不同基因型顆石藻(Emiliania huxleyi)對(duì)海洋酸化及 高光耦合的生理響應(yīng)

林燕妮,王寅初,任慶敏,唐永政

(1.煙臺(tái)大學(xué)海洋學(xué)院,山東 煙臺(tái) 264005;2.中國(guó)科學(xué)院煙臺(tái)海岸帶研究所,山東 煙臺(tái) 264003;3.國(guó)家基礎(chǔ)學(xué)科公共科學(xué)數(shù)據(jù)中心 北京 100190;4.中國(guó)科學(xué)院海洋大科學(xué)研究中心,山東 青島 266071)

顆石藻(Coccolithophore)為具有鈣質(zhì)外殼的單細(xì)胞海洋浮游植物,屬于定鞭藻門(Haptophyta),定鞭藻綱(Prymnesiophyceae)[1]。作為海洋中鈣化生產(chǎn)力最高的浮游植物類群,顆石藻的年碳酸鈣產(chǎn)量為海洋年碳酸鈣總產(chǎn)量的三分之一,遠(yuǎn)洋沉積物中的碳酸鈣約有一半是由顆石藻生產(chǎn)沉降[2]。顆石藻是海洋初級(jí)生產(chǎn)力的重要貢獻(xiàn)者,通常占初級(jí)生產(chǎn)力的1%到10%,在形成季節(jié)性水華時(shí)占40%[3]。顆石藻在生長(zhǎng)過(guò)程中通過(guò)光合作用捕獲二氧化碳,并在鈣化作用中釋放二氧化碳,兩者對(duì)二氧化碳捕獲和釋放的差異是模擬海洋碳循環(huán)的重要因素[4],因此,顆石藻在生物地球化學(xué)循環(huán)和氣候調(diào)節(jié)方面扮演重要角色[5-6]。Emilianiahuxleyi是分布最廣的顆石藻物種,也是海洋碳循環(huán)研究中的“模式生物”。

隨著人類生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)化石燃料消耗增加,大量CO2釋放到大氣中對(duì)全球氣候及環(huán)境造成一系列問題,包括海洋酸化、全球變暖等。進(jìn)而對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重危害,影響海洋浮游植物的生長(zhǎng)[7-8]。全球變暖會(huì)導(dǎo)致海洋上層混合層變淺,使生活在海洋混合層中上部分的顆石藻暴露在高光的海洋環(huán)境中[9-10],導(dǎo)致顆石藻會(huì)受到海洋酸化和更強(qiáng)光照輻照[11],不同環(huán)境因素的耦合對(duì)顆石藻的影響也會(huì)有差異。

顆石藻如何應(yīng)對(duì)環(huán)境的變化受到眾多關(guān)注。有研究表明顆石藻鈣化作用產(chǎn)生的顆石粒鈣質(zhì)外殼可以保護(hù)藻細(xì)胞避免受光損傷[12],顆石粒對(duì)光照輻射起遮蔽作用,保護(hù)細(xì)胞耐受強(qiáng)光脅迫,使紫外輻射(UVR)和有效光輻射(PAR)的透過(guò)效率降低[9]。

CO2對(duì)不同種類E.huxleyi的鈣化有著不同影響,有促進(jìn)、抑制及無(wú)變化,有研究指出這種差別是由于遺傳基礎(chǔ)不同導(dǎo)致的種間差異所致[12]。蔡小霞等[14]對(duì)E.huxleyi在不同濃度CO2下的鈣化作用進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)CO2增加到一定濃度時(shí)能促進(jìn)鈣化作用,但濃度過(guò)高則抑制生長(zhǎng)、鈣化停止。不同種顆石藻鈣化的響應(yīng)程度不同,甚至同種的不同株系之間表現(xiàn)也有區(qū)別:隨著二氧化碳濃度p(CO2)增加,E.huxleyi和Gehyrocapsaoceanica的鈣化被抑制[15-16]。當(dāng)p(CO2)從150 μatm增加到915 μatm時(shí),Calcidiscuspelagicus的鈣化對(duì)p(CO2)上升的響應(yīng)很微弱,其鈣化速率呈現(xiàn)非線性變化,當(dāng)p(CO2)高于或低于現(xiàn)今水平時(shí),其鈣化作用都減弱[17]。因此研究海洋酸化對(duì)顆石藻鈣化作用時(shí)具有種間特異性。

BENDIF等研究表明E.huxleyi分為α與β兩個(gè)清晰的進(jìn)化枝[18],兩者之間有較為顯著的生理與形態(tài)差異。本研究采用E.huxleyi兩種不同基因型——采集自秘魯上升流同一海域的藻株P(guān)ERU41和PERU46。經(jīng)進(jìn)化分析表明,PERU41和PERU46分別屬于α、β進(jìn)化支,兩者有遺傳可比性,且經(jīng)電鏡觀察發(fā)現(xiàn)PERU41具有較厚的鈣質(zhì)外殼而PERU46的外殼較薄。本研究考慮了兩株顆石藻在不同p(CO2)下的生理響應(yīng)及酸化條件下對(duì)短期高光脅迫的響應(yīng)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)藻種及培養(yǎng)條件

實(shí)驗(yàn)所用的鈣化顆石藻E.huxleyiPERU41和PERU46由法國(guó)歐洲環(huán)境地球科學(xué)教育研究中心Luc Beaufort教授提供。經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育分析證明,PERU41和PERU46分別屬于E.huxleyi的α進(jìn)化支與β進(jìn)化支[19]。

實(shí)驗(yàn)藻株的培養(yǎng)光照為100 μmol·m-2·s-1,培養(yǎng)溫度為15 ℃,光暗周期設(shè)置為12L∶12D。本實(shí)驗(yàn)p(CO2)設(shè)置兩種:0.04%(低)和0.1%(高),其中0.04%是實(shí)驗(yàn)室目前空氣中二氧化碳的分壓,0.1%是預(yù)測(cè)至21世紀(jì)末大氣中二氧化碳的濃度[10],通過(guò)在二氧化碳光照培養(yǎng)箱(HGZ-CO2-250,躍進(jìn)醫(yī)療,中國(guó)上海)中控制純二氧化碳與空氣混合獲得。培養(yǎng)基使用前,在相應(yīng)二氧化碳分壓下預(yù)先平衡。首先進(jìn)行細(xì)胞馴化,在相應(yīng)p(CO2)下培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)藻株,當(dāng)細(xì)胞濃度達(dá)到105個(gè)/mL后,再次進(jìn)行馴化,使實(shí)驗(yàn)藻株適應(yīng)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)條件。接種起始密度為500 個(gè)/mL,當(dāng)細(xì)胞濃度達(dá)到105個(gè)/mL以上時(shí),將馴化適應(yīng)實(shí)驗(yàn)條件后狀態(tài)良好的藻株,轉(zhuǎn)接到125 cm2的透氣蓋細(xì)胞培養(yǎng)瓶中進(jìn)行正式實(shí)驗(yàn),兩藻株各設(shè)置三個(gè)平行。

正式實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)周期10 d后(約12代),細(xì)胞密度達(dá)到5×104～1×105個(gè)/mL時(shí)收樣,并測(cè)定藻細(xì)胞對(duì)短期高強(qiáng)度光照(400 μmol·m-2·s-1)的響應(yīng)。

1.2 培養(yǎng)液碳酸鹽系統(tǒng)參數(shù)測(cè)定

pH值的測(cè)定:使用pH計(jì)(上海雷磁)測(cè)定。

堿度(TA)的測(cè)定:使用總堿測(cè)試儀測(cè)定。

碳酸鈣飽和度ΩCa的計(jì)算公式如下:

式中,Ksp為碳酸鈣解離常數(shù),單位為mol2·kg-2。

1.3 細(xì)胞生長(zhǎng)率及粒徑測(cè)定

藻細(xì)胞密度為5×104～1×105個(gè)/mL時(shí)收樣,計(jì)算生長(zhǎng)率,公式如下:

μ=(lnc2-lnc1)/(T2-T1),

式中,μ為生長(zhǎng)率,c1為T2時(shí)的細(xì)胞濃度,c2為T1時(shí)的細(xì)胞濃度。

收樣后對(duì)藻液進(jìn)行稀釋,由流式細(xì)胞攝像系統(tǒng)FlowCAM進(jìn)行藻細(xì)胞粒徑測(cè)量。

1.4 顆粒無(wú)機(jī)碳(PIC)和顆粒有機(jī)碳(POC)的含量測(cè)定

將0.7 μm的玻璃纖維膜進(jìn)行預(yù)處理,經(jīng)錫紙包裹后在馬弗爐中450 ℃燃燒12 h以上,以除去濾膜上的碳。收藻時(shí)將100 mL藻液過(guò)濾收集到膜上,濾膜冷凍保存。用于測(cè)POC的玻璃纖維濾膜提前濃鹽酸酸熏過(guò)夜,以除去膜上無(wú)機(jī)碳。將濾膜于60 ℃烘干2 h之后,錫紙包裹制樣并在元素分析儀中進(jìn)行PIC和POC含量測(cè)定。將細(xì)胞中POC和PIC含量與生長(zhǎng)率(μ)相乘,計(jì)算PIC和POC的生產(chǎn)速率:

PIC產(chǎn)率=PIC含量×μ,

POC產(chǎn)率=POC含量×μ。

1.5 細(xì)胞外殼的結(jié)構(gòu)觀察

用25 mm聚碳酸酯濾膜(1 μm孔徑)抽濾2 mL藻液,過(guò)濾前搖勻使藻細(xì)胞在膜上均勻分布,將收集到的細(xì)胞在烘箱50 ℃干燥2 h,使用掃描電子顯微鏡(SEM)拍照觀察。

1.6 細(xì)胞色素含量測(cè)定

細(xì)胞色素使用100%甲醇4 ℃黑暗條件下過(guò)夜進(jìn)行提取。將浸取液使用掃描分光光度計(jì)進(jìn)行200～800 nm波長(zhǎng)下掃描,用以下公式計(jì)算類胡蘿卜素[21]、葉綠素a和葉綠素c[22]的含量(μg/mL):

ρ(葉綠素a)=16.29×(A665-A750)-8.54×

(A652-A750),

ρ(葉綠素c)=28.819 1×(A632-A750)-

6.013 8×(A665-A750),

ρ(類胡蘿卜素=7.6×(A480-A750)-1.49×

(A510-A750)。

1.7 葉綠素?zé)晒鈪?shù)測(cè)定

最后一天收樣時(shí),使用葉綠素?zé)晒鈨x(PAM,AquaPen-C,捷克PSI)對(duì)顆石藻細(xì)胞的葉綠素?zé)晒膺M(jìn)行測(cè)定。測(cè)量獲得最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)及在0、3、6、9、15、27和48 min時(shí)有效光化學(xué)效率(YPSⅡ)和非光化學(xué)淬滅(NPQ),并通過(guò)Origin擬合計(jì)算光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)的損傷/修復(fù)速率來(lái)反映細(xì)胞對(duì)短期高光脅迫的響應(yīng)。

快速光響應(yīng)曲線設(shè)置6個(gè)光強(qiáng)梯度(光合有效輻射PAR分別為10,20,50,100,300,500 μmol·m-2·s-1),每個(gè)光強(qiáng)時(shí)長(zhǎng)為60 s,計(jì)算相對(duì)電子傳遞速率(rETR):

rETR=YPSⅡ×PAR×0.5,

其中,常數(shù)0.5表示細(xì)胞吸收的光能的50%傳遞到光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)。

表觀光合效率(α)、飽和光強(qiáng)(Ik)及最大相對(duì)電子傳遞速率(rETRmax)通過(guò)Origin將rETR數(shù)據(jù)回歸擬合得到。

光系統(tǒng)Ⅱ的修復(fù)速率k(min-1)及短期高光脅迫處理時(shí)光系統(tǒng)Ⅱ的修復(fù)速率r(min-1)的計(jì)算公式如下[23-24]:

k=-[ln(Yn/Y0)]/t,

r=k×Yn/(Y0-Yn)。

其中Yn和Y0表示YPSⅡ在時(shí)間tn和t0時(shí)的值。

1.8 統(tǒng)計(jì)分析

2 結(jié) 果

2.1 碳酸鹽系統(tǒng)參數(shù)

表1 初始培養(yǎng)基碳酸鹽系統(tǒng)參數(shù)

2.2 細(xì)胞生長(zhǎng)率及粒徑

在高p(CO2)條件下,PERU41和PERU46生長(zhǎng)率均下降,但相同p(CO2)條件下PERU46的生長(zhǎng)率高于PERU41且差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(圖1(a))。

不同小寫字母表示相同p(CO2)下不同藻株間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05);不同大寫字母表示相同藻株在不同p(CO2)下差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。

PERU41細(xì)胞平均粒徑均顯著大于PERU46。與低p(CO2)相比,在高p(CO2)條件下PERU46和PERU41的細(xì)胞粒徑均顯著減小(P<0.05)(圖1(b))。PERU41細(xì)胞粒徑較大,可能是其鈣化能力較強(qiáng),產(chǎn)生較厚的碳酸鈣外殼,增大了細(xì)胞尺寸。PERU41細(xì)胞較小,可能是因?yàn)槠渚哂休^高的生長(zhǎng)的速率,在脅迫條件下將更多的能量用于增殖。

2.3 PIC和POC的含量及產(chǎn)率

如表2所示,PERU46與PERU41中的PIC含量組間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。尤其是在高p(CO2)時(shí),PERU41細(xì)胞內(nèi)PIC含量有顯著提高(P<0.05),而PERU46細(xì)胞內(nèi)的PIC含量降低,說(shuō)明酸化條件下PERU46的鈣化作用顯著降低。隨著p(CO2)增加,藻株的PIC含量和產(chǎn)率均有所減少。PERU46的POC含量及產(chǎn)率均顯著高于PERU41(P<0.05),細(xì)胞內(nèi)POC含量高與PERU46高生長(zhǎng)速率相符。在p(CO2)較高時(shí),會(huì)導(dǎo)致顆石藻的生長(zhǎng)速率下降及顆石藻細(xì)胞內(nèi)的POC含量升高。在本實(shí)驗(yàn)中,PERU41的PIC/POC比值隨著p(CO2)的增加而增加,但PERU46的PIC/POC比值隨著p(CO2)的增加而減少,PERU46的變化規(guī)律與前人試驗(yàn)研究的規(guī)律相同[27-28]。

表2 酸化條件下POC和PIC的含量及產(chǎn)率

2.4 細(xì)胞外殼的鈣化情況

由電鏡觀察結(jié)果(圖2、3)可見,在高p(CO2)條件下,藻株的顆石粒大多會(huì)產(chǎn)生畸形狀況,同時(shí)也有正常鈣化的顆石粒。PERU46在高p(CO2)條件下觀察到較多的畸形顆石粒,PERU41顆石粒的總體完整程度較PERU46更好。PERU41在不同的p(CO2)下都有完整的顆石粒,低p(CO2)條件下,電鏡觀察到破損的顆石粒多,而在較高p(CO2)培養(yǎng)條件下仍能發(fā)現(xiàn)較多的完整的顆石粒。據(jù)此推測(cè),顆石藻PERU41適應(yīng)酸性環(huán)境,高p(CO2)對(duì)其生物鈣化作用沒有產(chǎn)生明顯的抑制作用。

圖2 不同p(CO2)條件下顆石藻PERU41細(xì)胞形態(tài)及顆石粒狀態(tài)

圖3 不同p(CO2)條件下顆石藻PERU46細(xì)胞形態(tài)及顆石粒狀態(tài)

2.5 細(xì)胞色素含量

與低p(CO2)相比,在高p(CO2)下兩藻株細(xì)胞的光合色素含量均有所增加,PERU46細(xì)胞的葉綠素c及類胡蘿卜素含量顯著增加(P<0.05),分別增加了52%、21%,PERU41胞的葉綠素c含量增加顯著(P<0.05),增加了15.3%(圖4)。

不同大寫字母表示相同藻株在不同p(CO2)下差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。

2.6 基于葉綠素?zé)晒獾墓夂仙碜兓?/h3>

如圖5所示,兩種p(CO2)對(duì)PERU41與PERU46細(xì)胞的Fv/Fm無(wú)顯著影響(P>0.05),兩株藻細(xì)胞間的Fv/Fm差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。

不同小寫字母表示相同p(CO2)下不同藻株間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05),不同大寫字母表示相同藻株在不同p(CO2)下差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。

在低p(CO2)條件下,兩藻株之間的表觀光合效率α差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,PERU46的最大電子傳遞速率rETRmax顯著低于PERU41(P<0.05),在高p(CO2)條件下,兩藻株之間的α和rETRmax差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05),但PERU41的飽和光強(qiáng)Ik顯著高于PERU46(P<0.05)。與低p(CO2)相比,高p(CO2)條件下PERU41和PERU46的Ik、α和rETRmax均顯著下降(P<0.05),PERU41分別下降16.6%、35%、22.5%,PERU46分別下降22.1%、21.7%、18.8%(表3)。

表3 高p(CO2)與低p(CO2)下的電子傳遞鏈參數(shù)α、rETRmax、Ik

2.7 對(duì)高光的短期光化學(xué)響應(yīng)

低p(CO2)條件下適應(yīng)后,PERU41和PERU46的有效光化合效率YPSⅡ在48 min的高光處理中具有相同的變化趨勢(shì),先顯著下降30 min后趨于穩(wěn)定。正常培養(yǎng)光照下的兩藻株具有最高的YPSⅡ,高光脅迫下YPSⅡ均顯著降低(圖6(a)),其抑制率為50%左右,結(jié)果表明高光處理對(duì)顆石藻細(xì)胞的光合作用具有負(fù)面影響。在高光條件下,兩藻株的NPQ變化趨勢(shì)與YPSⅡ相反(圖7(a)),表明藻細(xì)胞在高光條件下受到脅迫。短期高光處理后,與低p(CO2)條件相比,高p(CO2)條件下的PERU46的YPSⅡ顯著下降,而PERU41細(xì)胞則無(wú)顯著差異(圖6(b))。

圖6 不同p(CO2)下顆石藻的YPSⅡ

圖7 不同p(CO2)顆石藻的NPQ

高p(CO2)條件下適應(yīng)后,PERU46及PERU41的NPQ在高光處理下有所上升但差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。高p(CO2)短期高光處理下PERU46的NPQ更高(圖7(b)),其通過(guò)增強(qiáng)NPQ耗散多余光能來(lái)應(yīng)對(duì)高光脅迫,表明鈣化較弱的藻株更容易受高光脅迫。

2.8 在高光下PSⅡ的損傷及修復(fù)速率

相同p(CO2)條件下,PERU41及PERU46的修復(fù)速率在正常光照下的修復(fù)速率均高于高光條件的修復(fù)速率,組間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05),兩藻株之間的修復(fù)速率在相同光照處理下差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。與低p(CO2)相比,高p(CO2)條件下適應(yīng)的PERU46細(xì)胞在正常光照及高光下PSⅡ的修復(fù)速率均下降,但PERU41細(xì)胞PSⅡ的修復(fù)速率均上升(圖8(a))。

不同小寫字母表示相同p(CO2)下不同藻株間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05);不同大寫字母表示相同藻株在不同p(CO2)下差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05);*表示正常光照和高光處理組間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。

低p(CO2)適應(yīng)下高光處理導(dǎo)致兩藻株P(guān)SⅡ的損傷速率均顯著升高(P<0.05)。高p(CO2)條件下,兩藻株P(guān)SⅡ的損傷速率在正常光照及高光處理下的差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。相比于低p(CO2)條件,高p(CO2)條件下細(xì)胞PSⅡ的損傷速率上升(圖8(b))。

在正常光照低p(CO2)條件下生長(zhǎng)的細(xì)胞其修復(fù)/損傷比值均大于1,說(shuō)明PSⅡ修復(fù)速率大于損傷速率。高光處理下兩藻株P(guān)SⅡ的修復(fù)/損傷比值顯著下降。與低p(CO2)條件相比,高p(CO2)條件下的PERU46的PSⅡ修復(fù)/損傷比值顯著下降約60%(P<0.05),且PERU41的修復(fù)/損傷比值顯著高于PERU46(P<0.05)(圖8(c))。

3 討 論

3.1 酸化條件下細(xì)胞的生理響應(yīng)

本實(shí)驗(yàn)探究E.huxleyi兩種不同基因型的藻株P(guān)ERU41和PERU46在不同p(CO2)下的生理響應(yīng)差異。掃描電鏡下觀察細(xì)胞形態(tài)及顆石粒形態(tài)發(fā)現(xiàn)PERU41和PERU46的鈣化存在差異,PERU41的鈣化作用更強(qiáng),酸化對(duì)其鈣化具有促進(jìn)作用,而PERU46的鈣化作用較弱,酸化條件會(huì)抑制其鈣化作用。高p(CO2)條件下,PERU46的生長(zhǎng)率及POC的含量和產(chǎn)率均顯著高于PERU41,這表明兩株基因型不同的顆石藻對(duì)海洋酸化的響應(yīng)方式不同,PERU41具有更強(qiáng)的鈣化作用可以抵御海洋酸化的負(fù)面影響,而PERU46通過(guò)強(qiáng)的增殖能力來(lái)抵御海洋酸化。

酸化條件導(dǎo)致顆石藻細(xì)胞的飽和光強(qiáng)、表觀光合效率及最大電子傳遞速率均降低,表明酸化條件抑制細(xì)胞的光合作用效率。高p(CO2)下PERU46細(xì)胞的葉綠素c及類胡蘿卜素含量顯著增加,分別增加了52%、21%。這可能是PERU46細(xì)胞受到更強(qiáng)的氫離子脅迫,細(xì)胞通過(guò)增加光合色素的含量來(lái)增強(qiáng)捕光能力獲得更多能量來(lái)抵御高p(CO2)下的氫離子脅迫。PERU41與PERU46相比具有更高的電子傳遞效率,表明PERU41對(duì)光能的利用更為高效,這與PERU41相對(duì)較低的生長(zhǎng)率不相符。這種情況表明,PERU41更強(qiáng)的鈣化作用消耗了大量的能量,而PERU46的鈣化相對(duì)較弱將光能更多的用于增殖。

大量研究表明,海洋酸化對(duì)顆石藻生長(zhǎng)及鈣化作用既有積極作用也有消極作用[29]。積極作用體現(xiàn)為可以增加海水中的二氧化碳及碳酸氫根離子等光合作用底物,增強(qiáng)海洋浮游植物的光合作用,從而對(duì)其生長(zhǎng)具有正面影響。消極的酸化效應(yīng)則會(huì)增加海水中氫離子的濃度,影響細(xì)胞膜的氧化還原及通透性,并影響胞內(nèi)pH和蛋白質(zhì)氨基酸的平衡[30-31]、降低E.huxleyi的光合作用效率[32]。JIN等的研究發(fā)現(xiàn)特定海洋酸化條件(1000 μatm的CO2濃度)對(duì)顆石藻的生長(zhǎng)具有促進(jìn)作用[33],這與本實(shí)驗(yàn)的結(jié)論一致。本實(shí)驗(yàn)中,高p(CO2)條件下細(xì)胞的生長(zhǎng)速率雖略有下降,但POC生產(chǎn)速率相比于低p(CO2)條件升高,說(shuō)明酸化對(duì)顆石藻E.huxleyi的正面效應(yīng)相對(duì)于的負(fù)面效應(yīng)更加顯著。PERU46生長(zhǎng)速率在兩種二氧化碳濃度下均高于PERU41,說(shuō)明PERU46通過(guò)增強(qiáng)增殖能力來(lái)適應(yīng)海洋酸化條件。PIC/POC的比值及電鏡下形態(tài)觀察均表明PERU41的鈣化能力更強(qiáng)。在高p(CO2)條件下,PERU46細(xì)胞的PIC含量及產(chǎn)率降低說(shuō)明酸化條件下PERU46鈣化作用受到了抑制,與前人的研究海洋酸化會(huì)導(dǎo)致顆石藻鈣化作用下降相符[34]。

生物所同化的能量只用于生長(zhǎng)和繁殖,不同生物的能量分配不同就形成不同的對(duì)策:選擇r對(duì)策的生物分配更多能量用于繁殖,而選擇K對(duì)策的生物則分配更多能量用于個(gè)體生長(zhǎng)[35]。結(jié)合這兩種不同基因型藻株以上生理參數(shù)以及生長(zhǎng)速率的監(jiān)測(cè),推測(cè)PERU46和PERU41在應(yīng)對(duì)酸化脅迫時(shí)分別采用了r對(duì)策與K對(duì)策,前者分配更多能量用于快速繁殖,而后者則保守地分配更多能量用于保護(hù)性的外殼加固。

3.2 不同p(CO2)及高光條件下細(xì)胞光合生理響應(yīng)

本實(shí)驗(yàn)探究E.huxleyi兩種不同基因型的藻株P(guān)ERU41和PERU46在適應(yīng)不同p(CO2)后進(jìn)行短期高光脅迫,研究顆石藻對(duì)海洋酸化及高光耦合條件下的光合生理響應(yīng)。細(xì)胞在受到光脅迫時(shí)會(huì)通過(guò)提高NPQ耗散光合色素捕獲的過(guò)剩能量以達(dá)到保護(hù)目的[32]。在低p(CO2)短期的高光脅迫處理下,鈣化較弱的PERU46比鈣化作用較強(qiáng)的PERU41具有更高的非光化學(xué)淬滅能力,說(shuō)明PERU46受到更強(qiáng)的高光脅迫。有研究表明E.huxleyi的顆石粒對(duì)不同光質(zhì)的光都具有遮擋作用,可以阻擋10%～22%的可見光及20%～25%的紫外光[10]。因此PERU46受到更強(qiáng)的高光脅迫可能是由于其鈣質(zhì)外殼較薄相較于PERU41不能阻擋更多的可見光所導(dǎo)致的。

低p(CO2)條件下,經(jīng)過(guò)短期高光處理的PERU41和PERU46細(xì)胞的最終YPSⅡ和修復(fù)比率/損傷比率相似。這結(jié)果說(shuō)明PERU46通過(guò)其他的光耗散途徑抵消PERU41更厚鈣質(zhì)外殼對(duì)高光的遮蔽作用,達(dá)到保護(hù)細(xì)胞的目的。高p(CO2)條件下,PERU46的最終YPSⅡ及短期高光處理下的修復(fù)速率均顯著降低,這說(shuō)明海水酸化會(huì)加劇高光對(duì)顆石藻的脅迫作用。

植物細(xì)胞的光合作用能否正常運(yùn)行由光系統(tǒng)Ⅱ D1蛋白的損傷與修復(fù)間的平衡決定[36]。在高p(CO2)條件下,PERU46細(xì)胞高光脅迫下PSⅡ的修復(fù)速率下降,可能是由于高p(CO2)條件導(dǎo)致細(xì)胞消耗更多的能量抵御海水酸化。D1蛋白修復(fù)所能利用的能量減少,及酸化條件下細(xì)胞內(nèi)氫離子濃度升高會(huì)直接影響D1蛋白修復(fù)分子的功能都會(huì)導(dǎo)致光系統(tǒng)Ⅱ中的D1蛋白修復(fù)速率下降。NISHIYAMA等的研究表明光合色素所吸收的過(guò)剩光能也會(huì)降低D1蛋白的修復(fù)速率[37]。本實(shí)驗(yàn)中,高p(CO2)條件下PERU46細(xì)胞內(nèi)葉綠素c及類胡蘿卜素含量顯著增加,光系統(tǒng)就會(huì)吸收更多的光能,導(dǎo)致D1蛋白修復(fù)速率降低。高p(CO2)條件下,PERU41和PERU46細(xì)胞的損傷速率均提高且速率相近,表明酸化條件下E.huxleyi細(xì)胞更容易受到高光的脅迫。但PERU41細(xì)胞的PSⅡ修復(fù)速率提高,導(dǎo)致PERU41細(xì)胞的PSⅡ修復(fù)/損傷速率高于PERU46細(xì)胞。

高光脅迫下酸化條件中的PERU41細(xì)胞的最終YPSⅡ高于PERU46,表明酸化對(duì)鈣質(zhì)外殼的影響會(huì)導(dǎo)致顆石藻細(xì)胞更容易受到高光的脅迫。與低p(CO2)適應(yīng)相比,高p(CO2)適應(yīng)下PERU46細(xì)胞在短期高光脅迫下的最終YPSⅡ顯著降低,表明海洋酸化會(huì)通過(guò)影響顆石藻鈣化作用增強(qiáng)高光的脅迫作用。這可能是由于缺乏顆石粒提供的穩(wěn)定微環(huán)境,鈣化水平會(huì)影響海洋生物對(duì)海洋酸化的生理反應(yīng)[38]。

4 結(jié) 論

綜上所述,屬于β進(jìn)化枝的PERU46的比生長(zhǎng)速率較高,而α進(jìn)化枝的PERU41鈣化水平較高。在海洋酸化條件中PERU46會(huì)消耗更多的能量用于增殖,而PERU41會(huì)增強(qiáng)鈣化作用來(lái)適應(yīng)環(huán)境變化,反映出兩者不同的生存策略。與低p(CO2)適應(yīng)相比,高p(CO2)適應(yīng)下最終YPSⅡ、修復(fù)速率降低及損傷速率升高均表明酸化條件會(huì)增強(qiáng)高光對(duì)顆石藻的脅迫作用,而兩者的應(yīng)對(duì)策略也有所不同:PERU46通過(guò)增加NPQ來(lái)應(yīng)對(duì),而高鈣化作用的PERU41則依靠更厚鈣質(zhì)外殼對(duì)高光的遮蔽作用。