壇紫菜生活史的研究現(xiàn)狀及存在的問題

黃冰心 , 劉金梅 馬元元, 姜晶晶 丁蘭平

(1. 天津師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 天津市動(dòng)植物抗性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 天津 300387; 2. 汕頭大學(xué), 廣東 汕頭515063)

紫菜隸屬于紅藻門紅毛菜科紫菜屬(Porphyra),廣泛生長于全球海岸帶。其具有多種生物活性[1], 以及較高的營養(yǎng)價(jià)值和藥用價(jià)值。作為我國重要的經(jīng)濟(jì)栽培物種, 常見的有屬暖溫性的壇紫菜(P. haitanensisChang et Zheng)和屬冷溫性的條斑紫菜(P.yezoensisUeda)[2]。尤其壇紫菜, 在我國東南沿海廣泛栽培, 其產(chǎn)量約占全國紫菜產(chǎn)量的 75%[3]。從2008 年至2016 年, 我國紫菜總產(chǎn)量達(dá)到了13 萬噸[4],其增長率為60%以上。據(jù)2011 年的文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo), 其年產(chǎn)值達(dá)到了13 億美元[5]。

對紫菜屬的研究發(fā)現(xiàn), 絕大多數(shù)紫菜生活史中具有大型葉狀體和微型絲狀體兩個(gè)世代[6-7]; 有三種孢子, 即與有性生殖相關(guān)的果孢子和殼孢子, 以及與無性生殖相關(guān)的單孢子。壇紫菜生活史的兩個(gè)世代具有明顯不同的形態(tài)和生物學(xué)特征[8]。其配子體為單層細(xì)胞(局部為兩層細(xì)胞)的葉狀體, 孢子體為單列細(xì)胞的絲狀體。在紫菜的栽培生產(chǎn)中, 孢子體可作種苗用于栽培生產(chǎn), 絲狀體可作種質(zhì)用于篩選優(yōu)質(zhì)種苗, 兩者對紫菜的育苗生產(chǎn)都十分關(guān)鍵。

根據(jù)分析總結(jié)現(xiàn)有資料, 壇紫菜生活史可劃分為2 個(gè)階段: (1) 葉狀體階段——?dú)ゆ咦用劝l(fā)成葉狀體至產(chǎn)生果孢子時(shí)期; (2) 絲狀體階段, 即殼斑藻階段——果孢子脫離母體、萌發(fā)成絲狀體至放散出殼孢子時(shí)期。

我國紫菜的遺傳育種成果顯著, 截至2018 年已培育出6 個(gè)紫菜良種, 其中包括4 個(gè)壇紫菜新品種[9]。紫菜新品種的培育與其生殖和生活史密切相關(guān), 品質(zhì)優(yōu)良的新品種在一定程度上能促進(jìn)紫菜行業(yè)的發(fā)展。自1921 年[10]至今, 在紫菜生活史中, 減數(shù)分裂的發(fā)生時(shí)期與位置成為了研究焦點(diǎn), 這也是紫菜生殖研究中關(guān)注和爭論最多的地方之一[11-13]。由于紫菜細(xì)胞較小, 染色體也相應(yīng)較小, 導(dǎo)致在染色過程中染色體分散程度較差, 且染色期間細(xì)胞質(zhì)也染上顏色, 致使細(xì)胞核的細(xì)微結(jié)構(gòu)較難區(qū)分, 因此在沒有較好的光學(xué)顯微鏡和染色體制片技術(shù)情況下很難清楚地觀察到紫菜減數(shù)分裂發(fā)生的過程, 所得結(jié)果也有差異[10]。對于壇紫菜生活史中是否存在單孢子,也一直存在著爭論[14-16]。研究壇紫菜的生活史主要是為了在壇紫菜育種方面得到進(jìn)一步的應(yīng)用, 以解決紫菜苗源問題。為此, 本文總結(jié)了壇紫菜的生殖及生活史的研究現(xiàn)狀和存在的問題, 目的是為我國壇紫菜的種質(zhì)選育等提供理論參考。

1 生殖和生活史

生命體繁衍后代的基體特征為生殖, 它是指由親代個(gè)體產(chǎn)生子代個(gè)體的現(xiàn)象。據(jù)報(bào)道, 紫菜的生殖方式多樣且復(fù)雜, 即使同一物種, 其生殖方式往往也存在差異, 能夠以多種生殖方式繁殖后代[17]。

1.1 無性生殖

營養(yǎng)細(xì)胞和單孢子是紫菜進(jìn)行無性生殖的兩種形式。梅俊學(xué)等[18]發(fā)現(xiàn)條斑紫菜葉狀體離體組織在一定培養(yǎng)條件下, 其營養(yǎng)細(xì)胞經(jīng)過一系列的變化可產(chǎn)生出幼苗; 方宗熙等[19]對紫菜營養(yǎng)細(xì)胞進(jìn)行了酶法分離并將其應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖。何培民等[20]發(fā)現(xiàn)紫菜可以在較小的育苗室中通過細(xì)胞懸浮培養(yǎng)的方式培育出可觀的細(xì)胞苗種, 這為紫菜體細(xì)胞育苗技術(shù)的發(fā)展提供了可能。紫菜葉狀體階段可產(chǎn)生單孢子,它是由營養(yǎng)細(xì)胞在一定情況下轉(zhuǎn)變而成的。單孢子是紫菜生活史中一種重要的無性繁殖孢子, 它的產(chǎn)生對紫菜苗種數(shù)的增加、收獲期的延長和產(chǎn)量、品質(zhì)的提高具有十分重要的意義[21-23]。李世英等[24]發(fā)現(xiàn)用冷凍紫菜采單孢子苗可以作為紫菜栽培中的苗源。王素娟等[25]對條斑紫菜成功進(jìn)行了單孢子二次采苗的實(shí)驗(yàn)。張聰?shù)萚26]發(fā)現(xiàn)Pyropia churharii單孢子的過量放散會(huì)抑制葉狀體的增長, 影響其產(chǎn)量。

此外, 藻體的部分細(xì)胞會(huì)因其受到損傷或者是在其他不利情況下, 如藻體不健康而將要死亡時(shí),轉(zhuǎn)變?yōu)殪o孢子或內(nèi)生孢子, 其細(xì)胞或原生質(zhì)體的生命力強(qiáng)大, 即使離開了母體仍可繼續(xù)萌發(fā), 但這與單孢子有著本質(zhì)的區(qū)別[27]。

不同種的紫菜葉狀體(配子體)單孢子放散的條件不同。Mizuta 等[28]發(fā)現(xiàn)了一定劑量的尿囊素可促使條斑紫菜提早形成和放散單孢子。林珠英等[29]的研究也得出了相同的結(jié)果。之后, 孫迪等[30]在研究中也驗(yàn)證了尿囊素對印度產(chǎn)紫菜Pyropia chauhanii單孢子的放散有促進(jìn)作用, 并且還發(fā)現(xiàn)了尿囊素可以促進(jìn)紫菜葉狀體體細(xì)胞分化為生殖細(xì)胞。而有些紫菜品種, 包括東亞大量栽培的品種, 可以產(chǎn)生無性孢子或中性孢子[10], 這兩種孢子與單孢子類似。由單孢子形成的葉狀體只有單倍體階段。在條斑紫菜生活史中存在單孢子, 由單孢子萌發(fā)形成的苗又可產(chǎn)生第二代、第三代單孢子。因此, 條斑紫菜生長群體中的許多個(gè)體實(shí)際上都是由單孢子形成的。目前條斑紫菜單孢子細(xì)胞工程化育苗已在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用[31]。

在紫菜的栽培生產(chǎn)過程中, 無性生殖對其絲狀體的增殖作用明顯。紫菜絲狀體無性增殖方式[32]主要有以下3 種: (1)絲狀體斷裂形成藻絲段, 繼續(xù)生長形成新的絲狀體; (2)通過產(chǎn)生單孢子萌發(fā)成新的絲狀體; (3)以孢子囊枝的形式萌發(fā)成絲狀體。有學(xué)者在壇紫菜的研究中也發(fā)現(xiàn)了絲狀體在斷裂之后形成的藻絲段可以發(fā)生增殖現(xiàn)象[33]。此外, 通過從單藻落、藻絲段獲得基因型一致的絲狀體無性繁殖系及從單孢子葉狀體獲得純合的絲狀體無性繁殖系也是解決紫菜育種困難的一種方法[34]。

1.2 有性生殖

紫菜屬有性生殖一直是藻類學(xué)家關(guān)注的焦點(diǎn)。Berthol 首次提出了P. leucosticta存在有性生殖方式[35]。后來, 相關(guān)學(xué)者也報(bào)道了其他紫菜的有性生殖現(xiàn)象[36]。目前, 大多數(shù)研究者認(rèn)為紫菜屬中大多數(shù)種類的主要繁殖方式為有性生殖。

壇紫菜進(jìn)行有性生殖的方式較復(fù)雜, 最初是由葉狀體上的營養(yǎng)細(xì)胞轉(zhuǎn)化為精子囊細(xì)胞和果胞細(xì)胞,而后精子囊細(xì)胞經(jīng)過不斷地分裂形成小而無色的精子[7-8,37], 最后再與果胞細(xì)胞結(jié)合完成受精過程。受精果胞(合子)再經(jīng)過分裂成為果孢子, 成熟的果孢子在一定條件下可離開母體鉆入貝殼萌發(fā), 從而開始生活史的另一階段, 即絲狀體階段。隨著絲狀體的不斷生長, 在合適的條件下逐漸形成膨大的藻絲,之后轉(zhuǎn)化成殼孢子囊并釋放殼孢子, 殼孢子再萌發(fā)長成紫菜葉狀體, 即紫菜階段。殼孢子在紫菜的栽培生產(chǎn)中作為種子而存在, 其放散量和附著程度與紫菜的產(chǎn)量和質(zhì)量是密切相關(guān)的[38-40]。

紫菜藻體的性別多樣, 可依據(jù)藻體上的雌雄生殖細(xì)胞的分布情況劃分為以下4 種類型: (1)雌雄異體,如P. dentata和P. pseudolineatis[41]; (2)雌雄同體, 其雌雄生殖細(xì)胞又可分為兩種情況, 一種為藻體上的雌雄生殖細(xì)胞混雜分布, 稱為雌雄同體混雜分布型,另一種為雌雄生殖細(xì)胞在葉狀體縱軸兩側(cè)分布, 稱為雌雄同體分區(qū)分布型, 如P. yezoensis(條斑紫菜)[42]和P. variegate[43]; (3)雌雄異體為主, 兼有雌雄同體, 如P. haitanensis(壇紫菜)[44], 其葉狀體絕大部分為雌雄異體?? 嚴(yán)興洪教授報(bào)道壇紫菜在實(shí)驗(yàn)條件下主要是雌雄同體(2012 年3 月10 日在“紫菜研究新進(jìn)展”研討會(huì)上的口頭報(bào)告)。; (4)雌雄同體兼有雄體, 如P. katadaivar. hemiphylla(半葉紫菜華北變種)[45]。

目前文獻(xiàn)所報(bào)道的壇紫菜性別普遍為雌雄異體,只有少部分為雌雄同體。雌雄同體的壇紫菜, 其果胞卵囊群和精子囊器(雄性生殖器官)在藻體上一般是以直線或曲線的形式分別在藻體的一定區(qū)域集中分布, 有的則是在藻體上對半等分。

1.3 單性生殖

單性生殖是指雌性個(gè)體可以在未受精的情況下通過復(fù)制自身的DNA 繁衍新個(gè)體的現(xiàn)象。目前, 紫菜的單性生殖在其生活史中是否存在仍然有爭議。由于紫菜的適應(yīng)性強(qiáng), 在許多環(huán)境下仍可存活, 甚至可不經(jīng)過受精作用而形成單性的果孢子[46]。目前至少有2 種紫菜(P. gardneri和P. umbilicalis)報(bào)道了存在單性生活史[47-52]。

至今為止, 對壇紫菜單性生殖的研究多集中在表觀觀察上, 很少涉及其發(fā)生機(jī)理的研究。付陽陽等[53]在對壇紫菜單性生殖研究中發(fā)現(xiàn)在光強(qiáng)增加、高溫和N 缺乏或富N 的條件下可促使壇紫菜單性生殖的發(fā)生。鐘晨輝等[54]發(fā)現(xiàn)藍(lán)光源可促使壇紫菜單性生殖提早發(fā)生, 而綠光源卻起到抑制的結(jié)果?？傊?單性生殖發(fā)生機(jī)理仍需要更進(jìn)一步研究。

1.4 生活史

紫菜生活史, 亦稱紫菜生命周期, 包括生長、發(fā)育和繁殖等完整階段, 通過細(xì)胞分裂、體積增大和數(shù)量增加以及形態(tài)功能的分化, 產(chǎn)生與父母本基本相同的子一代, 周而復(fù)始地延續(xù)生命周期。

紫菜P. umbilicalis的殼斑藻生活階段的發(fā)現(xiàn)是紫菜生活史研究取得的突破性進(jìn)展[55]。隨著對栽培紫菜生活史研究的深入, 發(fā)現(xiàn)了紫菜的其他生殖方式。張學(xué)成等[56]根據(jù)紫菜生活史是否放散孢子對其進(jìn)行了大致的分類: (1)以P. yezoensis和P.oligospermatangia(少精紫菜)為代表的有單孢子型生活史; (2)以P. haitanensis和P. katadaivar.hemiphylla為代表的無單孢子型生活史; (3) 以P. tanuipedalis(貝殼紫菜)為代表的無殼孢子型生活史。有報(bào)道認(rèn)為,紫菜生活史可劃分為4 種類型, 即無性型、有性型、有性與無性混合型和單倍核相型[17]。最近 Varela-álvarez等[57]在染色體多倍性的研究中提出了三種紫菜生活史的新推測, 即: (1)生活史1 (P. linearis,P.umbilicalis和P. dioica): 三倍體和四倍體兩種譜系共存, 但彼此分離; (2)生活史2(P. linearis,P.umbilicalis和P. dioica): 三倍體和四倍體兩種譜系共存, 但所釋放的配子具有不同的倍性, 可相互交叉, 基因流從四倍體到三倍體; (3)生活史3(P. umbilicalis): 三倍體、四倍體和混合倍體三種譜系共存, 混合倍體譜系充當(dāng)三倍體和四倍體之間的橋梁。此外, 還有不同學(xué)者試著從不同角度對紫菜生活史進(jìn)行了分類[58-60],但總的來說都存在一定的局限性。

過去普遍認(rèn)為壇紫菜葉狀體的生殖方式僅存在有性生殖, 直到紫菜葉狀體營養(yǎng)細(xì)胞再生為葉狀體的發(fā)現(xiàn)才打破了這種錯(cuò)誤的認(rèn)識[15]。目前認(rèn)為壇紫菜和條斑紫菜生活史同時(shí)存在有性生殖和無性生殖兩種方式, 它們均屬于混合型生活史。

2 存在問題

雖然對壇紫菜的生殖和生活史方面已經(jīng)有了一定的研究進(jìn)展, 但仍存在一些問題亟待解決, 如單孢子是否存在等。

2.1 壇紫菜生活史中是否存在單孢子

對于壇紫菜生活史中單孢子是否存在的問題,一直存在爭議。一些學(xué)者認(rèn)為壇紫菜葉狀體不能產(chǎn)生單孢子[14,61]。據(jù)報(bào)道, 藻體較薄且由單層細(xì)胞構(gòu)成的物種可以產(chǎn)生單孢子, 而藻體為雙層細(xì)胞或具有雙色素體的物種不能自然形成單孢子[59,62]。也有學(xué)者報(bào)道在壇紫菜上觀察到了單孢子的存在, 并可培養(yǎng)成苗[15]。項(xiàng)文鈺[63]觀察到壇紫菜有類似單孢子形態(tài)的細(xì)胞出現(xiàn), 他認(rèn)為不能斷定壇紫菜是不存在單孢子無性生殖途徑。李勇斌等[64]在誘變壇紫菜原生質(zhì)體后發(fā)現(xiàn)一些類似單孢子的顆粒狀細(xì)胞。潘光華[16]報(bào)道壇紫菜存在單孢子無性繁殖方式。王娟[17]發(fā)現(xiàn)壇紫菜小苗稍部的營養(yǎng)細(xì)胞或藻段在特定條件下能夠脫離母體而生長成幼苗。

實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中, 相對于大量放散單孢子成苗的條斑紫菜而言, 壇紫菜的海上自然補(bǔ)苗作用并不明顯, 其在海上生產(chǎn)過程中并未觀察到明顯的新生苗的發(fā)生和生長, 其巨大的產(chǎn)量主要依賴于個(gè)體比較大的藻體及其生長條件。

2.2 壇紫菜減數(shù)分裂發(fā)生的位置

1955 年曾呈奎[65]將甘紫菜的絲狀突起稱為原始受精絲; 1978 年Hawkes 在研究中發(fā)現(xiàn)P. gardneri的精子囊內(nèi)容物能夠通過原始受精絲進(jìn)入果胞[46], 這一結(jié)果為揭示紫菜生活史中的有性生殖過程提供了強(qiáng)而有力的證據(jù)。紫菜受精過程得到證實(shí)[4], 其生活史中也必然會(huì)發(fā)生減數(shù)分裂。

據(jù)歸納總結(jié), 關(guān)于紫菜的核相與減數(shù)分裂發(fā)生的時(shí)期主要有4 種代表性觀點(diǎn): (1)受精果孢的首次細(xì)胞分裂期間進(jìn)行減數(shù)分裂, 產(chǎn)生單倍體的果孢子[11,66-67]; (2)在孢子囊枝中形成殼孢子期間進(jìn)行減數(shù)分裂, 產(chǎn)生單倍體的殼孢子, 后者萌發(fā)后產(chǎn)生葉狀體細(xì)胞, 其基因型相同[12,68-70]; (3)殼孢子萌發(fā)時(shí)期發(fā)生減數(shù)分裂, 分裂所產(chǎn)生的細(xì)胞其基因型不同, 但都分布在同一個(gè)紫菜個(gè)體, 即紫菜的葉狀體為嵌合體[13,36,71-75]; (4)在孢子囊枝形成與成熟期發(fā)生減數(shù)第一次分裂, 在減I 分裂期間有雙分孢子的產(chǎn)生和殼孢子的放散, 殼孢子萌發(fā)分裂標(biāo)志著減數(shù)第二次分裂的開始[76]。

關(guān)于紫菜減數(shù)分裂還有一些其他觀點(diǎn): (1)減數(shù)分裂可能是不固定的, 不同種類紫菜其減數(shù)分裂發(fā)生的時(shí)間和位置不同[77]; (2)殼孢子萌發(fā)過程中進(jìn)行減數(shù)分裂, 主要包括雌雄同體各半的種類和藻體上混雜分布有性生殖細(xì)胞的雌雄同體種類[78]; (3)殼孢子形成時(shí)期發(fā)生了減數(shù)分裂, 主要為雌雄異體種類[78], 即殼孢子作為單倍體而存在。

目前, 藻類學(xué)家普遍接受紫菜在殼孢子萌發(fā)時(shí)期發(fā)生了減數(shù)分裂的觀點(diǎn), 但這只在個(gè)別紫菜物種(P. tenera,P. torta,P. yezoensis和P. purpurea等)中得到了證實(shí)。曾呈奎[79]認(rèn)為壇紫菜在殼孢子萌發(fā)時(shí)期發(fā)生減數(shù)分裂的可能性最大, 但沒有確鑿的證據(jù)。嚴(yán)興洪等[80-81]通過對壇紫菜色素突變體與野生型進(jìn)行雜交試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)減數(shù)分裂發(fā)生在殼孢子萌發(fā)時(shí)最初進(jìn)行的兩次細(xì)胞分裂。黃秋[82]判斷在殼孢子萌發(fā)成葉狀體期間發(fā)生了減數(shù)分裂, 殼孢子萌發(fā)初期進(jìn)行的兩次細(xì)胞分裂為減數(shù)分裂。嚴(yán)興洪等[83]的研究仍然支持壇紫菜在殼孢子萌發(fā)時(shí)期發(fā)生了減數(shù)分裂。嚴(yán)興洪等[84]又對壇紫菜生活史的各階段進(jìn)行了細(xì)致的細(xì)胞學(xué)觀察, 再次表明了在壇紫菜(雌雄異體)生活史中, 減數(shù)分裂發(fā)生在殼孢子萌發(fā)的初始分裂時(shí)期。之后, 楊秀文等[85]通過對圓紫菜色素突變體的雜交試驗(yàn)也認(rèn)為在殼孢子萌發(fā)的最初兩次細(xì)胞分裂發(fā)生了減數(shù)分裂, 即殼孢子萌發(fā)初期發(fā)生了減數(shù)分裂。

壇紫菜減數(shù)分裂的具體發(fā)生時(shí)期的確定仍需要進(jìn)一步的證據(jù)來加以證實(shí)。首先, 壇紫菜在生活史的不同階段其形態(tài)變異較大, 尤其是在絲狀體階段,僅僅通過形態(tài)學(xué)的判斷難以確定減數(shù)分裂發(fā)生的時(shí)期; 然后, 在顯微鏡下觀察細(xì)胞核染色體的變化較困難, 難以通過核相的變化來推測減數(shù)分裂發(fā)生的具體時(shí)期; 其次, 獲得理想的色素突變體也比較困難, 因此利用色素突變體的方法來驗(yàn)證減數(shù)分裂也相對困難。最后, 通過目前的儀器(如流式細(xì)胞儀)達(dá)到準(zhǔn)確分離某一分裂期的細(xì)胞難度系數(shù)較大, 直接觀察壇紫菜的減數(shù)分裂難以實(shí)現(xiàn)。因此, 減數(shù)分裂發(fā)生于壇紫菜生活史的具體時(shí)期仍難有定論。

2.3 壇紫菜是否存在單性生殖

野生壇紫菜性別大多數(shù)為雌雄異體, 其生殖方式一般為有性生殖。壇紫菜的性別表現(xiàn)是否會(huì)受到人為單性培養(yǎng)的影響, 性別表現(xiàn)的改變又是否影響其生殖方式, 這在壇紫菜單性生殖的研究中是值得思考的問題。這不僅涉及壇紫菜遺傳育種方面的研究, 還極可能對遺傳學(xué)的理論研究提供新的見解。曾慶國等[86]利用隔離培養(yǎng)的方式把壇紫菜的單個(gè)體細(xì)胞(單倍體)培育出了無性純合系(二倍體), 并且對其進(jìn)行了生活史探討, 但對紫菜的單倍體細(xì)胞如何加倍和單性生殖存在的問題并未給予討論。近年來有研究報(bào)道, 紫菜的單性營養(yǎng)細(xì)胞或組織培養(yǎng)在一定條件下可以通過性逆轉(zhuǎn)的方式轉(zhuǎn)變?yōu)榇菩蹆煞N不同性別產(chǎn)物。姜紅霞[87]的研究發(fā)現(xiàn), 對半葉紫菜華北變種的單性營養(yǎng)組織的離體培養(yǎng)可以形成類果孢子囊和類精子囊器, 或形成與果孢子囊功能相似的細(xì)胞團(tuán)。潘光華[16]對壇紫菜葉狀體無性繁殖系的研究也得到相似結(jié)果。許璞[88]在對壇紫菜的性別特征研究中發(fā)現(xiàn)其雌雄性別比例具有1︰1 的關(guān)系, 且在對野外成熟的藻體進(jìn)行培養(yǎng)中, 發(fā)現(xiàn)兩種性別植株都表現(xiàn)出了相反性別性狀的個(gè)體, 并出現(xiàn)雌性同株個(gè)體。王娟[17]在對壇紫菜單性生殖時(shí)也發(fā)現(xiàn)了相同的現(xiàn)象,認(rèn)為壇紫菜在單種性別的情況下啟動(dòng)異性基因的表達(dá), 促使藻體某些細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)楫愋陨臣?xì)胞, 從而保證生命體的繁殖。嚴(yán)興洪等[89]發(fā)現(xiàn), 壇紫菜的遺傳純系可單性生殖。王娟等[90]的研究發(fā)現(xiàn), 壇紫菜并非完全通過單性生殖途徑產(chǎn)生單性營養(yǎng)細(xì)胞后代。潘光華等[91]認(rèn)為由壇紫菜單性組織發(fā)育形成絲狀體的繁殖方式不屬于單性生殖, 原因: (1)單性組織通過性逆轉(zhuǎn)方式產(chǎn)生兩性生殖細(xì)胞發(fā)生在絲狀體形成之前; (2)由絲狀體所產(chǎn)生的某些單性葉狀體后代是通過性逆轉(zhuǎn)形成的, 因此單性葉狀體并非全部為單一性別個(gè)體。

壇紫菜營養(yǎng)細(xì)胞和組織在發(fā)育過程中其單性生活史轉(zhuǎn)變?yōu)椤坝行浴鄙钍? 這極有可能通過性逆轉(zhuǎn)方式產(chǎn)生。因此, 很難斷定之前報(bào)道中通過單性生殖方式獲得的絲狀體純系為單性生殖產(chǎn)物。由于紫菜雌配子較難獲得, 以及難以判斷果胞受精狀況,因此該方面的研究仍比較欠缺, 有待于更加深入的研究。

傳統(tǒng)觀點(diǎn)普遍認(rèn)為, 單性生殖只能短期存在[92],因?yàn)殚L期的單性生殖不能夠通過基因重組注入新基因和淘汰有害的突變, 使物種不能進(jìn)化, 不能適應(yīng)新的環(huán)境變化, 從而導(dǎo)致該物種的繁衍走到盡頭。但事實(shí)表明, 許多單性物種的繁殖速度不僅快, 而且比兩性物種具有更強(qiáng)的優(yōu)越性。此外, 在研究中發(fā)現(xiàn)有大約50 種單性生物不但沒有因?yàn)榛蛑亟M的喪失而走向滅絕, 反而生命力更旺盛[93]。這類似現(xiàn)象是否存在于紫菜單性生殖中仍然是一個(gè)有待驗(yàn)證的問題。盡管紫菜絲狀體為單倍體和單性生殖的研究已有相關(guān)報(bào)道[47-52], 但仍需要更多證據(jù)來支持。紫菜單性生殖是否與其他物種存在差異, 也仍需要進(jìn)一步的研究來證實(shí)。

3 結(jié)語

目前, 國內(nèi)外有關(guān)紫菜的研究工作大多數(shù)都集中在條斑紫菜上, 雖然人工栽培壇紫菜的技術(shù)日漸成熟以及對壇紫菜的基本生物學(xué)掌握較多, 但是對壇紫菜遺傳規(guī)律的認(rèn)識還有待加強(qiáng)。一方面是由于壇紫菜存在細(xì)胞較小、核的細(xì)微結(jié)構(gòu)較難區(qū)分的特點(diǎn), 另一方面在于觀測儀器與制片技術(shù), 使得觀測的結(jié)果各不相同, 對壇紫菜減數(shù)分裂的位置問題仍然得不到肯定的結(jié)論。此外, 壇紫菜是否存在著單孢子, 也還存在爭議。壇紫菜細(xì)胞發(fā)育中會(huì)經(jīng)過有性生殖[63]、無性生殖[94]這兩種生殖方式, 甚至?xí)霈F(xiàn)某些特殊的發(fā)育模式, 比如膨脹細(xì)胞、放散小孢子等[63], 但它們能否被并入壇紫菜生活史循環(huán)中,以及能否代替頗多爭議的單孢子成為壇紫菜種苗的產(chǎn)生來源, 尚需進(jìn)一步的跟蹤研究。

近幾年來, 紫菜行業(yè)的發(fā)展非常迅速, 但紫菜減數(shù)分裂的問題仍需要新技術(shù)和新方法的應(yīng)用才能完善。朱家彥等[95-96]已通過電子顯微鏡分別觀察到了壇紫菜絲狀體及殼孢子的超微結(jié)構(gòu), 合理運(yùn)用該技術(shù), 很有可能確定減數(shù)分裂的確切時(shí)期。利用流式細(xì)胞儀對紫菜各個(gè)生長階段的DNA 含量進(jìn)行檢測,可對其生殖模式進(jìn)行判斷。利用DNA 分子標(biāo)記技術(shù)在遺傳育種和基因定位等方面所具有的優(yōu)勢, 標(biāo)記雜合絲狀體同源位點(diǎn), 跟蹤其在子代葉狀體中的分布情況, 有可能確定殼孢子是否發(fā)生減數(shù)分裂或發(fā)生時(shí)期。在純系檢驗(yàn)方面, 共顯性的微衛(wèi)星標(biāo)記具有一定的優(yōu)點(diǎn)[97], 可以對紫菜葉狀體進(jìn)行純合性和嵌合性的檢測, 從而驗(yàn)證紫菜的減數(shù)分裂與殼孢子萌發(fā)是否有關(guān)系。不斷發(fā)展的激光共聚焦顯微術(shù)在細(xì)胞水平上可進(jìn)行多種功能的測量和分析, 獲得高分辨率的三維圖像, 還可對細(xì)胞DNA 含量或RNA 含量進(jìn)行精確的定性定量分析, 甚至還可對其進(jìn)行定時(shí)、定位分析, 這對紫菜減數(shù)分裂和核相的研究也將會(huì)是有利的運(yùn)用。隨著現(xiàn)代分子生物技術(shù)手段的日新月異以及交叉學(xué)科的融合發(fā)展, 壇紫菜減數(shù)分裂時(shí)期與位置的定位和核相類型的確認(rèn)等難題終將迎刃而解, 其遺傳育種進(jìn)程也將向深層次推進(jìn)。

致謝: 作者感謝中國海洋大學(xué)的湯曉榮副教授和蘇州大學(xué)的沈頌東教授在本文組織和撰寫中給予的指導(dǎo)和提出的修改建議。