溫度和集胞藻濃度對輪蟲生活史參數(shù)的影響

耿紅，姚慧，張鵬，宋發(fā)軍，林愛華，孟艷艷，張歡

(1中南民族大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院,武陵山區(qū)特色資源植物種質(zhì)保護與利用湖北省重點實驗室，武漢430074；2中國科學(xué)院 水生生物研究所，武漢 430072)

湖泊富營養(yǎng)化是當今全球環(huán)境領(lǐng)域面臨的突出問題[1]，嚴重時可爆發(fā)藍藻水華. 藍藻水華會破壞水體食物鏈，導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)崩潰. 輪蟲是淡水生態(tài)系統(tǒng)中浮游動物的主要組成類群，在食物鏈中起著承上啟下的樞紐作用[2]. 萼花臂尾輪蟲(Brachionuscalyciflours)因繁殖快、世代周期短、易培養(yǎng)等特點被作為生態(tài)毒理學(xué)研究的模式生物[3]. 目前已有較多研究探討藍藻對浮游動物種群的影響，如浮游動物與藍藻的攝食關(guān)系及其影響因素[4]，銅綠微囊藻及其毒素對輪蟲生活史的影響[5]，銅綠微囊藻對浮游動物后代的耐受性影響[6]等，在這些研究中，多數(shù)集中于銅綠微囊藻及大型浮游動物種群的研究. 而有研究表明，藍藻對浮游動物的影響會隨藍藻種類及浮游動物類群的不同而不同[7]. 集胞藻是單細胞非固氮藍藻，生長周期短，易培養(yǎng)，不產(chǎn)生毒素，目前有關(guān)集胞藻對輪蟲種群的影響研究幾乎未見報道.

水體溫度直接影響生物有機體的體溫，體溫的高低又決定了浮游動物新陳代謝、生物體的生長、發(fā)育、繁殖和行為等，從而影響浮游動物的豐度[8,9]. 全球變暖及其引起的湖泊水體溫度升高已受到國際社會和學(xué)者的廣泛關(guān)注[10]，盡管已有研究表明溫度對輪蟲的個體大小、生長以及生活史特征有顯著的影響，但是很少有研究關(guān)注溫度與其他因子的交互作用對輪蟲生長及繁殖影響；且少量的關(guān)于溫度和食物濃度對輪蟲種群增長及繁殖的研究報道結(jié)果卻仍存在不一致性[11]. 本文以萼花臂尾輪蟲(B.calyciflorus)為受試生物，采用動態(tài)生命表實驗，研究不同溫度下，不同濃度的集胞藻對輪蟲種群生活史參數(shù)的影響，來探討溫度和集胞藻及其交互作用對輪蟲生長繁殖的影響. 旨在豐富浮游動物與藍藻間的相互關(guān)系，為臂尾輪蟲屬的生態(tài)參數(shù)研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料.

1 材料與方法

1.1 輪蟲的來源和培養(yǎng)

實驗選用萼花臂尾輪蟲為研究對象，萼花臂尾輪蟲采自湖北省武漢市南湖水體，在實驗室克隆培養(yǎng)半年以上，輪蟲置于(25±1)℃恒溫光照培養(yǎng)箱中進行群體培養(yǎng)，光照強度為2200 lx，光照周期為12L:12D，所用培養(yǎng)基配方為EPA[5].

1.2 藻種來源和培養(yǎng)

蛋白核小球藻(Chlorellapyrenoidosa)為培養(yǎng)輪蟲所用的綠藻食物，實驗所用藍藻為集胞藻(Synechocystissp. PCC6803)，實驗所用的藻種均由中國科學(xué)院水生生物研究所淡水藻種庫提供. 綠藻培養(yǎng)基為HB-4，藍藻培養(yǎng)基為BG11[5]，置于(25±1)℃的恒溫光照培養(yǎng)箱中進行充氣培養(yǎng). 選取指數(shù)增長期的綠藻和藍藻進行離心(6000 r/min，10 min)、顯微鏡下計數(shù)并用EPA培養(yǎng)基稀釋到實驗所需濃度.

1.3 動態(tài)生命表實驗

實驗設(shè)3個溫度梯度，分別為15、25、35 ℃，每個溫度下按照集胞藻濃度的不同再分別設(shè)4組，根據(jù)預(yù)實驗結(jié)果，每組綠藻和藍藻的濃度如下：第一組0 cells/mL集胞藻+105cells/mL蛋白核小球藻，第二組104cells/mL集胞藻+105cells/mL蛋白核小球藻，第三組105cells/mL集胞藻+105cells/mL蛋白核小球藻，第四組106cells/mL集胞藻+105cells/mL蛋白核小球藻.

實驗前，將輪蟲放置于15、25、35 ℃下預(yù)培養(yǎng)一周，同時將處于指數(shù)增長期的集胞藻和蛋白核小球藻進行離心、計數(shù)，放置4 ℃冰箱備用.

實驗開始時，取帶卵的非混交雌體，放置于燒杯中，在15、25、35 ℃下培養(yǎng)；選取齡長<3 h的輪蟲幼體，分別放置于24孔板中進行生命表實驗，每孔放1只輪蟲. 總共有12組(3 溫度 × 4 濃度)，每組初始輪蟲個數(shù)為18～23只. 每隔8 h觀察一次，記錄輪蟲帶卵數(shù)，母體存活數(shù)，新生幼體數(shù)，并將新生幼體從培養(yǎng)體系中移除，24 h更換一次EPA培養(yǎng)液，實驗至全部母體死亡為止.

1.4 生活史參數(shù)計算方法

根據(jù)動態(tài)生命表實驗數(shù)據(jù)計算輪蟲主要生活史參數(shù)[13]：

特定年齡存活率lx：X年齡組開始時存活個體百分數(shù)；

特定年齡繁殖率mx：X年齡組平均每個個體所產(chǎn)的雌性后代數(shù)；

凈生殖率R0：種群經(jīng)過一個世代后的凈增長率，R0=∑lxmx；

世代時間T：完成一個世代所需要的時間，T=∑lxmxx/R0；

1.5 數(shù)據(jù)分析與處理

實驗數(shù)據(jù)初步處理在Excel中進行，計算得到輪蟲生活史參數(shù)之后，采用非參數(shù)雙因素方差分析(Scheirer-Ray-Hare test)檢驗溫度和集胞藻濃度對輪蟲主要生活史參數(shù)的影響，利用多重比較(posthoc test)分析輪蟲生活史參數(shù)在不同溫度和不同濃度下各組別的差異，多重比較的結(jié)果用字母標注法標出，方差分析和多重比較均在R軟件中完成.

2 結(jié)果與分析

2.1 萼花臂尾輪蟲的存活率和繁殖率

隨著溫度升高，輪蟲存活率開始下降的時間提前，存活率下降速度加快，輪蟲的存活時間變短(圖1). 集胞藻濃度對輪蟲存活率的影響隨溫度的不同而有所不同，15 ℃時，輪蟲的存活率呈現(xiàn)隨集胞藻濃度的增加而升高的趨勢；在25 ℃和35 ℃下，隨集胞藻濃度上升，輪蟲存活率反而明顯下降. 溫度對輪蟲的繁殖率影響較大，在15 ℃下，輪蟲的初次繁殖高峰期從第5 d開始，在25、35 ℃下輪蟲的初次繁殖高峰期明顯提前. 集胞藻濃度對輪蟲繁殖率的影響也有一定的規(guī)律性，當溫度為15 ℃時，輪蟲繁殖率隨集胞藻濃度的升高呈現(xiàn)增加的趨勢，但當溫度升高為25 ℃和35 ℃時，集胞藻濃度的增加不僅沒有促進輪蟲繁殖率的提高，反而抑制了輪蟲的繁殖.

圖1 3種溫度下不同實驗組萼花臂尾輪蟲存活率(lx)和繁殖率(mx)曲線Fig.1 Age-specic survival rate (lx) and fecundity (mx) of Brachionus calyciflorus at three temperatures in different treatments.

2.2 萼花臂尾輪蟲的生活史參數(shù)

當溫度為15 ℃時，輪蟲的凈生殖率隨集胞藻濃度的升高而增加，高濃度組(105、106cells/mL)輪蟲的凈生殖率顯著高于對照組(0 cells/mL)；當溫度升高為25 ℃和35 ℃時，輪蟲的凈生殖率隨集胞藻濃度的升高出現(xiàn)下降的趨勢，其中105cells/mL集胞藻實驗組輪蟲的凈生殖率顯著低于對照組(圖2). 比較相同集胞藻濃度下，輪蟲在不同溫度時的凈生殖率變化，發(fā)現(xiàn)當集胞藻濃度較低(0、104cells/mL)時，輪蟲的凈生殖率隨溫度的升高而呈現(xiàn)增加的趨勢；其中，集胞藻濃度為0 cells/mL時，15 ℃下輪蟲的凈生殖率最低；集胞藻濃度為104cells/mL時，25 ℃下輪蟲的凈生殖率最高；但當集胞藻濃度升高時(105、106cells/mL)，輪蟲的凈生殖率隨溫度升高而呈現(xiàn)下降的趨勢，當集胞藻濃度為106cells/mL時，35 ℃下輪蟲的凈生殖率顯著低于對照組.

注：圖中字母標注為多重比較的結(jié)果，不同字母表示不同處理組之間存在顯著差異；以下同圖2 3種溫度下不同實驗組萼花臂尾輪蟲凈生殖率變化Fig.2 Changes of net reproductive rate of Brachionus calyciflorus at three temperatures in different treatments

溫度對輪蟲的世代時間有顯著影響，隨溫度的升高，輪蟲世代時間明顯縮短，25 ℃和35 ℃條件下，各實驗組輪蟲的世代時間都顯著低于15 ℃. 相同溫度下，不同實驗組輪蟲的世代時間也隨集胞藻濃度的升高而呈下降趨勢；當溫度為15 ℃時，這種下降達到顯著性水平，對照組輪蟲的世代時間顯著長于其他實驗組輪蟲(圖3).

圖3 3種溫度下不同實驗組萼花臂尾輪蟲世代時間變化Fig.3 Changes of generation time of Brachionus calyciflorus at three temperatures in different treatments

圖4顯示了不同溫度下，不同實驗組輪蟲的內(nèi)稟增長率變化，當溫度為15 ℃時，輪蟲的內(nèi)稟增長率隨集胞藻濃度的升高而顯著增加，與對照組(集胞藻濃度為0 cell/mL)相比，集胞藻濃度為104cells/mL時，輪蟲的內(nèi)稟增長率增加了67.4%，集胞藻濃度為105、106cells/mL時，輪蟲的內(nèi)稟增長率分別增加了119.6%、198.9%. 但當溫度升高至25 ℃和35 ℃時，輪蟲的內(nèi)稟增長率隨集胞藻濃度升高的變化呈現(xiàn)波動性，但仍能看出，輪蟲的內(nèi)稟增長率并沒有隨集胞藻濃度的升高而明顯增加，當集胞藻濃度為105cells/mL時，輪蟲的內(nèi)稟增長率反而顯著低于對照組，其余實驗組輪蟲的內(nèi)稟增長率與對照組沒有顯著差異，35 ℃下，106cells/mL集胞藻濃度組的輪蟲內(nèi)稟增長率增加幅度最大，也只有10.2%，由此可見，隨著溫度升高，集胞藻對于輪蟲內(nèi)稟增長率的促進作用是明顯減弱的.

圖4 3種溫度下不同實驗組萼花臂尾輪蟲的內(nèi)稟增長率變化Fig.4 Changes of intrinsic growth rate of Brachionus calyciflorus at three emperatures in different treatments

溫度和集胞藻濃度對輪蟲凈生殖率(R0)、世代時間(T)和內(nèi)稟增長率(rm)的方差分析結(jié)果見表1所示，溫度、集胞藻濃度以及兩者的交互作用對輪蟲生活史主要參數(shù)都有極顯著影響.

表1 溫度與集胞藻濃度對輪蟲生活史參數(shù)的方差分析Tab.1 Analysis of variance of temperature and Synechocystis concentration on lifeTable parameters of rotifer

注：*代表極顯著，P<0.001

3 討論

目前，雖然藍藻對輪蟲種群影響的機制尚不是很清楚，但一般認為，藍藻主要通過產(chǎn)生藍藻毒素[8,13]、形成群體或其他形態(tài)[7]以及低的營養(yǎng)價值[14]對輪蟲種群產(chǎn)生影響. 有關(guān)藍藻對輪蟲種群的影響研究多集中于銅綠微囊藻上.有毒銅綠微囊藻所產(chǎn)生的微囊藻毒素對輪蟲的生長繁殖有負面的抑制作用[13], 無毒微囊藻由于缺乏脂肪酸及其他脂類物質(zhì)，也會使輪蟲的生殖能力下降[14]. 而本研究結(jié)果則顯示，當溫度為15 ℃時，萼花臂尾輪蟲種群的凈生殖率和內(nèi)稟增長率都隨集胞藻濃度的升高而顯著增加，表明在一定條件下，集胞藻可以為輪蟲種群提供營養(yǎng)，是用于輪蟲培養(yǎng)的潛在飼料[15]，這也進一步說明藍藻和輪蟲間的相互關(guān)系隨藍藻種類的不同而不同[7]，因此進行不同種類藍藻對輪蟲種群的影響研究是很有必要的.

溫度是影響輪蟲生活史特征的重要生態(tài)因子，本研究中，隨溫度的升高，輪蟲的世代時間顯著縮短，這與前人的研究結(jié)果是一致的[7,8]. 溫度對輪蟲凈生殖率的影響隨集胞藻濃度的不同而不同，當集胞藻濃度較低(0、104cells/mL)時，輪蟲的凈生殖率隨溫度的升高趨于增加；但當集胞藻濃度升高時，輪蟲的凈生殖率呈現(xiàn)相反的趨勢. 由此看出，隨溫度的升高，集胞藻濃度對輪蟲凈生殖率的促進作用逐漸減弱，甚至出現(xiàn)抑制作用(當集胞藻濃度為106cells/mL時). 種群內(nèi)稟增長率綜合了特定年齡存活率和繁殖率、首次生殖年齡和生殖間隔等，因此，溫度常對其具有顯著影響[11]，這在本研究中也得到了證實. 實驗中輪蟲種群的內(nèi)稟增長率隨溫度的升高而增加，但增加的程度則隨溫度和集胞藻濃度的不同而不同. 以106cells/mL的集胞藻濃度為例，與對照組相比，15 ℃下輪蟲種群的內(nèi)稟增長率增加高達198.9%；而當溫度升高到25 ℃和35 ℃，與對照組相比，輪蟲種群的內(nèi)稟增長率增加只有8.5%和12.1%. 由此可見，溫度的升高降低了集胞藻對輪蟲種群的促進作用. 在實驗過程中，曾觀察到較高溫度下集胞藻的聚集現(xiàn)象.可能是由于在高溫度下，集胞藻的高密度聚集，對輪蟲的攝食活動造成機械干擾[7]，從而影響輪蟲種群的凈生殖率和內(nèi)稟增長率. 溫度升高對水體浮游動物的實際影響將取決于整個水體生態(tài)系統(tǒng)不同環(huán)境因素之間復(fù)雜的相互作用，考慮到浮游動物在水生食物網(wǎng)中的重要性以及人們對全球氣候變暖的持續(xù)關(guān)注，顯然需要進一步研究溫度與其他生態(tài)變量的綜合作用對輪蟲及其他浮游動物種群的影響.