藍(lán)藻擬柱孢藻(Cylindrospermopsis)和尖頭藻(Raphidiopsis)的分與合

李仁輝，程耀，耿若真，程新良，肖鵬，張和，劉洋，馬增嶺

(1.溫州大學(xué) 生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，浙江 溫州 325035；2.杭州市淳安生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站，杭州 311700;3.河南師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453007)

藍(lán)藻的現(xiàn)代分類學(xué)進(jìn)入21世紀(jì)后發(fā)展迅速，除了高階層分類系統(tǒng)在不斷修訂之外，新的分類單位的發(fā)表數(shù)量也是非常之多.以2個(gè)常形成水華的藍(lán)藻屬的合并為例，從藍(lán)藻分類系統(tǒng)的變化和發(fā)展、現(xiàn)代藍(lán)藻分類學(xué)的核心以及藍(lán)藻分類系統(tǒng)修訂的評(píng)估等方面進(jìn)行論述和介紹.

1 藍(lán)藻的多樣性和分類系統(tǒng)

藍(lán)藻的多樣性以及進(jìn)化是早期地球生命研究的一個(gè)重要內(nèi)容.由于藍(lán)藻的原核細(xì)胞特性，這種簡單的特性反而使藍(lán)藻的分類相當(dāng)困難[1].藍(lán)藻長期復(fù)雜的進(jìn)化歷程使其很難簡單地從形態(tài)來辨別.在過去的藍(lán)藻分類系統(tǒng)中使用了許多形態(tài)特征，如藻體外形、極性、藻絲的分枝類型，藻體和細(xì)胞的大小，異形胞和厚壁孢子的有無等來進(jìn)行高等級(jí)的分類，但是這些特征經(jīng)常在藍(lán)藻的進(jìn)化過程中多次出現(xiàn)和丟失[2-3].同時(shí)藍(lán)藻的分類過程也一直在植物學(xué)和細(xì)菌學(xué)分類方法中爭論、比較、妥協(xié)和采納，結(jié)果就是藍(lán)藻的分類從早期的主要依照形態(tài)學(xué)分類發(fā)展到現(xiàn)代的多相特征(Polyphasic)，或者整合(integrated)特征的分類方法，即通過培養(yǎng)藻種進(jìn)行形態(tài)學(xué)、生理學(xué)、生化以及分子遺傳學(xué)特征相結(jié)合的綜合分類方法[4].正式的藍(lán)藻分類系統(tǒng)從初始建立(1932年)至今也不到90年，特別是近幾十年，同時(shí)使用植物學(xué)分類系統(tǒng)和細(xì)菌學(xué)分類系統(tǒng).目前把植物學(xué)分類法和細(xì)菌學(xué)分類法結(jié)合起來的方式也很流行，因?yàn)檫@種結(jié)合被認(rèn)為更適用于藍(lán)藻的分類系統(tǒng).

1932年，捷克的藍(lán)藻分類學(xué)家GEITLER提出較為體系化和被認(rèn)可的形態(tài)分類系統(tǒng),將藍(lán)藻分成3個(gè)目[5]：不產(chǎn)內(nèi)生孢子單細(xì)胞的色球藻目(Chroococcales)、產(chǎn)內(nèi)生孢子單細(xì)胞的管孢藻目(Chamaesiphonales)以及所有的絲狀體藍(lán)藻藻殖段目(Hormogonales).10年后他本人又將藍(lán)藻的分類系統(tǒng)修訂成4目系統(tǒng)[6]：色球藻目(Chroococcales)、皮果藻目(Dermocarpales)、寬球藻目(Pleurocapsales)和藻殖段目(Hormogonales)，這一分類系統(tǒng)也持續(xù)了近20年.1959年印度藍(lán)藻分類學(xué)家DESIKACHARY提出了真分枝的絲狀藍(lán)藻從藻殖段目分離出來單獨(dú)成立真枝藻目(Stigonematales)，其后的學(xué)者也同意這種分離并且把不分枝的絲狀藍(lán)藻也單獨(dú)成立為一個(gè)目(當(dāng)時(shí)叫念珠藻目Nostocales)，再到后來提出了不產(chǎn)生異形胞的絲狀藍(lán)藻成立顫藻目(Oscillatoriales)[7].所以20世紀(jì)70到80年代基本上認(rèn)可的是藍(lán)藻5目分類系統(tǒng)[8]：色球藻目(Chroococcales)、寬球藻目(Pleurocapsales)、顫藻目(Oscillatoriales)、念珠藻目(Nostocales)和真枝藻目(Stigonematales).同樣根據(jù)細(xì)菌學(xué)分類方法也是把藍(lán)藻(藍(lán)細(xì)菌)分成和上述藍(lán)藻形態(tài)系統(tǒng)的5個(gè)目對(duì)應(yīng)的5組(Section I-V)[9].

隨著電子顯微鏡技術(shù)和DNA分子序列的應(yīng)用，給藍(lán)藻的分類系統(tǒng)、發(fā)育分析和進(jìn)化提供了大量新信息.這些新的證據(jù)表明，在整個(gè)藍(lán)藻分類系統(tǒng)中，5個(gè)目中的每個(gè)目都不是單系統(tǒng)：色球藻目、寬球藻目和顫藻目在分子系統(tǒng)關(guān)系上相互混合；被認(rèn)為是單系統(tǒng)的具異形胞的念珠藻目也不能和具有分枝的絲狀體真枝藻目完全分開，反而組成了一個(gè)更大的混合大簇[10].所以，HOFFMANN等[11]在2005年提出了一個(gè)新的高層次藍(lán)藻分類系統(tǒng)，把藍(lán)藻綱下面分成4個(gè)亞綱：粘菌藻亞綱(Gloeobacteriophycidae)、聚球藻亞綱(Synechococcophycidae)、顫藻亞綱(Oscillatoriophycidae)和念珠藻亞綱(Nostochopycidae)，亞綱下面分成6個(gè)目的系統(tǒng).這個(gè)新的系統(tǒng)顛覆了很多以前的系統(tǒng)和認(rèn)知，主要是根據(jù)DNA序列的證據(jù)，以及細(xì)胞的超微結(jié)構(gòu)(類囊體排列的方式)把單細(xì)胞的聚球藻目(Synechococcales)和絲狀體的假魚腥藻目(Pseudanabaenales)合在一起歸在聚球藻亞綱(Synechococcophycidae)，而另外一類單細(xì)胞大類色球藻目(Chroococcales)和絲狀體類的顫藻目(Oscillatoriales)又合在一起歸在顫藻亞綱(Oscillatoriophycidae).這個(gè)新的系統(tǒng)基本上實(shí)現(xiàn)了目水平上的單系統(tǒng)，但是目以下的科和相當(dāng)數(shù)量的屬并不是單系統(tǒng).

2 現(xiàn)代藍(lán)藻分類系統(tǒng)中屬的概念(concept of cyanobacterial genera)的確定

2014年的藍(lán)藻分類系統(tǒng)的特色是以藍(lán)藻的屬水平分類為重心的分類系統(tǒng).KOMREK等[1]根據(jù)現(xiàn)代標(biāo)準(zhǔn)提出的藍(lán)藻屬的概念包括下面3個(gè)方面：1)藍(lán)藻的屬在分子系統(tǒng)中要形成獨(dú)特的一枝，并且同關(guān)系最近的屬的16S rRNA基因序列的相似度要小于95%；2)藍(lán)藻的屬和相近的屬要具有形態(tài)上可以辨認(rèn)的或其他生物學(xué)特征；3)具有明顯的生態(tài)習(xí)性等生態(tài)學(xué)差異.通常藍(lán)藻的屬應(yīng)該是在形態(tài)、生理生態(tài)和分子等綜合特征上所代表一個(gè)獨(dú)特的類群.所以，現(xiàn)代藍(lán)藻分類的研究方法都是大力提倡基于多相分類特征的分類(Polyphasic taxonomy).這個(gè)藍(lán)藻屬的概念及其標(biāo)準(zhǔn)的提出加快了藍(lán)藻新屬的建立速度.結(jié)果在2014-2020年期間，藍(lán)藻新屬的數(shù)量又增加了70多個(gè)，這些新屬都是合法的，是被承認(rèn)的[12].藍(lán)藻新屬的創(chuàng)建大部分的情況還是針對(duì)一些種類數(shù)目較多的大屬，并且已有分子系統(tǒng)證據(jù)顯示這些大屬是多系統(tǒng)的.所以，從這些大的屬剝離出許多新的藍(lán)藻屬是很常見的操作，例如鞘絲藻屬(Lyngbya)剝離，已經(jīng)成立了9個(gè)新屬.還有一種分類系統(tǒng)調(diào)整的情況，就是2個(gè)屬或者幾個(gè)屬之間合并成1個(gè)屬，最主要的原因就是這些屬間的DNA分子序列的高度相似性.本文就是要敘述絲狀藍(lán)藻擬柱孢藻屬(Cylindrospermopsis)和尖頭藻屬(Raphidiopsis)從單獨(dú)的屬到最近合并成尖頭屬的變遷.

3 擬柱孢藻屬和尖頭藻屬

3.1 擬柱孢藻屬和尖頭藻屬的介紹

擬柱孢藻屬(Cylindrospermopsis)在藍(lán)藻分類上歸屬于念珠藻目(Nostocales)，束絲藻科(Aphanizomenonaceae)(束絲藻科也是2014年新的藍(lán)藻系統(tǒng)提出來的新科，此科包含能形成水華的所有具有異形胞的屬，如長孢藻(Dolichospermum)，束絲藻(Aphanizomenon)，節(jié)球藻(Nodularia)等).擬柱孢藻是1972年從項(xiàng)圈藻屬(Anabaenopsis)分離出來，以拉氏擬柱孢藻(Cylindrospermopsisraciborskii)(原拉氏項(xiàng)圈藻Anabaenopsisraciborskii)作為模式種的單種屬[13].擬柱孢藻屬同項(xiàng)圈藻屬的區(qū)別在于端生異形胞的形成方式不同，即擬柱孢藻的端生異形胞是原生形成(Primary).而項(xiàng)圈藻的端生異形胞是通過藻絲間生的異形胞分裂后的雙異形胞中間斷裂而成，所以又稱次生形成方式(Secondary).自拉氏擬柱孢藻建立后，從亞洲、美洲及非洲又陸續(xù)發(fā)表了C.philippinensis，C.africana，C.cuspis，C.catemaco和C.curvispora，近年來又從歐洲發(fā)表了一些新種，使擬柱孢藻屬的種類數(shù)達(dá)到11個(gè)[14-15].尖頭藻屬(Raphidiopsis)是1929年由FRITSCH和RICH建立，以彎曲尖頭藻(R.curvata)為模式種的浮游性絲狀藍(lán)藻[16].尖頭藻屬的形態(tài)特點(diǎn)是單藻絲體，藻絲的一頭或兩頭漸尖.它的最特別之處就是藻體在整個(gè)生活史階段不形成異形胞但形成休眠孢子，在最新的藍(lán)藻分類系統(tǒng)中還是將尖頭藻屬歸屬到念珠藻目的束絲藻科.

到目前為止，世界上共報(bào)道7種尖頭藻，除了模式種外，還有地中海尖頭藻(R.mediterranea)，印度尖頭藻(R.indica)和中華尖頭藻(R.sinensis)等(表1)[17-19].擬柱孢藻在形態(tài)上同尖頭藻較為相似，特別是當(dāng)藻絲上異形胞和休眠孢子沒有形成的情況下，更加難以辨別.有趣的是，擬柱孢藻和尖頭藻占有幾乎完全相同的生態(tài)位，也就是說擬柱孢藻和尖頭藻常常共存于同一自然水體中.本團(tuán)隊(duì)于2001年首次在尖頭藻(彎形尖頭藻)中發(fā)現(xiàn)了產(chǎn)擬柱孢藻毒素以及其衍生物脫氧擬柱孢藻毒素(Deoxyclindrospermopsin)[20-21].最近澳大利亞的學(xué)者也發(fā)現(xiàn)了地中海尖頭藻可形成擬柱孢藻毒素及脫氧擬柱胞藻毒素[22].由于擬柱孢藻和尖頭藻所具有的形態(tài)、生態(tài)習(xí)性以及產(chǎn)毒特性的相似性，導(dǎo)致這2個(gè)屬的區(qū)分非常困難，也直接造成了這2個(gè)屬的分類混亂.

3.2 擬柱孢藻屬和尖頭藻屬的異同性

基于DNA分子序列的研究表明，擬柱孢藻和尖頭藻在16S rRNA基因、16S rRNA和23S rRNA基因的間隔區(qū)(ITS)以及rpoC1基因的序列都是高度相似且無法將這兩屬分開[23].這種屬間分類界限的不明確性已經(jīng)使研究者對(duì)尖頭藻屬的合理性產(chǎn)生懷疑：澳大利亞學(xué)者認(rèn)為尖頭藻是屬于環(huán)境中擬柱孢藻的一種形態(tài)型[24]；希臘學(xué)者根據(jù)Kastoria湖中擬柱孢藻的形態(tài)和16S rRNA基因的證據(jù)，認(rèn)為地中海尖頭藻是拉氏擬柱孢藻復(fù)雜生活史中的非異形胞時(shí)期[25].以色列學(xué)者把Kinneret湖的拉氏擬柱孢藻的形態(tài)分為6類，其中就有一類是尖頭藻的形態(tài)[26].STUCKEN等[27]對(duì)拉氏擬柱胞藻(C.raciborskiiCS-505)和布氏尖頭藻(R.brookiiD9)全基因組序列比較后，發(fā)現(xiàn)它們兩者共有的2 500多個(gè)基因的相似度大于90%.但是，GUGGER團(tuán)隊(duì)和本團(tuán)隊(duì)的研究結(jié)果都表明，尖頭藻在結(jié)構(gòu)上不含異形胞，不能進(jìn)行固氮，所以在缺氮的培養(yǎng)基中不能生長.而擬柱孢藻則可以在無氮培養(yǎng)基中生長[2].全基因組分析結(jié)果表明上述的布氏尖頭藻(R.brookiiD9)同拉氏擬柱孢藻(C.raciborskiiCS-505)相比，它的基因組里丟失了15 kb的固氮基因簇(nif)和一些重要的輔酶和氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白[27].這也驗(yàn)證了GUGGER等[2]的研究，表明他們?cè)诜侵薹蛛x的尖頭藻并不能檢測出nifH基因.我們對(duì)中國的尖頭藻純?cè)逯甑幕驒z測也沒有發(fā)現(xiàn)nifH基因[28].

表1 擬柱孢藻和尖頭藻合并前后的藻類命名變化

3.3 擬柱孢藻屬和尖頭藻屬的合并過程

從上面的介紹和一些研究結(jié)果看出，擬柱孢藻和尖頭藻在形態(tài)特征、生態(tài)學(xué)和DNA序列上的相似性很高，所以研究人員一直在尋找一些分子標(biāo)記(markers)來快速辨別這2個(gè)屬.除了利用16S rRNA,ITS和rpoC1基因序列外，WU等[29]用了7個(gè)基因的整合序列對(duì)中國12株擬柱孢藻和9株尖頭藻進(jìn)行分子系統(tǒng)分析，結(jié)果也表明擬柱孢藻和尖頭藻是一個(gè)相互混合的簇(cluster).為解決藻株使用量的問題，LI等[23]利用從中國分離的44株擬柱孢藻和16株尖頭藻，使用16S rRNA,cpcBA-IGS,rpoC1和ITS-L基因序列分別進(jìn)行分子系統(tǒng)分析，發(fā)現(xiàn)前3個(gè)基因(16S rRNA，cpcBA-IGS，rpoC1)還是無法分開這兩個(gè)屬，但是ITS-L可以把這60個(gè)中國藻株分為明顯的兩個(gè)簇，分別對(duì)應(yīng)擬柱孢藻屬和尖頭藻屬.并且發(fā)現(xiàn)了ITS-L的7個(gè)堿基(RAGAAACT)可作為尖頭藻的保守序列，是鑒別尖頭藻的分子標(biāo)記.這個(gè)結(jié)果非常振奮，是擬柱孢和尖頭藻分子鑒別的重要進(jìn)展，但是，這個(gè)結(jié)果只是使用中國的大量藻種，并沒有涉及世界其他區(qū)域的藻種.

2018年，AGUILERA等[30]通過對(duì)阿根廷淺水湖泊分離的兩株地中海尖頭藻(R.mediterranea)藻種的多相分類研究，并且使用了大量世界各個(gè)地(包括許多中國的藻株)的拉氏擬柱孢藻和部分尖頭藻藻種的16S rRNA,16S-23S ITS和cpcBA-IGS的基因序列，進(jìn)行分子系統(tǒng)學(xué)分析.這種大量藻株分析的結(jié)果還是同樣表明，擬柱孢藻和尖頭藻在分子系統(tǒng)中無法分開，特別是ITS的二級(jí)結(jié)構(gòu)也顯示2個(gè)屬高度一致，并且特別強(qiáng)調(diào)ITS-L并不能區(qū)分中國以外的藻株，7個(gè)特征堿基(RAGAAACT)并不是尖頭藻所特有的，許多歐洲的拉氏擬柱孢藻種也含有這7個(gè)堿基.最重要的是，AGUILERA等人利用本研究的結(jié)果，把擬柱孢藻和尖頭藻2個(gè)屬合并為1屬.因?yàn)榧忸^藻屬成立時(shí)間比擬柱孢藻屬要早，具有優(yōu)先權(quán)，所以最后2個(gè)屬合并成尖頭藻屬，模式種還是彎形尖頭藻.至此，合并后的尖頭藻屬是單系統(tǒng)了，目前在藻類最有權(quán)威的種屬庫Algaebase中共有18個(gè)種類[31].這個(gè)屬的合并是合法的，是被承認(rèn)的.

4 擬柱孢藻屬和尖頭藻屬合并后的影響和評(píng)價(jià)

最近幾十年藍(lán)藻分類系統(tǒng)在各個(gè)分類階層都在不斷變化，在屬水平上更加突出.但是擬柱孢藻屬和尖頭藻屬的合并可以算得上是藍(lán)藻分類史上的一個(gè)較大的事件，雖然這只是在屬水平的調(diào)整,這2個(gè)屬特別是擬柱孢藻屬是近年來受關(guān)注度非常高的藍(lán)藻.它是水華藍(lán)藻，又是產(chǎn)毒和入侵藍(lán)藻.它們的合并對(duì)于藍(lán)藻水華研究中使用哪個(gè)名字成為大家首先遇到的問題.現(xiàn)在已經(jīng)有很多擬柱孢藻的研究接受這個(gè)新的命名，投稿過程中也有部分審稿人要求作者將擬柱孢藻改為尖頭藻.我們?cè)俅螐?qiáng)調(diào)，這種合并是合法的，在形式上是按照植物學(xué)命名法進(jìn)行的，現(xiàn)在也是被承認(rèn)的.但是對(duì)于這種合并或者分類處理是否合理，學(xué)者們可以評(píng)價(jià)和討論.我們認(rèn)為這種合并不是很恰當(dāng)，因?yàn)樗紫染蜎]有遵循KOMREK等[1]提出的藍(lán)藻屬的概念.按上述介紹，一個(gè)藍(lán)藻屬應(yīng)該是在分子系統(tǒng),形態(tài)學(xué),以及生物學(xué)和生態(tài)學(xué)等綜合方面的獨(dú)立體.現(xiàn)在擬柱孢藻和尖頭藻的合并只是強(qiáng)調(diào)了DNA分子序列和生態(tài)位等的高度相似性，而對(duì)藻絲中異形胞的形成與否這么重要的生物學(xué)結(jié)構(gòu)特性完全忽略，這是不合適的.異形胞的特征在藍(lán)藻的分類系統(tǒng)中經(jīng)常影響目水平以上的分類階層，為什么這種屬水平的合并卻遭到忽略？原因可能是很多場合下特別是野外條件下，異形胞不形成而無法觀測到.為此，KOMREK[12]指出了現(xiàn)代DNA測序技術(shù)以后建立的新的藍(lán)藻屬和藍(lán)藻種的諸多問題，其中就有擬柱孢藻和尖頭藻的合并問題.理由也是對(duì)決定性的特征(異形胞形成)的忽略，還有合并研究的材料尖頭藻使用的并不是模式種，而擬柱孢藻屬有10多個(gè)種類，而合并研究中只是用了拉氏擬柱孢藻一個(gè)種的藻株，這種合并缺乏整個(gè)屬的代表性.但是這些評(píng)論和批評(píng)目前還不能改變這種合并的合法性，除非找到新的證據(jù)和新的markers來證明這2個(gè)屬的明顯差異.期待藍(lán)藻分類學(xué)在不斷發(fā)展的過程中，新方法和新技術(shù)帶來更多令人振奮的結(jié)果，為深入認(rèn)識(shí)自然和服務(wù)人類做出貢獻(xiàn).