硅藻休眠孢子的生活史與研究意義

唐啟航 宋德瑞 于瀟 盧鈺博 趙振軍 崔龍波

摘?要：休眠孢子的形成是硅藻的一種繁殖方式，又是硅藻應(yīng)對(duì)環(huán)境變化的一種生存適應(yīng)策略。了解硅藻休眠孢子的生活史，掌握其形成條件與萌發(fā)規(guī)律，對(duì)古環(huán)境科學(xué)的研究、新型材料與能源的開(kāi)發(fā)和海產(chǎn)養(yǎng)殖均有重要影響。同時(shí)，硅藻休眠孢子是誘發(fā)赤潮的直接原因之一。本文通過(guò)查閱文獻(xiàn)，綜述了硅藻休眠孢子的生活史及其在不同領(lǐng)域中的研究意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

關(guān)鍵詞：硅藻;休眠孢子;生活史

休眠孢子是海洋硅藻和某些淡水硅藻生活史中出現(xiàn)的重硅質(zhì)化階段[1]，是硅藻通過(guò)在胞質(zhì)分裂期間形成硅質(zhì)沉積囊泡，提供酸性環(huán)境，再通過(guò)硅藻蛋白促使硅酸Si（OH）4沉淀成硅質(zhì)納米球，最終形成新的硅藻外殼[2]。不同的硅藻具有不同的硅藻蛋白，并通過(guò)不同的多胺鏈互相連接，從而決定了硅藻外殼的裝飾類(lèi)型，使得每個(gè)硅藻極具特點(diǎn)[2]。

探究硅藻休眠孢子的生活史，不僅可以補(bǔ)充完善有關(guān)硅藻生物特征的相關(guān)知識(shí)，同時(shí)能夠?qū)Y源開(kāi)發(fā)與利用提供更多的選擇。本文將介紹硅藻休眠孢子的生活史，并分別從古環(huán)境科學(xué)、硅藻土、生物柴油、海產(chǎn)養(yǎng)殖和赤潮五個(gè)方面闡述與硅藻休眠孢子的關(guān)系，以期為各學(xué)科及領(lǐng)域的發(fā)展提供新的思路。

1?硅藻休眠孢子生活史

1.1?硅藻休眠孢子的形成原因

硅藻休眠孢子的產(chǎn)生與生活環(huán)境的變化密切相關(guān)，當(dāng)環(huán)境條件如營(yíng)養(yǎng)鹽、溫度、光照、pH值以及鹽度等發(fā)生改變都有可能誘導(dǎo)休眠孢子的形成[3]。研究表明[3-9]，氮限制是硅藻形成休眠孢子的主要原因。

在氮限制的基礎(chǔ)上，也有研究探討了影響硅藻形成休眠孢子可能存在的其他誘因。鄭磊等[4，9]探討了光照、溫度以及鹽度的改變對(duì)中華半管藻（Hemiaulua sinensis）形成休眠孢子的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)以上條件均處于極限狀態(tài)或急劇變化時(shí)，均未能誘發(fā)孢子形成;李朗等[8]發(fā)現(xiàn)較高濃度的磷對(duì)布氏雙尾藻（Ditylum brightwellii）休眠孢子的形成具有促進(jìn)作用;孫琳等[7]認(rèn)為在低氮高硅的條件下扁面角毛藻（Chaetoceros compressus）休眠孢子的形成率最高。上述研究說(shuō)明休眠孢子的形成是多種因素組合誘發(fā)的，且不同硅藻對(duì)不同環(huán)境條件的脅迫壓力有不同的反應(yīng)。

總的來(lái)說(shuō)，硅藻休眠孢子的形成均需要環(huán)境條件的快速變化，氮限制是大部分硅藻形成休眠孢子的必須條件，其它環(huán)境條件的改變或限制能夠促進(jìn)或抑制這一過(guò)程的發(fā)生。

1.2?硅藻休眠孢子的形成途徑

硅藻休眠孢子的形成存在無(wú)性生殖和有性生殖兩種途徑，以無(wú)性生殖為主[3]。休眠孢子通常發(fā)生在有絲分裂之后，原生質(zhì)收縮，液泡及各種內(nèi)含物消失，上、下殼形成厚壁[2]，部分休眠孢子的產(chǎn)生過(guò)程與正常的有絲分裂過(guò)程相似[4]。通常一個(gè)母細(xì)胞只產(chǎn)生一個(gè)休眠孢子，位于母細(xì)胞的中央或一端，少數(shù)物種能在一個(gè)母細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生兩個(gè)休眠孢子[10]。

有性生殖的方式較為特殊，其休眠孢子存在于復(fù)大孢子中，丹麥細(xì)柱藻（Leptocylindraceae danicus）、微小細(xì)柱藻（Leptocylindraceae minimus）具有此特點(diǎn)[11-12]。緊密角管藻（Cerataulina compacta）則以無(wú)性生殖和有性生殖兩種途徑產(chǎn)生兩種類(lèi)型的休眠孢子[5-6]。

1.3?硅藻休眠孢子與營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞大小的關(guān)系

因硅藻類(lèi)似于“培養(yǎng)皿”的獨(dú)特外殼結(jié)構(gòu)[13]，導(dǎo)致硅藻在不斷繁衍的過(guò)程中會(huì)有細(xì)胞越來(lái)越小的情況，這是不同種類(lèi)的硅藻休眠孢子對(duì)營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞的大小具有物理選擇性的直接原因[1]。

緊密角管藻中無(wú)性休眠孢子的形成需要不小于一定大小的營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞，而有性休眠孢子的形成因需要先形成復(fù)大細(xì)胞，故還限制營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞不能大于一定大小?；使诮敲澹–haetoceros diadema）、布氏雙尾藻和塔形冠蓋藻（Stephanopyxis tuirs）的休眠孢子能在任何大小的營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞中產(chǎn)生[3]。硅藻休眠孢子的形成對(duì)營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞的大小的選擇，表明休眠孢子需要一定物質(zhì)基礎(chǔ)才能形成，這與硅藻在極端環(huán)境條件下不出現(xiàn)休眠孢子的現(xiàn)象相符。

1.4?硅藻休眠孢子的形成速度

雙突角毛藻休眠孢子的形成全過(guò)程一般需要48小時(shí)，較快的24小時(shí)便已成熟，但在氮貧乏的情況下升高培養(yǎng)環(huán)境的鹽度又會(huì)加速此形成過(guò)程[3];緊密角管藻通過(guò)有性生殖產(chǎn)生的休眠孢子無(wú)論是形成速度還是萌發(fā)速度均比通過(guò)無(wú)性生殖產(chǎn)生的孢子緩慢[6]。不同種硅藻形成休眠孢子的速度不同，同種硅藻的不同個(gè)體間也存在差異，環(huán)境條件的改變也會(huì)影響休眠孢子的形成速度。

1.5?硅藻休眠孢子的存活時(shí)間

溫度、光照和保存時(shí)間對(duì)休眠孢子的存活都是重要的因素[1]。休眠孢子在低溫、營(yíng)養(yǎng)限制和暗環(huán)境條件下保存，存活時(shí)間能夠延長(zhǎng)[14-16]。不同硅藻的休眠孢子表現(xiàn)出不同的存活機(jī)制，索氏短縫藻（Eunotia soleirolii）在遭遇高溫環(huán)境時(shí)會(huì)形成休眠孢子，需要長(zhǎng)時(shí)間的暗環(huán)境和低溫條件下才能打破休眠，其休眠孢子的存活期可達(dá)到3年[2]。在相同的保存條件下，緊密角管藻通過(guò)有性生殖產(chǎn)生的休眠孢子存活時(shí)間要比無(wú)性生殖產(chǎn)生的休眠孢子更長(zhǎng)，應(yīng)是基因重組后的子代具有更強(qiáng)生命力的原因[5-6]。相同硅藻的休眠孢子因生活環(huán)境條件的不同，個(gè)體的存活時(shí)間也不同。

1.6?硅藻休眠孢子的萌發(fā)

硅藻休眠孢子在萌發(fā)期間，將經(jīng)歷與形成幾乎相反的一系列變化[1]，包括原生質(zhì)體重新吸漲、細(xì)胞器的增生和貫殼軸的延長(zhǎng)[4]。大部分休眠孢子在萌發(fā)后，通常會(huì)拋棄原本的上、下殼，新形成的營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞會(huì)重新生成初生殼和次生殼[3-4，6]。冠蓋藻（Stephanopyxis sp.）較為特殊，其休眠孢子首先延長(zhǎng)，然后進(jìn)行一次有絲分裂，產(chǎn)生兩個(gè)新的營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞，每個(gè)細(xì)胞將會(huì)保留孢子的一個(gè)殼作為初生殼[17]。在解除氮限制后，部分品種的硅藻休眠孢子萌發(fā)有明顯的滯后期，一些角毛藻（Chaetoceros sp.）和丹麥細(xì)柱藻的孢子更需要強(qiáng)制性短暫休眠期[1]。應(yīng)是需要一定的營(yíng)養(yǎng)準(zhǔn)備時(shí)間，為細(xì)胞生長(zhǎng)和細(xì)胞分裂提供物質(zhì)基礎(chǔ)。

溫度和光照條件是誘導(dǎo)休眠孢子萌發(fā)的重要因素，但適宜的光暗周期是迅速誘導(dǎo)休眠孢子萌發(fā)的關(guān)鍵[3-4，6]。硅藻休眠孢子在氮限制消失且其它環(huán)境條件適宜的情況下能迅速萌發(fā)，此生活史特征是部分海域多發(fā)季節(jié)性赤潮的直接誘因。

1.7?硅藻休眠孢子生物學(xué)作用

硅藻休眠孢子具有如下生物功能：

保護(hù)作用：休眠孢子的形成是使個(gè)體度過(guò)不良環(huán)境條件的生態(tài)適應(yīng)階段;免于被動(dòng)物攝食時(shí)孢子外殼遭到破壞;抵抗細(xì)菌的侵染[1];回避在環(huán)境條件不利時(shí)的生存競(jìng)爭(zhēng)[18-19]。

繁衍：休眠孢子作為硅藻種群的種源保存下來(lái)，為新種群的形成提供可能，也是硅藻季節(jié)性赤潮的種源;不論是通過(guò)形成復(fù)大孢子產(chǎn)生休眠孢子的有性生殖途徑[5-6，20]，還是無(wú)性生殖產(chǎn)生的休眠孢子，發(fā)育形成的子細(xì)胞較母細(xì)胞都大，均具有恢復(fù)細(xì)胞大小的功能[2，10]。

傳播：休眠孢子的形成會(huì)加速硅藻細(xì)胞的沉降率[21-24]，使其從表層水沉降到深層水或吸附到礁石、大型藻類(lèi)、海洋動(dòng)物的體表等處，同時(shí)更容易受氣候、水流、人類(lèi)活動(dòng)等因素影響，傳播、擴(kuò)散到其他適宜生長(zhǎng)的地區(qū)中形成新群落[1]。

影響水體營(yíng)養(yǎng)的結(jié)構(gòu)：部分硅藻的休眠孢子會(huì)集聚形成絮狀物，將水體中的碳、氮、硅等物質(zhì)攜帶到底質(zhì)，影響水中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)[1]。

硅藻休眠孢子作為硅藻生活史中重要的一環(huán)，為種群提供了更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，為種群的繁衍提供更多的可能性，且使硅藻較其他微藻更易形成化石保存，對(duì)研究海洋生態(tài)結(jié)構(gòu)和環(huán)境條件的變化具有重要意義。

2?研究硅藻休眠孢子的意義

2.1?硅藻休眠孢子與古環(huán)境研究的關(guān)系

硅藻在死亡后，細(xì)菌會(huì)分解環(huán)繞在硅質(zhì)外殼周?chē)挠袡C(jī)膜，在某些情況下，硅質(zhì)外殼仍會(huì)完整保留并堆積于水底[2]，經(jīng)溶解、搬運(yùn)、沉積和前期成巖等作用最終形成硅藻化石[22]。

地層中的硅藻化石蘊(yùn)含著豐富的地質(zhì)時(shí)期的環(huán)境與年代信息，是追溯地質(zhì)環(huán)境變化的重要生物標(biāo)志，通過(guò)現(xiàn)代技術(shù)定量研究現(xiàn)代硅藻分布與環(huán)境變量之間的關(guān)系，并將其應(yīng)用于研究沉積物中的硅藻化石組合，從而為定量研究古環(huán)境、古氣候提供可靠依據(jù)[23]。

2.2?硅藻休眠孢子與生物柴油的發(fā)展

生物柴油是以生物體油脂為原料，通過(guò)分解、酯化而得到的長(zhǎng)鏈脂肪酸甲酯，是一種可以替代普通柴油使用的環(huán)保、可再生能源，具有燃燒性能高、使用安全、獲得成本低、污染小等特點(diǎn)[25]。在眾多原料中，微藻具有生長(zhǎng)周期短、太陽(yáng)轉(zhuǎn)換率高、飽和脂質(zhì)的生產(chǎn)率高、易于培養(yǎng)及低成本的特點(diǎn)[26]。以微藻生物柴油作為發(fā)展方向既能研發(fā)具有潛力的新型生物能源，還可以緩解我國(guó)土地資源緊張的態(tài)勢(shì)[27]，故具有廣闊的開(kāi)發(fā)利用前景。

迄今為止，已測(cè)定脂肪酸含量的微藻達(dá)上百種，但目前作為原料的微藻僅有綠藻、硅藻和部分藍(lán)藻[27]。林均民等[3]和鄭磊等[4，9，21]分別在雙突角毛藻和中華半管藻的研究中報(bào)道了在休眠孢子形成期間孢子內(nèi)脂肪的積累明顯增多，能通過(guò)光學(xué)顯微鏡觀察到明顯的油點(diǎn)的情況。

硅藻休眠孢子較營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞含油量有明顯提升的現(xiàn)象，應(yīng)能為基因工程領(lǐng)域中尋找發(fā)現(xiàn)其相關(guān)基因和通過(guò)微藻培養(yǎng)技術(shù)提升產(chǎn)油量提供可能方向。

2.3?硅藻休眠孢子對(duì)海產(chǎn)養(yǎng)殖的作用

隨著微藻資源的開(kāi)發(fā)和綜合利用水平的提高以及規(guī)模化養(yǎng)殖工藝日趨成熟，微藻在水產(chǎn)養(yǎng)殖中被廣泛使用，提高了魚(yú)、蝦、貝類(lèi)與藻類(lèi)等浮游生物之間的相互作用[27]。而目前能大規(guī)模在苗種生產(chǎn)中推廣應(yīng)用的微藻只有20多種，硅藻作為無(wú)脊椎動(dòng)物如橈足類(lèi)的首選食物[2]，占推廣苗種近半數(shù)（11種），其中更以海洋硅藻為主[27]。

因休眠孢子被稱為硅藻的“種子”[7]，掌握其形成和萌發(fā)條件，將其作為“種源”進(jìn)行儲(chǔ)存和使用，或提前通過(guò)人為控制海域中休眠孢子的萌發(fā)時(shí)間，為控制養(yǎng)殖海域的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量和海產(chǎn)的質(zhì)量提供可能。

2.4?硅藻休眠孢子對(duì)赤潮形成的影響

硅藻在赤潮的形成中扮演重要角色。其中骨條藻、海鏈藻和短角彎角藻等硅藻是黃海赤潮發(fā)生的主力軍[28]。因形成赤潮的硅藻和大部分甲藻[29]均有形成休眠孢子的生活史特征，在赤潮多發(fā)的春、夏季節(jié)，溫度、光照、水流等條件的變化，會(huì)導(dǎo)致沉積在海洋中的休眠孢子萌發(fā)，出現(xiàn)物種的個(gè)體數(shù)量急速上升的現(xiàn)象，又在短時(shí)間內(nèi)導(dǎo)致在赤潮影響范圍內(nèi)有限的營(yíng)養(yǎng)鹽濃度降至接近于零的水平[2]，形成突發(fā)性的營(yíng)養(yǎng)脅迫，導(dǎo)致新的休眠孢子形成，再次成為下一次赤潮發(fā)生的“伏筆”。中肋骨條藻在營(yíng)養(yǎng)鹽含量或其他環(huán)境條件成為其限制因子時(shí)，在同一條中肋骨條藻鏈上的細(xì)胞會(huì)同時(shí)形成休眠孢子，等到環(huán)境適宜時(shí)，休眠孢子再同時(shí)萌發(fā)，短時(shí)間內(nèi)形成大規(guī)模赤潮[30]。故此生活史特點(diǎn)使部分海域的赤潮常年發(fā)生。

研究浮游植物群落結(jié)構(gòu)變動(dòng)和赤潮生物形態(tài)變化，利用海底耕耘法[18]，在有害鞭毛藻產(chǎn)生赤潮時(shí)，使海水里硅藻的休眠孢子提前萌發(fā)，與之形成生存競(jìng)爭(zhēng)，可抑制赤潮的發(fā)生。

3?建議與展望

國(guó)內(nèi)對(duì)硅藻休眠孢子的研究起步較晚，相關(guān)研究工作較少，但研究硅藻休眠孢子，既是對(duì)硅藻生態(tài)學(xué)和分類(lèi)學(xué)相關(guān)知識(shí)的重要補(bǔ)充，探究其與多方面學(xué)科與應(yīng)用的相關(guān)性，又能為相關(guān)發(fā)展提供可能性與新思路，例如在產(chǎn)生生物柴油的新型經(jīng)濟(jì)價(jià)值的同時(shí)，能減少赤潮導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失。隨著分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展和研究手段的豐富，對(duì)硅藻休眠孢子的相關(guān)研究應(yīng)能煥發(fā)新的活力。

參考文獻(xiàn)：

[1] 謝文玲，康燕玉，高亞輝.硅藻休眠孢子生活史的研究進(jìn)展[J].海洋科學(xué)，2006（09）：75-78.

[2] LEE R E.藻類(lèi)學(xué)：4版[M].段德麟，胡自民，胡征明，等譯.北京：科學(xué)出版社，2012：378-406.

[3] 林均民，金德祥.雙突角毛藻休眠孢子的形成和萌發(fā)[J].海洋學(xué)報(bào)（中文版），1986（01）：92-100.

[4] 鄭磊，林均民，金德祥.中華半管藻休眠孢子的形成和萌發(fā)[J].廈門(mén)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1995（02）：276-281.

[5] 王團(tuán)老，林均民.緊密角管藻的有性生殖研究[J].臺(tái)灣海峽，1996（02）：147-153，215.

[6] 王團(tuán)老，林均民，謝宏.緊密角管藻的兩種類(lèi)型休眠孢子[J].廈門(mén)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1997（03）：126-131.

[7] 孫琳，高亞輝，陳長(zhǎng)平，等.氮、硅限制對(duì)赤潮藻扁面角毛藻休眠孢子形成的影響[J].植物學(xué)報(bào)，2009，44（05）：601-607.

[8] 李朗，高亞輝，劉廣發(fā)，等.不同氮、磷濃度對(duì)布氏雙尾藻休眠孢子形成的影響[J].海洋科學(xué)，2016，40（04）：40-45.

[9] 鄭磊，林均民，金德祥.中華半管藻繁殖生物學(xué)研究：Ⅰ細(xì)胞分裂與環(huán)境因子[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，1995（01）：32-38.

[10] 錢(qián)樹(shù)本，劉東艷，孫軍，等.海藻學(xué)[M].青島：中國(guó)海洋出版社，2005：285-312.

[11] HARGRAVES P E，F(xiàn)RENCH F.Diatom resting spores： significance and strategies[C]//FRYXELL G A.Survival Strategies of the Algae.New York： Cambridge University Press，1983.49-68.

[12] HARGRAVES P E.Studies on marine plankton diatoms V.Morphology and distribution on Leptocylindrus minimus Gran[J].Beih Nova Hedwigia，1990，100：47-60.

[13] 周云龍，劉寧，劉全儒，等.植物生物學(xué)：3版[M].北京：高等教育出版社，2010：328-331.

[14] DURBIN E G.Aspects of the biology of resting spores of Thalassiosira nordenskioeldii and Detonula confervacea[J].Mar Biol （Berl），1978，45：31-37.

[15] HOLLIBAUGH J T，SEIBERT D R L，THOMAS W H.Observation on the survival and germination of resting spores of three Chaetoceros （Bacillariophyceae） species[J].J Phycol，1981，17：1-9.

[16] HARGRAVES P E， FRENCH F.Observation on the survival of diatom resting spores[J].Beih Nova Hedwigia，1975，53： 229-238.

[17] DREBES G.On the life history of the marine plankton diatom Stephanopyxis palmeriana[J].Helgol Wiss Meeresunters，1966，13：101-114.

[18] 游祖持.防止赤潮發(fā)生的新方法[J].水產(chǎn)科技情報(bào)，2018，45（03）：175.

[19] 沈盎綠，歐陽(yáng)瓏玲，尹艷娥，等.紅色赤潮藻主導(dǎo)的混合赤潮對(duì)浮游生物群落結(jié)構(gòu)的影響：以浙江南部沿海為例[J].海洋環(huán)境科學(xué)，2018，37（05）：625-630.

[20] 王團(tuán)老，林均民，謝宏，等.緊密角管藻生活史中三類(lèi)細(xì)胞的形態(tài)結(jié)構(gòu)[J].臺(tái)灣海峽，2000（04）：464-468，542-544.

[21] 鄭磊，林均民，金德祥.中華半管藻繁殖生物學(xué)研究：Ⅱ營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞和休眼孢子的形態(tài)結(jié)構(gòu)[J].臺(tái)灣海峽，1994（03）：280-283.

[22] 沙龍濱，任健，蔣輝，等.西格陵蘭Disko灣表層沉積硅藻組合研究[J].極地研究，2008（03）：229-239.

[23] 吳瑞，藍(lán)東兆，高亞輝，等.海洋沉積硅藻研究進(jìn)展[J].臺(tái)灣海峽，2011，30（01）：142-148.

[25] 劉明華，張新穎.海洋藻類(lèi)資源高效利用技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2016：119，186-187.

[26] 劉婷.淺談微藻生物柴油[J].生物化工，2018，4（04）：109-112.

[27] 鄧祥元.應(yīng)用微生物學(xué)[M].北京：海洋出版社，2016：98-103，107-108.

[28] 孔凡洲，姜鵬，魏傳杰，等.2017年春、夏季黃海35°N共發(fā)的綠潮、金潮和赤潮[J].海洋與湖沼，2018，49（05）：1021-1030.

[29] 顧海峰，藍(lán)東兆.用鎢酸鈉分離法研究詔安灣甲藻休眠孢子[J].臺(tái)灣海峽，2001（01）：132-133，140.

[30] 沈竑，洪君超.長(zhǎng)江口中肋骨條藻赤潮發(fā)生全過(guò)程調(diào)查報(bào)告──浮游植物群落結(jié)構(gòu)及細(xì)胞形態(tài)研究[J].海洋與湖沼，1994（06）：591-595，688.

Abstract：The formation of resting spores of diatoms，is a breeding mode and a survival strategy of adaptation to cope with environmental changes.Understanding the life history，formation conditions and bourgeon rules of resting spores of diatoms has important effects on the study of paleoenvironmental science，the development of new materials and new source of energy，and the cultivation of marine products.Similarly，the resting spores are one of the direct causes of red tides.In this paper，through consulting documents and books，the life history of resting spores and its research significance and economic value in different fields are reviewed.

Key words：diatom; resting spores; life history