光質(zhì)對瓊枝生長和生理特性的影響

童立豪，吳翔宇，曾俊，邢詒炫，顧志峰，石耀華，唐賢明*

(1.海南省海洋與漁業(yè)科學(xué)院,海南省熱帶海水養(yǎng)殖技術(shù)重點實驗室,海口 571126; 2.廣西科學(xué)院廣西紅樹林研究中心,廣西紅樹林保護(hù)和利用重點實驗室，廣西 北海 536007； 3.海南大學(xué)海洋學(xué)院,?？?570228)

光是植物進(jìn)行光合作用的原動力，光質(zhì)是光的重要屬性[1]。光質(zhì)對藻類的生長發(fā)育、形態(tài)建成和光合作用等具有調(diào)控作用，同時，藻體也會根據(jù)光質(zhì)的變化而產(chǎn)生不同的適應(yīng)機(jī)制[2]。人工光源常用于代替或補(bǔ)充自然光源的不足，已經(jīng)成為控制植物生長發(fā)育與作物栽培環(huán)境的重要手段[3]。LED光源是目前最新的節(jié)能冷光源[4]，與傳統(tǒng)光源相比具有亮度高、能耗低、壽命長、體積小、無輻射、無污染及耐受惡劣環(huán)境條件等優(yōu)勢[5]，其在藻類研究中的應(yīng)用已成為熱點。其次，LED純色光源的發(fā)射光譜波長可控且?guī)捳?，與藻類光合器官所吸收的光譜匹配度高，通過合理優(yōu)化可達(dá)到精準(zhǔn)調(diào)控藻類形態(tài)發(fā)育與新陳代謝、提升產(chǎn)量的目的[6]。在過去的研究中，常通過彩色薄膜和濾光片來改變?nèi)肷涔庖匝芯抗赓|(zhì)對海藻生理的影響[7]，然而這些方法具有帶寬大，費用高的缺點。

瓊枝(Betaphycusgelatinae)，隸屬于紅藻門、真紅藻綱、杉藻目、紅翎菜科、瓊枝藻屬(Betaphycus)，是熱帶、亞熱帶性海藻，分布在中國、菲律賓、日本和印度尼西亞等地，在中國分布于海南島、東沙群島和臺灣島等熱帶海區(qū)[8]，是海南重要的熱帶資源之一。瓊枝在生態(tài)和經(jīng)濟(jì)上具有較高的價值，藻體在生長過程中可提供固碳釋氧、吸收營養(yǎng)鹽及調(diào)節(jié)生物多樣性等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。藻體中的卡拉膠被廣泛應(yīng)用于食品、日化、醫(yī)藥制造等產(chǎn)業(yè)[9]。同時，瓊枝富含生物活性物質(zhì)，具有廣譜性病毒抑制活性[10-11]、抗凝血和抗血栓活性[10, 12-13]、抗真菌活性[14]、抗炎癥和抗腫瘤活性[15]等作用。

目前，海南的瓊枝供不應(yīng)求，加之人類活動與全球氣候變化給近岸生態(tài)系統(tǒng)造成持續(xù)的壓力[16]，如污染物、營養(yǎng)物流入沿岸水域，使得海水透明度降低[17]，直接限制了海藻的光合作用，進(jìn)一步加劇瓊枝市場供需不平衡的現(xiàn)象。人工養(yǎng)殖瓊枝是解決該矛盾的有效途徑，利用LED光源能夠滿足藻體對不同光質(zhì)的需求，增加產(chǎn)量。不同種大型海藻對光質(zhì)的需求存在差異，如Kim等[18]發(fā)現(xiàn)，紅光、綠光下生長的紅藻龍須菜(Gracilariatikvahiae)具有較高的生長速率；Franklin等[19]與Barufi等[20]發(fā)現(xiàn)，藍(lán)光可增加紅藻鹿角菜(Chondruscrispus)與江蘺(Gracilariabirdiae)的藻紅蛋白與藻藍(lán)蛋白含量。關(guān)于瓊枝的研究多集中在光照強(qiáng)度[21]、溫度[22]和鹽度[23]等方面，尚未有關(guān)于光質(zhì)對其生長發(fā)育的研究報道。本研究以瓊枝為實驗材料，研究其在不同光質(zhì)條件下的生長、形態(tài)、顏色和光合色素的差異性，可為科學(xué)種養(yǎng)瓊枝，提高產(chǎn)量提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

瓊枝取自海南省海洋與漁業(yè)科學(xué)院瓊海科研基地(110°40′07.2″E, 19°21′58.2″N)，挑選顏色正常、生長旺盛的藻體洗凈，在自然海水中暫養(yǎng)7 d后開始實驗。暫養(yǎng)溫度28 ℃，鹽度28，光照系統(tǒng)由傳統(tǒng)的熒光燈提供，光照強(qiáng)度72 μmol/(m2·s)，光周期為光亮(L)∶黑暗(D)=12 h∶12 h。

1.2 實驗設(shè)置

挑選健康無潰爛的瓊枝2～3 g(鮮質(zhì)量)于1 L玻璃燒杯中培養(yǎng)。設(shè)置紅、黃、藍(lán)、綠、紫和白，共6個不同光質(zhì)，每個處理設(shè)置3個重復(fù)；采用多排密集LED燈管(型號為81331，中國浦田公司，中山)提供不同光質(zhì)，通過距離遠(yuǎn)近調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度，使光照強(qiáng)度統(tǒng)一維持在72 μmol/(m2·s)。溫度、鹽度和光周期與暫養(yǎng)條件相同。每7 d更換1次海水并稱重，實驗持續(xù)35 d。

1.3 研究方法

1.3.1 生長速率和增重率計算

每7 d測量瓊枝的鮮質(zhì)量，稱量前用吸水紙快速吸干藻體表層水。根據(jù)下列公式計算增重率(weight gain rate，WGR)和相對生長速率(relative growth rate，RGR)：

WGR(%)=(Mt-M0)/M0×100

式(1)

RGR(%·d-1)=(lnMt-lnM0)/t×100

式(2)

式中：t為培養(yǎng)時間(d)，M0為初始鮮重(g)，Mt為t天后的鮮重(g)。

1.3.2 形態(tài)性狀的測定

實驗前，將生長狀態(tài)一致的實驗藻體進(jìn)行隨機(jī)分組，實驗35 d后，計算各處理組的主枝上的分枝數(shù)和齒芽數(shù)，使用游標(biāo)卡尺測量各樣本最長的3個分枝的長度和寬度。

1.3.3 顏色參數(shù)的測量

實驗第35 d，用相機(jī)(佳能EOS6D，日本)對藻體進(jìn)行無差別圖片采集，后將待測圖片導(dǎo)入CSE-1成像色度檢測分析系統(tǒng)中，隨機(jī)選取3個點，獲得相應(yīng)的顏色參數(shù)Lab(CIE 1976)和三刺激值XYZ(CIE 1931)(L為明度，數(shù)值介于0～100之間;a指顏色的紅綠特征，“+a”為紅，“-a”為綠；b指黃藍(lán)特征，“+b”為黃，“-b”為藍(lán)；X、Y、Z分別指紅、綠、藍(lán)三原色值，表示顏色的光色度特性)。計算各處理組L、a、b、X、Y和Z值的平均值，分別作為該藻體顏色參數(shù)和三刺激值。

1.3.4 色素和藻膽蛋白的提取和分析

實驗第35 d提取和分析藻體色素和藻膽蛋白含量。

葉綠素a(Chla)和類胡蘿卜素(Car)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測定采用無水甲醇提取法。根據(jù)Porra[24]的公式計算葉綠素a的含量；根據(jù)Parsons和Strickland[25]的公式計算類胡蘿卜素的含量。

藻紅蛋白(PE)和藻藍(lán)蛋白(PC)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測定采用磷酸緩沖液提取法。根據(jù)Beer和Eshel[26]的公式計算藻紅蛋白和藻藍(lán)蛋白的含量。

1.4 統(tǒng)計分析

采用Excel 2019和SPSS 18.0統(tǒng)計軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計分析。用One-way ANOVA(Turkey)和t-檢驗進(jìn)行顯著性檢驗(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同光質(zhì)下瓊枝的生長情況

瓊枝在紫光下的生長情況優(yōu)于其他光質(zhì)，35 d的RGR為(1.22±0.05)%/d，WGR為(44.60±3.43)%；其次為藍(lán)光，在該光質(zhì)下，RGR和WGR分別為(1.19±0.11)%/d和(42.14±5.45)%；綠光條件下瓊枝無明顯生長，RGR僅為(0.66±0.03)%/d。各光質(zhì)下，瓊枝的RGR依次為紫光>藍(lán)光>白光>紅光>黃光>綠光，其中，紫光、藍(lán)光、白光和紅光無顯著差異(P>0.05)，黃光和綠光無顯著差異(P>0.05)。從WGR分析，紫光下藻體的WGR分別是綠光、黃光、紅光、白光和藍(lán)光下藻體WGR的2.12倍、1.83倍、1.22倍、1.18倍和1.05倍(表1)。

紫光、藍(lán)光、白光和紅光的WGR在35 d的實驗期內(nèi)，總體趨勢基本一致，紫光WGR從一開始就明顯高于其他光質(zhì)。在前14 d各處理組的增重情況均較為緩慢，從第14 d到28 d，紫光、藍(lán)光、白光和紅光的WGR呈線性增長，28 d后開始放緩；而黃光和綠光始終保持緩慢增長的趨勢(圖1)。

表1 不同光質(zhì)下瓊枝的生長變化Tab.1 Growth changes of B. gelatinae under different light qualities

圖1 不同光質(zhì)下瓊枝增重率隨時間的變化Fig.1 WGR changes of B. gelatinae with time under different light qualities

2.2 不同光質(zhì)下瓊枝的外部形態(tài)、顏色特征

經(jīng)過35 d的實驗，不同光質(zhì)條件下瓊枝的外部性狀差異明顯(表2)。藻體的分枝數(shù)，以藍(lán)光下的分枝數(shù)最多，為(8.33±0.47)個;其次為白光和紅光；綠光的分枝數(shù)最少，僅為(2.33±0.47)個;而黃光、紫光下的分枝數(shù)與綠光相近，且無顯著差異(P>0.05)。齒芽數(shù)最多的為藍(lán)光和白光，二者差異不顯著(P>0.05)；其次為紅光和黃光，二者差異不顯著(P>0.05)；最少的為紫光和綠光，二者差異不顯著(P>0.05)。紫光下的藻體分枝長度最長，且寬度最寬，分別為(57.13±4.51)mm和(6.70±0.21)mm;其次為藍(lán)光，分枝長度和寬度分別為(48.23±2.92)mm和(5.83±0.25)mm。

表2 不同光質(zhì)下瓊枝的外部性狀Tab.2 External characters of B. gelatinae under different light qualities

對不同光質(zhì)處理的藻體顏色差異進(jìn)行參數(shù)分析(表3)。藍(lán)光下藻體的三刺激值XYZ最大，且與各組均存在顯著差異(P<0.05)。明度L也以藍(lán)光最大(45.69±4.78)，與各組差異顯著(P<0.05)。各光質(zhì)下藻體的紅綠特征a均為正值，偏紅色，其中以藍(lán)光和紫光下的紅綠特征a最小，顏色為淡紅色，其他光質(zhì)的藻體顏色均為深紅色。在黃藍(lán)特征b上，各光質(zhì)下的顯著性差異并不明確，均為正值，特征偏黃。

表3 不同光質(zhì)下瓊枝的顏色參數(shù)Tab.3 Color parameters of B. gelatinae under different light qualities

2.3 不同光質(zhì)下瓊枝的色素和藻膽蛋白含量

藻體中的葉綠素a在黃光、綠光和白光處理下的含量顯著高于藍(lán)光和紫光處理(P<0.05)，含量最低處理組為藍(lán)光，僅59.65 μg/g。藻體中的類胡蘿卜素含量總體偏低，在17.55～29.82 μg/g的范圍內(nèi)，但黃光、綠光和白光下的類胡蘿卜素含量依然顯著高于藍(lán)光和紫光(P<0.05)(圖2)。

圖2 不同光質(zhì)下瓊枝的色素含量不同字母表示存在顯著性差異(P<0.05)。下同。Fig.2 Pigment contents in B. gelatinae under different light qualitiesDifferent superscript letters means that there are significant differences for the data (P<0.05). The same below.

藍(lán)光和紫光下，藻體中的藻紅蛋白含量顯著低于黃光、綠光和白光下的藻紅蛋白含量(P<0.05)，與葉綠素a、類胡蘿卜素含量的顯著性相一致。而藻藍(lán)蛋白的含量偏低，各光質(zhì)下的含量相近，除了紫光和白光存在顯著性差異外(P<0.05)，各光質(zhì)下的含量均無顯著性差異(P>0.05)(圖3)。

圖3 不同光質(zhì)下瓊枝的藻膽蛋白含量Fig.3 Phycobiliprotein contents in B. gelatinae under different light qualities

3 討論

3.1 光質(zhì)對瓊枝生長的影響

光是藻類生長發(fā)育最重要的生態(tài)因子，不僅是光合作用的能源物質(zhì)，還可調(diào)控藻體的生長發(fā)育過程。光質(zhì)作為光的重要屬性，對藻類的生長發(fā)育、形態(tài)建成和光合作用等具有重要的調(diào)控作用。有關(guān)光質(zhì)對大型海藻生長和生理的影響已有報道，但其結(jié)果因種類不同而存在差異。在對壇紫菜(Pyropiahaitanensis)自由絲狀體[27]、龍須菜(Gracilarialemaneiformis)和銅藻(Sargassumhorneri)[3]的研究中均發(fā)現(xiàn)藍(lán)光處理后的藻體具有較高的生長速率。同時，也有研究表明角叉菜(Chondrusocellatus)[28]、臍形紫菜(Porphyraumbilicalis)[29]和江蘺[30]在紅光下有較高的生長速率，紅藻龍須菜在紅光和綠光的照射下生長速率都較高[18]。本研究中，不同光質(zhì)對瓊枝的生長影響較為明顯，紫光和藍(lán)光的照射有利于瓊枝的生長，其生長速率和增重率都較其他光質(zhì)大，綠光和黃光處理則生長較為緩慢。造成本研究與其他研究的差異，可能是因為研究對象不同，不同種海藻在長期自然生存中，受不同生長環(huán)境的影響，形成了不同的光適應(yīng)機(jī)制，對不同光質(zhì)的利用存在差異所致。此外，不同的實驗光源和實驗方法也可能對實驗結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。

3.2 光質(zhì)對瓊枝形態(tài)、顏色建成的影響

光質(zhì)在藻類的整個生長過程中起著重要的調(diào)控作用，光色的差異不僅會影響藻體的生長過程，不同光色照射下藻體形態(tài)亦會發(fā)生變化。在海帶的研究中，海帶的柄和固著器的延伸率在紅光下顯著高于藍(lán)光[31]，藍(lán)光可以促進(jìn)海帶幼苗長度和寬度的增加[32]。本研究發(fā)現(xiàn)，藍(lán)光和白光有利于瓊枝分枝和齒芽的形成，紫光能明顯增加分枝的長度和寬度，其次為藍(lán)光。綜上，藍(lán)光既有利于瓊枝的分枝、發(fā)芽又能夠促進(jìn)藻體分枝的生長。

藻類的顏色主要是基于其捕光色素復(fù)合體含有的光合色素顏色[3]，通過對顏色的分析判斷能夠更好的了解藻體的生長狀態(tài)，而利用CSE-1成像色度檢測分析系統(tǒng)可以對顏色進(jìn)行深入的分析，使顏色實現(xiàn)數(shù)據(jù)化和形象化。在藻體顏色參數(shù)Lab的分析中，藍(lán)光照射的藻體明度L較大，紅綠特征a則相對其他光質(zhì)處理的藻體而偏向于綠原色，在黃藍(lán)特征b中偏向于藍(lán)原色，與其他光質(zhì)處理的藻體，存在明顯的差異。分析形態(tài)、顏色上的差異性變化，可能是藻類為適應(yīng)不同光質(zhì)，滿足自身生長的一種適應(yīng)機(jī)制，也可能是在不同光質(zhì)下，藻體中基因表達(dá)、酶活變化的一些調(diào)控。

3.3 光質(zhì)對瓊枝光合色素的影響

研究證明，不同光質(zhì)既影響藻類的生長、形態(tài)特征，也影響著藻體中光合色素含量和組成比例[30, 33]。在對石莼(Ulvalactuca)的研究中發(fā)現(xiàn)紅光能夠提高類胡蘿卜素的含量[3]，而藍(lán)光較紅光更利于紅藻紫菜(Porphyraleucosticta)中藻膽蛋白的合成[34]，同時藍(lán)光下條斑紫菜(Porphyrayezoensis)的藻膽蛋白含量高于其他光質(zhì)下的含量。本研究中，瓊枝在綠光和黃光下的生長速率顯著低于紫光和藍(lán)光，但其葉綠素a、類胡蘿卜素和藻紅蛋白的含量卻顯著高于紫光和藍(lán)光，說明綠光和黃光下有利于光合色素的積累。這種差異的出現(xiàn)，可能是由于不同藻類的光合色素系統(tǒng)對不同光質(zhì)的吸收和利用存在差異，藻體根據(jù)自身生長需要而對光合色素的含量和比例進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。瓊枝光合色素系統(tǒng)對綠光和黃光的吸收利用有限，光能利用效率低，不能滿足藻體正常的光合需要，為了使藻體能夠正常生長，藻體需要合成更多的光合色素來進(jìn)行光合生長。

4 結(jié)論

本研究通過對不同光質(zhì)條件下瓊枝的生長和生理特征進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)不同光質(zhì)對瓊枝生長、生理指標(biāo)的影響差異顯著。紫光和藍(lán)光的照射有利于瓊枝生長速率的提高；藍(lán)光有助于瓊枝藻體發(fā)芽和分枝的形成，紫光條件下瓊枝藻體的分枝易于伸長和長粗；葉綠素a、類胡蘿卜素和藻紅蛋白易于在黃光、綠光和白光條件下的藻體中積累。因此，為了更好的促進(jìn)瓊枝的養(yǎng)殖生長，在對瓊枝光質(zhì)需求的調(diào)節(jié)上，可以考慮在養(yǎng)殖初期照射藍(lán)光，促進(jìn)瓊枝的發(fā)芽和分枝的形成；在養(yǎng)殖中后期照射紫光，促進(jìn)瓊枝藻體分枝進(jìn)一步伸長、長粗，提高生長速率。本研究可為深入研究瓊枝的生物學(xué)性狀和人工栽培技術(shù)提供有益指導(dǎo)，促進(jìn)瓊枝的科學(xué)種養(yǎng)。