直觀地看出4組種群增長曲線具有較為明顯的差異，其中0L/24D組種群增長最快；24L/0D組種群增長最慢，且與12L/12D組間沒有明顯的相似性，這與在有限培養(yǎng)環(huán)境中的結果不一致。特別地，0L/24D組種群數量波動較明顯，這可能與代謝產物的積累導致了培養(yǎng)液pH的變化有關。

圖2 光照周期對大草履蟲在食物充足的環(huán)境中種群增長的影響

3 討論

3.1 光照周期對大草履蟲種群變化的影響 本研究中，在有限培養(yǎng)環(huán)境中，大草履蟲種群在全暗時增長速率最快，環(huán)境容納量最高，說明此時黑暗對大草履蟲的種群增長具有促進作用。推測原因：無光促進了稻草汁培養(yǎng)液中枯草芽孢桿菌等細菌的生長，使大草履蟲的食物資源更豐富，種群增長更為迅速。同時發(fā)現在食物充足的條件下，全暗組的大草履蟲種群在前期增長最快，而全光組的大草履蟲種群在前期增長最慢。推測光照也會影響草履蟲的生長和繁殖。

研究表明，光照周期對不同水生動物的影響不同。例如刺參在半黑暗半光照的條件下生長最快，在全黑暗的條件下生長最慢且幼體死亡率最高，這可能與光能夠對水生動物的晝夜活動節(jié)律、遷移和集群行為產生影響有關［6］?？s短光照對四眼斑水龜（Sacalia quadriocellata）雌性繁殖有促進作用，而延長光照對雄性發(fā)情強度在特定階段具有一定促進作用［7］。光照能夠促進褶皺臂尾輪蟲種群增殖，原因可能是光照使藻類光合旺盛釋放充足氧氣并為輪蟲提供充足食物［8］。

草履蟲具有正趨光性［9］，可能具有感光分子?？雇艿囊暰W膜紫質抗體成功與草履蟲蛋白結合，說明草履蟲可能存在高等動物的類視紫紅質的類似物［10］。用光刺激能使草履蟲細胞膜產生極化與去極化，推測草履蟲具有感光分子［11］。黃光和白光能誘導草履蟲rhodopsin—like基因表達，從而推斷單細胞動物草履蟲可能存在與高等脊椎動物視網膜的視敏蛋白相似的感光分子［12］。由此可以推測，是這些感光分子的存在使得大草履蟲能夠感受光照周期的變化，并對不同的光照周期作出反應，進而使得不同光照周期下大草履蟲種群產生不同的變化方式。這與本研究發(fā)現，無論在有限培養(yǎng)環(huán)境中還是在食物充足條件下，光照周期對草履蟲種群的變化具有明顯的影響是一致的。

3.2 光照對大草履蟲繁殖方式的影響 研究過程中發(fā)現，在限制性培養(yǎng)條件下，0L/24D組大草履蟲種群出現有性生殖現象的概率遠高于其他3組，說明黑暗可能促進了大草履蟲種群的有性生殖。初步推斷這種生殖方式的大量出現是受到全暗的光周期刺激引起的。研究表明，光照可以影響草履蟲的生殖方式。例如1 min激光輻射能使草履蟲有性生殖的幾率增加，推測原因是小劑量的激光輻射對草履蟲產生了熱效應和光效應，使蟲體內核酸和蛋白質合成速度加快，促進了草履蟲的有性生殖，從而使草履蟲的繁殖總數增多［13］。

有研究表明，同一無性系下的草履蟲在未遇到其互補接合型的蟲體時，不會發(fā)生有性生殖［14］。因此猜測，在食物充足的條件下，光照周期可能影響了大草履蟲種群的分裂速度。這種猜測需要后續(xù)實驗驗證。

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