適度熱脅迫對造礁石珊瑚熱耐受性影響的研究

劉 旭，黃 雯，俞小鵬，吳志強1,*，余克服，王永剛，鐘懋勝，王英輝

(1.廣西大學(xué)動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530004；2.廣西南海珊瑚礁研究重點實驗室，廣西 南寧 530004；3.廣西大學(xué)海洋學(xué)院，廣西 南寧 530004；4.廣西大學(xué)珊瑚礁研究中心，廣西 南寧 530004)

引 言

珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)被譽為水下“藍(lán)色沙漠中的綠洲”，具有保護(hù)海岸、維護(hù)生物多樣性、維持漁業(yè)資源、吸引旅游觀光等重要生態(tài)功能[1]。1998年—2018年發(fā)生過3次大規(guī)模的全球珊瑚礁白化事件[2-5]，研究表明厄爾尼諾加劇和全球變暖導(dǎo)致海水表面溫度上升與珊瑚礁白化現(xiàn)象密切相關(guān)[6-7]，近幾年由于海水表面溫度上升導(dǎo)致的珊瑚白化的現(xiàn)象愈發(fā)嚴(yán)重，加上海岸開發(fā)和環(huán)境污染等因素的影響，珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)正面臨著前所未有的危機(jī)。

Oliver[8]通過分析美屬薩摩亞群島的風(fēng)信子鹿角珊瑚的存活率和光合速率，發(fā)現(xiàn)先前暴露于變化較大的環(huán)境使珊瑚共生體的耐熱性增加，比僅由耐熱共生體提供的耐受性強。Jessica[9]對吉爾伯特群島中部和北部珊瑚骨骼生長速率和死亡記錄調(diào)查結(jié)果表明，熱脅迫對歷史溫度高的位置的珊瑚的影響較小，但不同種類珊瑚敏感性不同。有研究顯示，適當(dāng)?shù)臒崦{迫對珊瑚響應(yīng)熱脅迫可能具有重要的促進(jìn)作用[10-12]，Hoegh[13]和Donner[14]等人推測如果想要跟上全球氣溫變暖的步伐，建造珊瑚礁的珊瑚的耐熱性必須每十年提升0.2～1.0℃。然而，目前對于提高珊瑚耐熱性的研究非常少，他們的研究雖然提出了受到過熱脅迫存活下來的珊瑚熱耐受性會提高，但是都僅限于在海區(qū)觀察，并沒有進(jìn)行模擬實驗證明，研究十分薄弱。

Rachael[15]對矛枝鹿角珊瑚(Acroporaaspera)進(jìn)行室內(nèi)模擬實驗，發(fā)現(xiàn)34 ℃脅迫時，經(jīng)過31 ℃熱馴化48 h的珊瑚暗適應(yīng)后最大光量子產(chǎn)量和蟲黃藻(zooxanthellae)密度顯著高于未馴化組，恢復(fù)2周比恢復(fù)1周更顯著。但他的研究僅限于粗糙鹿角珊瑚一種，且研究重點為馴化后恢復(fù)時間對珊瑚熱耐受性的影響。

本研究目的是通過對三種造礁石珊瑚進(jìn)行室內(nèi)短期馴化模擬實驗，探究造礁石珊瑚最大光合作用效率，共生蟲黃藻密度和半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶-3(Capspase-3)對溫度脅迫高溫脅迫的響應(yīng)變化，最重要的是，本研究通過三種不同種造礁石珊瑚的短期馴化對溫度脅迫高溫脅迫的影響，來探討短期馴化后珊瑚是否比直接脅迫珊瑚耐受性更高，以及對三種造礁石珊瑚耐受性影響的差異。以期為全球氣候變化背景下，珊瑚礁的保護(hù)與修復(fù)提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 珊瑚樣本

本研究所用的珊瑚樣品分別采自廣西潿洲島(澄黃濱珊瑚，Poriteslutea；十字牡丹珊瑚，Pavonadecussata)和海南三亞(鹿角杯形珊瑚，Pocilloporadamicornis)，采集時間為2018年10月，水深2～3 m,實測水溫為24～26 ℃。

1.2 實驗設(shè)計

將珊瑚樣本分為三組：空白對照組(C)，馴化組(R)，高溫對照組(H)。保持所有實驗缸的水體環(huán)境、光照時間一致。溫度設(shè)計依據(jù)是，1998年全球珊瑚礁大規(guī)模白化事件發(fā)生的47個典型區(qū)域的海洋表面溫度，變化區(qū)間為28.4 ℃～34.9 ℃[16]。李淑[17]的實驗表明，32 ℃持續(xù)72 h，澄黃濱珊瑚、十字牡丹珊瑚和鹿角杯形珊瑚并未白化死亡。因此，我們將本實驗馴化脅迫溫度設(shè)置為32℃，馴化驗證脅迫溫度設(shè)置為34 ℃。圖1為具體分組溫度變化曲線和取樣時間點。空白對照組：26 ℃(模擬自然環(huán)境)，取樣記為C。馴化組：采用梯度升溫，每12 h升高1 ℃，溫度升至32 ℃持續(xù)3 d(模擬適度的高溫脅迫)，進(jìn)行第一次取樣，記為A；采用梯度降溫，每12 h降低1℃，降至26 ℃，恢復(fù)14 d，進(jìn)行第二次取樣，記為RA；采用梯度升溫，每12 h升高1℃，升至34 ℃持續(xù)3 d(模擬高溫脅迫)，進(jìn)行第三次取樣，記為RH。高溫對照組：26 ℃的條件下暫養(yǎng)，與馴化組同時進(jìn)行梯度升溫，升至34℃持續(xù)3 d(模擬高溫脅迫)，取樣記為H。由于鹿角杯形珊瑚高溫對照組在溫度升至34 ℃后第2天就出現(xiàn)組織脫落、死亡的現(xiàn)象，故鹿角杯形珊瑚H取樣時間為34 ℃持續(xù)2 d。為保持一致性，故鹿角杯形珊瑚馴化組RH取樣時間也為34℃持續(xù)2 d。

圖1 珊瑚樣本分組溫度變化和取樣時間點示意圖

2 研究結(jié)果

2.1 三種珊瑚在高溫脅迫過程中的表型變化

32 ℃馴化脅迫：隨著水體溫度的升高，鹿角杯形珊瑚、澄黃濱珊瑚和十字牡丹珊瑚觸手逐漸回縮，直至全部縮回，珊瑚顏色逐漸變淺，表面產(chǎn)生一層黏液。三種造礁石珊瑚中鹿角杯形珊瑚變化最為明顯。在溫度逐漸恢復(fù)至26 ℃后第3天開始，三種造礁石珊瑚觸手逐漸伸展，隨著恢復(fù)時間的推移珊瑚觸手完全伸展，顏色也逐漸恢復(fù)，在第14 天時，已基本恢復(fù)至脅迫之前的水平。

34 ℃馴化驗證脅迫：隨著水環(huán)境溫度的升高，鹿角杯形珊瑚的高溫對照組出現(xiàn)觸手緊縮，表面產(chǎn)生黏液，并在34 ℃第2天就開始出現(xiàn)體表組織脫落，骨骼露出的現(xiàn)象；馴化組觸手全部緊縮，表面產(chǎn)生一層黏液，但并沒有出現(xiàn)珊瑚體表粘液脫落，骨骼露出，死亡的現(xiàn)象。澄黃濱珊瑚的高溫對照組在24 h后體表被一層光亮的黏液膜覆蓋，觸手全部縮回，顏色逐漸變淺；馴化組也出現(xiàn)粘液，但并沒有形成黏液膜，觸手全部縮回。十字牡丹珊瑚除了黏液增多，觸手縮回外，并沒有其他明顯的現(xiàn)象。

C1: 澄黃濱珊瑚空白對照組(26 ℃), A1: 澄黃濱珊瑚馴化組(32 ℃ 3 d), RA1: 澄黃濱珊瑚馴化組(32 ℃ 3 d后26 ℃ 14 d), RH1: 澄黃濱珊瑚馴化組(32 ℃ 3 d后26 ℃14 d, 又升至34 ℃ 3 d), H1:澄黃濱珊瑚高溫對照組(34 ℃ 3 d), C2: 十字牡丹珊瑚空白對照組(26 ℃),A2：十字牡丹珊瑚馴化組(32 ℃ 3 d), RA2: 十字牡丹珊瑚馴化組(32 ℃ 3 d后26℃ 14 d), RH2: 澄黃濱珊瑚馴化組(32 ℃ 3 d后26 ℃ 14 d,又升至34 ℃ 3 d), H2: 十字牡丹珊瑚高溫對照組組(34 ℃ 3 d), C3: 鹿角杯形珊瑚空白對照組(26 ℃), A3：鹿角杯形珊瑚馴化組(32 ℃ 3 d), RA3: 鹿角杯形珊瑚馴化組(32 ℃ 3 d后26 ℃ 14 d), RH3: 鹿角杯形珊瑚馴化組(32 ℃ 3 d后26 ℃ 14 d, 又升至34 ℃ 2 d), H3: 鹿角杯形珊瑚高溫對照組(34 ℃ 2 d)。

2.2 珊瑚共生蟲黃藻密度和暗適應(yīng)后最大光量子產(chǎn)量變化

圖3顯示3種珊瑚在32℃馴化脅迫3 d后，表面共生蟲黃藻密度和暗適應(yīng)后最大光量子產(chǎn)量都顯著降低(p<0.05)；在26 ℃條件下恢復(fù)14 d之后，均能恢復(fù)到正常水平；在34 ℃馴化驗證脅迫3 d，馴化組和高溫對照組珊瑚的表面共生蟲黃藻密度和暗適應(yīng)后最大光量子產(chǎn)量(p<0.05),但是馴化組的值顯著高于高溫對照組的值；三種造礁石珊瑚的共生蟲黃藻密度變化趨勢與共生蟲黃藻最大光量子產(chǎn)量的變化趨勢一致。

圖3 三種珊瑚在高溫脅迫過程中共生蟲黃藻密度(Ⅰ)和暗適應(yīng)后最大光量子產(chǎn)量(Ⅱ)的變化

2.3 Capspase-3酶活性變化

如圖4所示，三種造礁石珊瑚在受到高溫脅迫時Capspase-3酶活性升高，其中馴化組的澄黃濱珊瑚和鹿角杯形珊瑚比高溫對照組的這兩種珊瑚中Capspase-3酶活性存在顯著差異(p<0.05)，十字牡丹珊瑚總的來看并沒有特別明顯的變化；三種造礁石珊瑚在受到同樣的高溫脅迫時，雖然Capspase-3酶活性都有上升，但是三種造礁石珊瑚Capspase-3酶活性上升程度差別很大，十字牡丹珊瑚Capspase-3酶活性并沒有顯著性差異。

圖4 三種珊瑚在高溫脅迫過程中Capspase-3活性的變化

C: 空白對照組(26 ℃); A: 馴化組第一次取樣(32 ℃脅迫3 d); RA: 馴化組第二次取樣(32 ℃脅迫3 d后26 ℃恢復(fù)14 d); H: 高溫對照組(34 ℃ 3 d, 鹿角杯形珊瑚為34 ℃ 2 d); RH: 馴化組第三次取樣(32 ℃脅迫3 d后26 ℃恢復(fù)14 d, 又升至34 ℃持續(xù)3 d; 鹿角杯形珊瑚為34 ℃ 2 d). 誤差線為三次重復(fù)的平均值的標(biāo)準(zhǔn)誤差。通過SPSS分析，不同字母標(biāo)注的為參數(shù)有顯著差異(p<0.05)。

C: 空白對照組(26 ℃); A: 馴化組第一次取樣(32 ℃脅迫3 d); RA: 馴化組第二次取樣(32 ℃脅迫3 d后26 ℃恢復(fù)14 d); H: 高溫對照組(34 ℃ 3 d, 鹿角杯形珊瑚為34 ℃ 2 d); RH: 馴化組第三次取樣(32 ℃脅迫3 d后26 ℃恢復(fù)14 d, 又升至34 ℃持續(xù)3 d; 鹿角杯形珊瑚為34 ℃ 2 d). 誤差線為三次重復(fù)的平均值的標(biāo)準(zhǔn)誤差。通過SPSS分析，不同字母標(biāo)注的為參數(shù)有顯著差異(p<0.05)。

2.4 種間差異

三種造礁石珊瑚在直接受到34℃脅迫后，如表1所示，蟲黃藻密度、暗適應(yīng)后最大光量子產(chǎn)量和Capspase-3酶活性都有明顯差異。三種造礁石珊瑚中，鹿角杯形珊瑚損失的蟲黃藻數(shù)量最多，F(xiàn)v/Fm下降百分比；澄黃濱珊瑚和十字牡丹珊瑚損失蟲黃藻數(shù)量和Fv/Fm下降百分比相差較小， Capspase-3酶活性上升百分比澄黃濱珊瑚最大而十字牡丹珊瑚最小。如圖2所示，鹿角杯形珊瑚已經(jīng)開始組織脫落，白化死亡；澄黃濱珊瑚和十字牡丹珊瑚并沒有組織脫落、死亡的現(xiàn)象。

圖2 三種珊瑚在高溫脅迫過程中的表現(xiàn)變化

表1 三種珊瑚耐熱性差異

三種造礁石珊瑚進(jìn)行34℃馴化驗證脅迫時，如表2所示，三種造礁石珊瑚馴化組與高溫對照組相比：澄黃濱珊瑚的蟲黃藻數(shù)量、Fv/Fm值和Capspase-3酶活性相差均為最大；十字牡丹珊瑚的蟲黃藻數(shù)量相差最小，Capspase-3酶活性相差最小；鹿角杯形珊瑚的Fv/Fm值相差最小。

表2 三種珊瑚馴化效果差異

3 討論

3.1 三種造礁石珊瑚對高溫脅迫的響應(yīng)及差異

珊瑚共生體蟲黃藻密度、暗適應(yīng)后最大光量子產(chǎn)量和半胱氨酸、天冬氨酸蛋白酶-3(Caspase-3)都是指示珊瑚健康狀態(tài)的重要指標(biāo)。珊瑚在受到高溫脅迫時，珊瑚蟲體內(nèi)的蟲黃藻會發(fā)生細(xì)胞凋亡、壞死等現(xiàn)象，受損的蟲黃藻被珊瑚蟲驅(qū)逐[19]。從而導(dǎo)致珊瑚的蟲黃藻密度降低，直至珊瑚白化死亡。熱脅迫也會導(dǎo)致蟲黃藻光合系統(tǒng)電子轉(zhuǎn)移受阻、D1蛋白遭破壞和活性氧增加，從而降低共生蟲黃藻最大光量子產(chǎn)量[19]。當(dāng)珊瑚受到脅迫時會產(chǎn)生活性氧等有毒物質(zhì)，從而引起珊瑚的細(xì)胞凋亡程序啟動，促使珊瑚白化死亡，Caspase-3就是凋亡過程中的關(guān)鍵效應(yīng)蛋白酶[19]。

在34 ℃脅迫時，鹿角杯形珊瑚損失蟲黃藻最多，最先出現(xiàn)組織脫落、死亡的現(xiàn)象，但是其Fv/Fm下降比例卻最??；澄黃濱珊瑚和十字牡丹珊瑚蟲黃藻損失數(shù)量和Fv/Fm下降比例相近，但caspase-3酶活性上升比卻相差甚遠(yuǎn)。由此可以得出不同種造礁石珊瑚的耐熱性不同。

本課題組李楊[20]的研究顯示，濱珊瑚共生蟲黃藻亞系群多樣性較低，種內(nèi)占絕對優(yōu)勢的是C15亞系群；十字牡丹珊瑚中C1亞系群蟲黃藻豐度占絕對優(yōu)勢；鹿角杯形珊瑚中蟲黃藻亞系群多樣性較豐富，其中C1亞系群分布最廣，也有部分鹿角杯形珊瑚中D1亞系群相對豐度最高。Rowan[21]等研究表明C型蟲黃藻光生理功能較強，但是容易受到外界條件干擾，D型蟲黃藻的光生理功能更穩(wěn)定，更有利于珊瑚受損后的光生理功能恢復(fù)。Robison[22]等人研究表明不同種類蟲黃藻光生理具有差異性，即使同種蟲黃藻的不同系群之間也有差異。所以，造成上述現(xiàn)象的原因可能是三種珊瑚的共生蟲黃藻系群差異的原因。

3.2 適度馴化對三種造礁石珊瑚熱耐受性的影響及差異

本研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過室內(nèi)短期馴化后，從表型上看，鹿角杯形珊瑚有較好的馴化效果，澄黃濱珊瑚次之，十字牡丹珊瑚效果不明顯。通過珊瑚健康指標(biāo)來看，三種造礁石珊瑚在經(jīng)歷過馴化脅迫后，珊瑚共生體蟲黃藻密度、暗適應(yīng)后最大光量子產(chǎn)量都顯著高于高溫對照組，澄黃濱珊瑚和鹿角杯形珊瑚的馴化組Capspase-3酶活性顯著低于高溫對照組。這些實驗結(jié)果顯示，適度的熱脅迫可以提高造礁石珊瑚對極端高溫的熱耐受性。Rachael[15]等人也發(fā)現(xiàn)經(jīng)過室內(nèi)31 ℃熱馴化48 h的矛枝鹿角珊瑚暗適應(yīng)后最大光量子產(chǎn)量和蟲黃藻密度顯著高于未馴化組。Konstantin[23]對馬爾代夫最北端的環(huán)礁Ihavan dippolu研究也顯示，在1998年珊瑚大規(guī)模白化事件中幸存下來的珊瑚礁，在2010年珊瑚大規(guī)模白化事件中受到的破壞較小，且正在緩慢恢復(fù)且仍保持著相當(dāng)高的生存發(fā)展?jié)摿Α?/p>

通過對三種造礁石珊瑚的馴化組和高溫對照組在34 ℃馴化驗證脅迫時的生理指標(biāo)分析，三種珊瑚的共生體蟲黃藻密度、暗適應(yīng)后最大光量子產(chǎn)量和Capspase-3酶活性變化幅度不一致，由此可見適度的熱脅迫雖然可以提高造礁石珊瑚對極端高溫的熱耐受性，但是對不同種珊瑚的馴化效果不同。Berkelmans[24]等人研究顯示，同一種形態(tài)、不同種珊瑚對于溫度的耐受性也存在差異性。因此，造成不同種珊瑚在相同條件下熱耐受性不同和適度熱脅迫對三種造礁石珊瑚的熱耐受性影響不同的原因可能為蟲黃藻系群的不同。蟲黃藻系群之間耐受性的差異以及三種造礁石珊瑚之間Capspase-3酶活性相差較大的原因還需進(jìn)一步研究?；诒硇陀^察和基于指標(biāo)參數(shù)測定的結(jié)果不一致，可能是因為不同種珊瑚的熱耐受性差異導(dǎo)致。

有報道稱如果環(huán)境質(zhì)量不加以改善或繼續(xù)惡化，大部分珊瑚礁有可能于本世紀(jì)中期消失[25]。這種推論都是在珊瑚熱耐受力不變的假設(shè)下提出的，并沒有考慮到珊瑚的短期適應(yīng)力。本研究發(fā)現(xiàn)適度的熱脅迫可以提高造礁石珊瑚對極端高溫的熱耐受性?？紤]到珊瑚本身的短期熱馴化能力，在全球氣候變暖的背景下，珊瑚礁的命運或許并沒有那么悲觀。當(dāng)然，這也取決于珊瑚的耐熱性提高的速度是否能夠跟上全球氣候變暖的速度。本研究還發(fā)現(xiàn)，不同種的珊瑚的熱耐受能力和短期熱馴化能力不同，因此持續(xù)變暖可能會導(dǎo)致珊瑚群落中耐受能力弱的種屬白化死亡，最終導(dǎo)致全球珊瑚多樣性減少。

珊瑚的人工繁育和生態(tài)修復(fù)移植是目前解決全球變暖背景下珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)不斷退化問題的主要出路之一[26-28]。但是有的學(xué)者認(rèn)為珊瑚礁生態(tài)修復(fù)之后，仍不能在全球氣候變暖的背景下存活太久[29]。本研究通過對不同種造礁石珊瑚進(jìn)行室內(nèi)短期馴化研究發(fā)現(xiàn)，對珊瑚苗種進(jìn)行短期熱脅迫馴化后再進(jìn)行生態(tài)修復(fù)移植，可以在一定程度上增強珊瑚耐熱能力，為全球氣候變暖背景下的珊瑚礁生態(tài)修復(fù)提供理論依據(jù)。