夏末亞熱帶太平洋至楚科奇海微微型浮游植物群落

袁 超,徐勤增,邵和賓,鄭 洲,張學(xué)雷*

(1.自然資源部 第一海洋研究所,自然資源部海洋生態(tài)環(huán)境科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島266061；2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國家實(shí)驗(yàn)室 海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)功能實(shí)驗(yàn)室,山東 青島266071；3.中國極地研究中心,上海201306)

微微型浮游植物是粒徑最小(＜2μm)的浮游植物,包括聚球藻(Synechococcus,Syn)、原綠球藻(Prochlorococcus,Pro)和微微型真核藻(Picoeukaryotes,Peuk)三大類群。微微型浮游植物雖然個體較小,但分布廣泛、數(shù)量龐大、周轉(zhuǎn)率高,是海洋生態(tài)系統(tǒng)中浮游植物生物量和初級生產(chǎn)的重要貢獻(xiàn)者[1-2],在海洋生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動中扮演著重要的角色[3]。

長期以來,相關(guān)學(xué)者已利用流式細(xì)胞術(shù)對西北太平洋的微微型浮游植物群落結(jié)構(gòu)的時空分布特征進(jìn)行了廣泛而深入的研究。Jiao等[4]對東海微微型浮游生物群落的季節(jié)變化進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)Pro豐度在夏季高于冬季,而Peuk豐度在冬季高于夏季。在南黃海,微微型浮游植物群落由Syn和Peuk組成,其分布主要受光照和溫度的影響[5]。在亞北極太平洋和白令海南部,微微型浮游植物群落由Syn和Peuk構(gòu)成,豐度在103～104個/m L。2個類群的紅色熒光和前向散射光均表現(xiàn)出顯著的水平和垂直差異[6]。在第三次北極科學(xué)考察期間,張芳等[7]發(fā)現(xiàn)Syn和Peuk細(xì)胞大小和色素含量之間存在同向變化。這些研究為闡明微微型浮游植物群落對區(qū)域生態(tài)環(huán)境的響應(yīng)機(jī)制,進(jìn)一步探索不同海區(qū)群落結(jié)構(gòu)的變化特征等積累了寶貴資料。

先前的研究均局限在對小范圍的微微型浮游植物群落結(jié)構(gòu)的分析,大空間尺度范圍的微微型浮游植物群落組成和細(xì)胞特性等相關(guān)問題尚未得到很好的驗(yàn)證和分析。溫度個體大小準(zhǔn)則(Temperature-Size Rule,TSR)指出成體大小與環(huán)境溫度呈負(fù)相關(guān)[8]。TSR準(zhǔn)則在各類生物中均存在,包括動物、植物、原生生物、細(xì)菌甚至浮游植物[9-12]。然而,對于微微型浮游植物是否遵從TSR準(zhǔn)則仍存在爭議。Morán等[13]報道東北大西洋Pro和Syn的平均細(xì)胞大小與溫度呈負(fù)相關(guān),而Sato等[14]在太平洋的研究指出微微型浮游植物細(xì)胞大小與溫度不存在顯著相關(guān)關(guān)系。此外,光照強(qiáng)度是影響微微型浮游植物色素含量的重要因素。從垂向變化來看,微微型浮游植物的色素含量隨深度而增加[6,15-16]。光照強(qiáng)度通常隨緯度升高而降低,微微型浮游植物色素含量在緯度方向是否會隨光照強(qiáng)度降低而升高有待進(jìn)一步探究。

本研究擬利用流式細(xì)胞術(shù),針對亞熱帶太平洋至楚科奇海海域的近表層樣品,分析其群落結(jié)構(gòu)和細(xì)胞光學(xué)特征,研究在不同海區(qū)之間的差異和共性,探討影響微微型浮游植物豐度、細(xì)胞大小和色素含量的主要環(huán)境控制因子,為明確大空間尺度范圍的微微型浮游植物群落組成和細(xì)胞特性等相關(guān)問題奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 調(diào)查站位和理化分析

2019-08-22—09-15在中國第十次北極考察期間乘“向陽紅01號”科考船,利用船載表層水采樣系統(tǒng)在白令海、楚科奇海和北太平洋(162°06′E～168°42′W,37°48′～73°12′N)進(jìn)行樣品采集(圖1)。對于微微型浮游植物樣品,在各站位采集海水4.5 m L,加入終濃度為1%的多聚甲醛固定15 min后,放入-80℃冰箱中保存。各站位的溫度和鹽度通過船載CTD直接讀取。總?cè)~綠素a(Chla)和營養(yǎng)鹽濃度的取樣和測定方法參照《海洋調(diào)查規(guī)范》(GB/T 12763—2017)[17]。在各站位,泵取的近表層(～7 m)海水經(jīng)Whatman GF/F濾膜過濾后,將濾膜放入-80℃冰箱保存；過濾后的海水裝入250 m L高密度聚乙烯瓶中,保存于-20℃冰箱。返回實(shí)驗(yàn)室后,利用萃取熒光法進(jìn)行Chla濃度的測定；用Qu AAtro連續(xù)流動分析儀分析測定海水中的硝酸鹽和磷酸鹽濃度。

圖1 研究海區(qū)站位和流向Fig.1 Sampling stations and currents in the surveyed area

1.2 微微型浮游植物測定原理和方法

利用BD FACSCalibur流式細(xì)胞儀進(jìn)行微微型浮游植物的分類和計數(shù)。BD FACSCalibur流式細(xì)胞儀配有波長為488 nm的激發(fā)光,可以對流動細(xì)胞或顆粒的物理和熒光特征進(jìn)行檢測。所測參數(shù)中,前向散射光(Forward Scattering,FSC)與細(xì)胞長度有關(guān)；側(cè)向散射光(Side Scattering,SSC)與細(xì)胞的內(nèi)容物含量有關(guān)。相關(guān)研究表明,FSC和SSC均與微微型浮游植物細(xì)胞直徑呈顯著正相關(guān)[18-20]。FL1,FL2和FL3分別為綠色(530/30 nm)、黃橙色(585/42 nm)和紅色(＞670 nm)熒光的強(qiáng)度。將Pro、Peuk和Syn三類微微型浮游植物按細(xì)胞大小和細(xì)胞葉綠素a(或二乙烯基葉綠素a)含量進(jìn)行排序,則2類要素均有Pro＜Syn＜Peuk的關(guān)系。這3類微微型浮游植物均具有葉綠素a(或二乙烯基葉綠素a),被激發(fā)后會產(chǎn)生紅色熒光,具有較高的FL3值。其中,Syn特有的藻膽蛋白被激發(fā)后會產(chǎn)生橙色熒光,具有較高的FL2值。本研究中,樣品檢測均在統(tǒng)一參數(shù)設(shè)置下一次完成,以便于樣品間比較。取1 m L樣品,加入1μm熒光微球(PolyScience)為內(nèi)參,上機(jī)檢測3 min。通過SSC對FL2和FL3對FL2雙參數(shù)圖對微微型浮游植物進(jìn)行區(qū)分和計數(shù)。微微型浮游植物的生物量通過固定碳轉(zhuǎn)換系數(shù)進(jìn)行估算。Syn和Peuk的碳轉(zhuǎn)換系數(shù)分別為250和2 100 fg/個。

1.3 數(shù)據(jù)分析

用Ocean Data View 4.7軟件分析微微型浮游植物細(xì)胞的豐度、細(xì)胞大小(以SSC指示)和色素含量(以FL2和FL3指示)的水平分布狀況。將細(xì)胞豐度和光學(xué)參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行l(wèi)gx+1轉(zhuǎn)換后,在R軟件Vegan包中進(jìn)行冗余分析(Redundancy Analysis,RDA),研究與環(huán)境因子間的相關(guān)性。

2 結(jié) 果

2.1 水文環(huán)境

按照環(huán)境條件,研究海區(qū)可以劃分為亞熱帶太平洋、亞北極太平洋、白令海盆、白令海陸架區(qū)和楚科奇海 五個區(qū)域(圖1和圖2)。亞熱帶太平洋包括研究海區(qū)最南部4個站位,具有高溫(＞20℃)、高鹽(＞34)、寡硝酸鹽濃度和低Chla濃度特征。亞北極太平洋包括東側(cè)阿留申群島南部2個站位,具有約12℃的相對低溫、低鹽、高硝酸鹽濃度和低Chla濃度特征。白令海盆區(qū)包括研究海區(qū)西側(cè)斷面的6個站位,具有相對低溫、低鹽、低硝酸鹽濃度和低Chla濃度特征。白令海陸架區(qū)的6個站位位于白令海東側(cè),其相對白令海盆具有較高的硝酸鹽濃度和Chla濃度。楚科奇海的3個站位位于研究海區(qū)最北端,具有最低溫度和鹽度、低硝酸鹽濃度和低Chla濃度的特征(圖2)。

圖2 2019年夏季亞熱帶太平洋至楚科奇海溫度、鹽度、硝酸鹽濃度和葉綠素a濃度豐度分布Fig.2 Distribution of temperature,salinity,nitrate concentrations and Chl a concentrations from subtropical Pacific to Chukchi Sea in summer,2019

2.2 微微型浮游植物豐度和生物量

本研究未檢測到Pro,僅檢測到Syn和Peuk。Syn豐度變化范圍為(0.1～46.7)×103個/m L,平均值為12.1×103個/m L。Syn豐度最高值出現(xiàn)在白令海陸架區(qū),而最低值出現(xiàn)在楚科奇海。Peuk豐度變化范圍為(1.1～43.2)×103個/m L,平均值為10.3×103個/m L。Peuk豐度高值出現(xiàn)在白令海陸架區(qū),低值出現(xiàn)在亞熱帶太平洋(圖3)。

圖3 2019年夏季亞熱帶太平洋至楚科奇海邊緣海聚球藻豐度、微微型真核藻豐度、微微型浮游植物總碳生物量和聚球藻碳生物量占比分布Fig.3 Distribution of Synechococcus abundance,picoeukaryotes abundance,total picophytoplankton carbon biomass and proportion of Syn to total picophytoplankton carbon biomass from subtropical Pacific to Chukchi Sea in summer,2019

微微型浮游植物碳生物量范圍為2.8～102.3μg/L,平均值為24.7μg/L。其最大值出現(xiàn)在白令海陸架區(qū),最小值出現(xiàn)在亞熱帶太平洋。Syn和Peuk雖然豐度相近,但后者具有更高的碳轉(zhuǎn)化系數(shù),因此碳生物量占比更高。Syn和Peuk碳生物量占比的分布趨勢相反。Syn碳生物量占比的均值為13.6%,高值出現(xiàn)在白令海陸架區(qū)和亞熱帶太平洋,而在楚科奇海則小于1%。

2.3 微微型浮游植物細(xì)胞大小和色素含量

Syn和Peuk的細(xì)胞大小(Syn_SSC和Peuk_SSC)和色素含量(Syn_FL2,Syn_FL3和Peuk_FL3)等光學(xué)參數(shù)存在兩倍以上的變化,且隨緯度不存在一致變化關(guān)系(圖4)。Syn_SSC在白令海盆和亞北極太平洋最低,在亞熱帶太平洋和白令海陸架區(qū)較高,在楚科奇海最高。Syn_FL2和Syn_FL3顯著正相關(guān),在亞北極太平洋和白令海海峽口較高,而在楚科奇海和亞熱帶太平洋最低。Peuk_SSC在亞熱帶太平洋和白令海盆最低,而在白令海峽口和亞北極太平洋最高。Peuk_FL3與Peuk_SSC顯著正相關(guān),最大值同樣出現(xiàn)在白令海峽口和亞北極太平洋(圖4和圖5)。

圖4 2019年夏季亞熱帶太平洋至楚科奇海Syn_SSC、Syn_FL2、Syn_FL3、Peuk_SSC和Peuk_FL3分布Fig.4 Distribution of Syn_SSC,Syn_FL2,Syn_FL3,Peuk_SSC and Peuk_FL3 from subtropical Pacific to Chukchi Sea in summer,2019

圖5 微微型浮游植物細(xì)胞豐度、細(xì)胞大小和色素含量的相關(guān)性Fig.5 Pearson’s correlation heatmap between abundance,cell size and pigments of picophytoplankton

2.4 微微型浮游植物豐度、細(xì)胞大小和色素含量與環(huán)境因子的關(guān)系

RDA分析結(jié)果顯示,第一和第二約束軸共解釋了79%微微型浮游植物豐度、細(xì)胞大小和色素含量的變異(圖6)。由圖6可見,Peuk豐度與營養(yǎng)鹽濃度呈顯著正相關(guān),而與溫度呈負(fù)相關(guān)；Syn豐度與鹽度成正比,而與緯度呈反比。Peuk_SSC和Peuk_FL3與環(huán)境因子表現(xiàn)為同向變化,與Chla正相關(guān),而與鹽度呈負(fù)相關(guān)；Syn_SSC與緯度正相關(guān),與鹽度負(fù)相關(guān)；Syn_FL2和Syn_FL3與硝酸鹽和磷酸鹽濃度呈正相關(guān),而與緯度和鹽度無明顯相關(guān)關(guān)系。

圖6 微微型浮游植物豐度和細(xì)胞光學(xué)特性與環(huán)境因子的冗余分析Fig.6 Redundancy analysis between picophytoplankton abundance and cell optical properties and environmental factors

3 討 論

3.1 微微型浮游植物豐度和生物量分布及其影響因素

在微微型浮游植物群落中,各站位均檢測到Syn和Peuk,而未檢測到Pro。Pro是熱帶和亞熱帶寡營養(yǎng)海區(qū)豐度最高的自養(yǎng)類群,但在高緯度(或低溫)和近岸海域其豐度會顯著下降[21]。在東海夏季,原綠球藻的分布主要受到黑潮移動和淡水輸入的影響。在北太平洋夏季,較低的溫度和鹽度將原綠球藻限制在45°N以南區(qū)域[6]。本研究中,亞北極太平洋及以北海域受地表徑流和融冰影響顯著,可能是導(dǎo)致Pro沒有分布的原因。在亞熱帶太平洋,表層Pro具有非常低的熒光值,在檢測過程中易與非生物顆?；煜?也會引起Pro未被檢出。

研究海區(qū)環(huán)境條件變化劇烈,對微微型浮游植物豐度分布存在顯著影響。Syn和Peuk豐度高值均出現(xiàn)在白令海陸架區(qū),表明兩個類群均適宜生長在營養(yǎng)鹽濃度較高的水域。受白令海渦流運(yùn)動的影響,白令海盆區(qū)的高營養(yǎng)鹽深層水不斷向白令海陸架區(qū)補(bǔ)充,維持了陸架區(qū)較高的生產(chǎn)力水平。然而,夏季海冰融水的覆蓋引起白令海盆和楚科奇海水體層結(jié)增強(qiáng),當(dāng)上層營養(yǎng)物質(zhì)被浮游植物耗盡后,產(chǎn)生了不利于Syn和Peuk生長的寡營養(yǎng)條件。低溫可能是影響Syn分布的另一重要因素。第3次北極科學(xué)考察期間,僅在白令海峽周邊海域少量站位檢出Syn。張芳等[7]認(rèn)為該海域的Syn為耐寒型,而非嗜寒型。分子生物學(xué)結(jié)果表明Syn低溫適應(yīng)類群Clade I和Clade IV是北冰洋大西洋扇區(qū)和白令海海區(qū)的主要類群[22-23]。在大西洋扇區(qū),Syn可以向北分布至82°30′N,且在2℃下仍存在凈生長。因此,楚科奇海Syn豐度的最低值可能是由低溫和寡營養(yǎng)鹽兩個限制因素共同造成。相對而言,Peuk更能夠耐受低溫。低溫適應(yīng)型微胞藻是北極海域Peuk群落的優(yōu)勢種,金藻和溝鞭藻也可能有著重要的貢獻(xiàn)[24-26]。

本研究中,雖然Peuk和Syn具有相近的細(xì)胞豐度,但Peuk對碳生物量的貢獻(xiàn)更高。利用固定碳轉(zhuǎn)換系數(shù)來計算2個類群(尤其是Peuk)的碳生物量具有很大的不確定性[27]。尤其是在較大空間尺度上,Peuk_SSC和Syn_SSC均存在很大變異(圖4)。然而,Peuk_SSC的平均值約為Syn_SSC的4倍。即使Peuk用最小的碳轉(zhuǎn)化系數(shù),也會不影響我們的研究結(jié)果,這一點(diǎn)與前期的研究結(jié)果是一致的[6]。

3.2 微微型浮游植物細(xì)胞大小和色素含量及其影響因素

Syn和Peuk的細(xì)胞大小(Syn_SSC和Peuk_SSC)均未與緯度(或溫度)表現(xiàn)出較強(qiáng)的正(或負(fù))相關(guān)關(guān)系(圖4和圖5),表明它們在群落水平上均不服從TSR準(zhǔn)則。晝夜節(jié)律是影響微微型浮游植物細(xì)胞大小的一個重要因素。微型和微微型浮游植物均有著近似同步的細(xì)胞分裂周期。細(xì)胞一般在傍晚最大而清晨最小,表明其可能利用白天光合作用產(chǎn)生的能量進(jìn)行細(xì)胞分裂[14,28-30]。有報道指出若不考慮細(xì)胞生長階段,TSR準(zhǔn)則將無法在Pro和Syn中得到揭示[30]。本研究樣品覆蓋白天和黑夜(每隔6或8 h取樣),但細(xì)胞大小在同一海區(qū)保持相對穩(wěn)定,表明晝夜節(jié)律不是影響細(xì)胞大小的重要因素。

Syn細(xì)胞大小不存在隨緯度一致變化的趨勢,可能是由于各海區(qū)具有不同優(yōu)勢物種所造成的。Xia等[23]利用rpoC1基因序列揭示研究海區(qū)Syn的物種組成,發(fā)現(xiàn)Clade II和CRD-1C分別在亞熱帶和亞北極太平洋占優(yōu)勢,而Clade I是白令海和楚科奇海的優(yōu)勢物種。在相似群落條件下,Syn_SSC自白令海盆向北至楚科奇海漸增。這種變化趨勢不能只歸因于緯度或溫度的影響。研究期間,整個白令海海區(qū)的海表溫度維持在10～12℃。Syn_SSC在寡營養(yǎng)的白令海盆區(qū)明顯低于高營養(yǎng)鹽的白令海陸架區(qū),表明營養(yǎng)鹽限制可能會引起細(xì)胞體積的縮小。Syn_SSC向北的繼續(xù)升高則體現(xiàn)出低溫的影響。

Peuk相對Syn具有更豐富的物種多樣性,細(xì)胞大小和色素組成差別更大,且不同類群的Peuk可能占據(jù)不同的生態(tài)位[31]。由于低溫適應(yīng)型微胞藻具有較小的細(xì)胞直徑,因此Peuk_SSC在最北部站位降低。個體小的細(xì)胞具有高比表面積和薄的擴(kuò)散邊界層,有利于營養(yǎng)鹽的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn),使其在寡營養(yǎng)條件下占據(jù)優(yōu)勢[32-34]。因此,Peuk_SSC在白令海盆和西北太平洋出現(xiàn)低值,而在白令海陸架區(qū)出現(xiàn)高值。亞北極海域?qū)儆诟呦跛猁}低葉綠素a區(qū),微微型浮游植物是浮游植物生物量的主要貢獻(xiàn)者[6]。該海域Peuk_SSC較高而Syn_SSC較低,表明2個類群可能采取不同的策略來應(yīng)對鐵限制。此外,微型浮游動物攝食等其他因素也可能會對細(xì)胞大小產(chǎn)生顯著影響[35-36]。

Syn和Peuk細(xì)胞內(nèi)色素含量與緯度(或溫度)也不存在正(或負(fù))相關(guān)關(guān)系,表明表層光強(qiáng)不是影響浮游植物色素含量的重要因素(圖4)。Syn細(xì)胞內(nèi)色素含量表現(xiàn)出同向變化,與第3次北極科學(xué)結(jié)果一致[7]。由于Syn細(xì)胞藻膽色素含量與細(xì)胞大小呈微弱負(fù)相關(guān),白令海盆的Syn具有最高的單位體積色素含量。與Syn不同,Peuk細(xì)胞色素含量和細(xì)胞大小呈顯著正相關(guān)。這可能與兩個類群各自的物種組成和不同的環(huán)境適應(yīng)性有關(guān)。

北極是受全球氣候變暖影響最嚴(yán)重的區(qū)域,海冰面積以每10 a約3%的速率遞減。2019年聯(lián)合國氣候變化政府間專家委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)發(fā)布北極海冰面積出現(xiàn)自20世紀(jì)70年代以來的歷史第二低值。海冰融化和溫度升高加劇了水體層化,導(dǎo)致上層水體處于寡營養(yǎng)狀態(tài),限制了浮游植物的生長。近些年來,浮游植物小型化的趨勢正得到廣泛的關(guān)注[10,26,37]。在北冰洋和白令海的開放水體,微微型浮游植物是Chla和初級生產(chǎn)力的主要貢獻(xiàn)者[26,38-39]。由于微微型浮游植物豐度主要受到異養(yǎng)鞭毛蟲和微型浮游動物攝食的控制,其生物量很大程度上在微食物環(huán)中循環(huán),而對牧食食物鏈的貢獻(xiàn)很小。因此,北極冰蓋的減少更利于“浮游植物-浮游動物”的生態(tài)系統(tǒng),而非經(jīng)典的“冰藻-底棲生物”生態(tài)系統(tǒng)[40]。這種生態(tài)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變減少了有機(jī)碳的輸出和浮游生物與底棲生物的耦合,進(jìn)而對北冰洋海洋生態(tài)系統(tǒng)的食物鏈和能量流動產(chǎn)生重要的影響[41-43]。

4 結(jié) 論

本文基于第十次北極科學(xué)考察走航期間的表層樣品,研究了夏末亞熱帶太平洋至楚科奇海微微型浮游植物的群落結(jié)構(gòu)、豐度和細(xì)胞光學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律,主要結(jié)論如下:

①微微型浮游植物群落由聚球藻和微微型真核藻組成,其豐度范圍分別為(0.1～46.7)×103個/m L和(1.1～43.2)×103個/m L。兩類群豐度的升高均與營養(yǎng)鹽可獲得性增加密切相關(guān)；

②聚球藻和微微型真核藻的細(xì)胞大小(以側(cè)向散射光指示)不遵循溫度-個體大小準(zhǔn)則,可能還受到營養(yǎng)狀態(tài)和種類組成等其他因素的調(diào)控；

③在微微型真核藻中,細(xì)胞色素含量與大小呈顯著正相關(guān),而對于聚球藻兩者不相關(guān)。

本研究為探索大空間尺度微微型浮游植物群落豐度、細(xì)胞大小和色素?zé)晒鈴?qiáng)度的變化規(guī)律提供了資料基礎(chǔ),未來需結(jié)合分子生物學(xué)手段對其物種組成進(jìn)行鑒定和分析。

致謝:“向陽紅01”科考船全體船員和科考隊員在第十次北極科學(xué)考察期間在樣品采集中給予的幫助和支持。