王巧晗,董雙林,田相利,王 芳,董云偉,張 凱

(中國(guó)海洋大學(xué) 教育部海水養(yǎng)殖重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 266003)

光是植物賴以生存的能量來(lái)源。光照強(qiáng)度對(duì)植物的生長(zhǎng)、光合作用和物質(zhì)代謝均有調(diào)控作用[1]。在對(duì)高等植物的研究中發(fā)現(xiàn),適當(dāng)?shù)墓庹諒?qiáng)度能夠促進(jìn)植物細(xì)胞的分裂、組織器官的分化、花芽的增加和果實(shí)的成熟[2]。在水生植物光生態(tài)的研究中發(fā)現(xiàn),光照強(qiáng)度是造成單細(xì)胞藻類種群變動(dòng)和生化組成變化的主要因素[3],并能調(diào)節(jié)單細(xì)胞藻類在水層中的垂直移動(dòng)[4]。單細(xì)胞藻類經(jīng)歷光照條件短期惡化后恢復(fù)正常光照,其生長(zhǎng)和生化組成會(huì)出現(xiàn)超補(bǔ)償生長(zhǎng)現(xiàn)象[5,6]。同時(shí),光照強(qiáng)度也能改變潮間帶海藻的形態(tài)[7,8],調(diào)節(jié)大型海藻在潮間帶的分布位置[9],是海藻幼體發(fā)育和生活史完成的關(guān)鍵環(huán)境因子之一[10]。

海洋植物不僅能夠?qū)⑺械年懺礋o(wú)機(jī)物(主要是N、P)轉(zhuǎn)化為有機(jī)物、貯存能量,并且,藻類能夠?yàn)樯鷳B(tài)系統(tǒng)中消費(fèi)者和分解者提供適宜的環(huán)境,并對(duì)海洋生物修復(fù)作用具有積極意義[11]?？资?Ulva pertusa)是我國(guó)分布較廣的一種綠藻,在適宜的季節(jié)通常能夠成為潮間帶的優(yōu)勢(shì)種海藻。在孔石莼營(yíng)養(yǎng)動(dòng)力學(xué)和克生生物學(xué)的研究中發(fā)現(xiàn),這種綠藻不僅可以快速地吸收水體中的營(yíng)養(yǎng)鹽,而且可以有效地抑制有害單細(xì)胞藻類的發(fā)生[12～16],提高養(yǎng)殖產(chǎn)品的產(chǎn)量、存活率和餌料系數(shù)[17]。

光對(duì)孔石莼生理生態(tài)學(xué)影響的研究,僅見(jiàn)于光照強(qiáng)度與孔石莼光合作用速率之間的關(guān)系[18],光照強(qiáng)度對(duì)孔石莼生物量積累的調(diào)節(jié)、以及不同光照強(qiáng)度對(duì)孔石莼藻體化學(xué)組成的影響尚未見(jiàn)系統(tǒng)的研究。作者通過(guò)對(duì)較大光照強(qiáng)度范圍內(nèi)潮間帶無(wú)性繁殖系孔石莼生長(zhǎng)和藻體化學(xué)組成的研究,以期為潮間帶海藻對(duì)多變光照條件的適應(yīng)機(jī)制提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),并為無(wú)性系孔石莼的利用提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 材料

孔石莼(U.pertusa)由日本東北大學(xué)的Akira Taniguchi 教授提供。

1.2 實(shí)驗(yàn)前預(yù)培養(yǎng)條件

實(shí)驗(yàn)前將孔石莼培養(yǎng)于無(wú)菌環(huán)境中[19],培養(yǎng)溫度為 20 ℃,鹽度為 30.0,光暗周期為 12 h：12 h(L：D),光照強(qiáng)度為10 000 lx。

實(shí)驗(yàn)用海水經(jīng)過(guò)脫脂棉和三層篩絹過(guò)濾后煮沸。海水的 pH 值和鹽度分別調(diào)節(jié)至 8.3～8.5和30.0±0.1。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和培養(yǎng)條件

用面積為1.42 mm2的打孔器選取健康、靠近葉片邊緣、分生速度快的由同一片藻培養(yǎng)獲得的圓形葉片。為減少葉片損傷對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響,實(shí)驗(yàn)前將葉片在20 ℃、200 μmol/(m2·s)下暫養(yǎng) 24 h 以上隨機(jī)選入各處理組。實(shí)驗(yàn)中溫度為20℃,光暗比L：D=12：12,用f/2營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng),每天全量更換培養(yǎng)液。實(shí)驗(yàn)共有8個(gè)處理,即 2 500、5 000、7 500、10 000、125 000、15 000、17 500、20 000 lx,每處理6重復(fù),每重復(fù)置藻3片。

1.4 生長(zhǎng)的測(cè)定

各處理持續(xù)培養(yǎng)12 d,每3天稱量一次生物量,計(jì)算相對(duì)生長(zhǎng)率(RSG),并測(cè)定藻葉片最終生物量,計(jì)算干濕比。相對(duì)生長(zhǎng)率的計(jì)算公式如下：RSG=[ln(Wt/W0)t]×100%,其中W0為初始藻的鮮生物量(g),Wt為實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)藻的鮮質(zhì)量(g),t為實(shí)驗(yàn)持續(xù)的時(shí)間(d)。

1.5 生化組成的測(cè)定

在實(shí)驗(yàn)的最后一天測(cè)定藻的葉綠素 a(Chl-a)和葉綠素 b(Chl-b)、游離脯氨酸(Pro)、蛋白質(zhì)(P)和可溶性糖(C)的含量,并計(jì)算蛋白質(zhì)/可溶性糖(P/C)的含量。葉綠素a采用丙酮萃取法[20]; 蛋白質(zhì)采用考馬斯亮藍(lán)法測(cè)定,以牛血清白蛋白作為標(biāo)準(zhǔn)[21]; 可溶性糖采用蒽酮法測(cè)定,以蔗糖作為標(biāo)準(zhǔn)[22]; 游離脯氨酸采用茚三酮顯色法,以 L-脯氨酸作為標(biāo)準(zhǔn)[23]。以上指標(biāo)均以鮮物質(zhì)測(cè)定。

1.6 化學(xué)成分的測(cè)定

于實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)對(duì)藻體干物質(zhì)N、C、H元素含量,采用元素分析儀測(cè)定。

1.7 數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用 SPSS11.0軟件經(jīng)單因素方差分析,結(jié)果差異顯著后進(jìn)行多重比較(Duncan)。以P＜0.05作為顯著標(biāo)準(zhǔn)。為了取得方差齊性和近于正態(tài)分布,百分?jǐn)?shù)和比率經(jīng)過(guò)反正弦轉(zhuǎn)換后進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果

2.1 光照強(qiáng)度對(duì)孔石莼生長(zhǎng)的影響

從圖1可見(jiàn),在實(shí)驗(yàn)初始階段(3 d),孔石莼的相對(duì)生長(zhǎng)率具有隨著光照強(qiáng)度的增加而增加的趨勢(shì),但在實(shí)驗(yàn)的第6天,光強(qiáng)超過(guò)17 500 lx時(shí)孔石莼的相對(duì)生長(zhǎng)率卻明顯下降,直至實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí),其相對(duì)生長(zhǎng)率一直維持在相對(duì)較低的水平。

光照強(qiáng)度高于17 500 lx時(shí),實(shí)驗(yàn)超過(guò)6天后,藻體葉片的局部產(chǎn)生了色素變淡或色素缺失的現(xiàn)象,之后開(kāi)始潰爛,并產(chǎn)生大小不等的潰斑。

圖1 不同光照強(qiáng)度下孔石莼的相對(duì)生長(zhǎng)率Fig.1 The relative growth rates (RSG) of U. pertusa at different light intensity

2.2 光照強(qiáng)度對(duì)孔石莼生化組成的影響

不同光照強(qiáng)度對(duì)孔石莼生化組成的影響見(jiàn)表 1。光照強(qiáng)度對(duì)孔石莼葉綠素a(Chl-a)、葉綠素b(Chl-b)、蛋白質(zhì)(P)、可溶性糖(C)以及游離脯氨酸(Pro)的含量都有顯著的影響(P＜0.05)。葉綠素a和葉綠素b的含量都有隨著光照強(qiáng)度的增加而減小的趨勢(shì)。蛋白質(zhì)含量在不同光照強(qiáng)度下變化不明顯(P＞0.05),但也有隨著光強(qiáng)增加而減小的趨勢(shì)?？扇苄蕴堑暮吭?2 500 lx以上時(shí)隨著光照強(qiáng)度的增加而逐漸增高。游離脯氨酸的含量在12 500 lx以下隨著光照強(qiáng)度的增加而減少,但當(dāng)光照強(qiáng)度大于17 500 lx時(shí),其含量顯著增高。

表1 不同光照強(qiáng)度下孔石莼的生化組成Tab.1 Effects of different light intensity on the proximate biochemical composition of U. pertusa

2.3 光照強(qiáng)度對(duì)孔石莼化學(xué)組成的影響

光照強(qiáng)度對(duì)孔石莼化學(xué)組成的影響見(jiàn)圖2、圖3和圖4。從圖中可見(jiàn)光照強(qiáng)度在2 500～15 000 lx范圍內(nèi),隨著光照強(qiáng)度的升高,藻體的 N元素含量有所升高,但光強(qiáng)達(dá)到17 500 lx后,隨著光強(qiáng)的增加,N元素含量反而降低; C元素的含量在2 500～15 000 lx范圍內(nèi)變化不明顯,但當(dāng)光照強(qiáng)度達(dá)到17 500 lx后,C元素的含量明顯升高; H元素的含量在 2 500～20 000 lx范圍內(nèi),具有隨著光照強(qiáng)度增加而增加的趨勢(shì)。

圖2 光照強(qiáng)度對(duì)孔石莼N元素含量的影響Fig.2 Effects of different light intensity on nitrogen of U.pertusa

圖3 光照強(qiáng)度對(duì)孔石莼C元素含量的影響Fig.3 Effects of different light intensity on carbon of U.pertusa

圖4 光照強(qiáng)度對(duì)孔石莼H元素含量的影響Fig.4 Effects of different light intensity on hydrogen of U.pertusa

3 討論

本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,光照強(qiáng)度對(duì)孔石莼的生長(zhǎng)具有顯著影響(圖1)?？资荒軌蛟? 500～15 000 lx光強(qiáng)范圍內(nèi)生長(zhǎng),在10 000～15 000 lx范圍內(nèi)孔石莼的相對(duì)生長(zhǎng)率顯著高于其余各處理。

總的來(lái)看,孔石莼能夠適應(yīng)的光照強(qiáng)度范圍比較廣,這可能與其所處的生態(tài)環(huán)境密切相關(guān)。潮間帶的光照強(qiáng)度變化劇烈而復(fù)雜,因此生活在潮間帶的海藻,在經(jīng)歷光照大幅度變化過(guò)程中,對(duì)光的適應(yīng)性也變得更強(qiáng),其生理生態(tài)學(xué)特征也向更利于適應(yīng)光照強(qiáng)度多變的方向發(fā)展。但是過(guò)低或過(guò)高的光照強(qiáng)度能夠抑制孔石莼的生長(zhǎng),甚至破壞其光系統(tǒng)、產(chǎn)生細(xì)胞防御物質(zhì)。本實(shí)驗(yàn)中,光照強(qiáng)度低于5 000 lx時(shí),孔石莼的相對(duì)生長(zhǎng)率明顯降低。在較低光照強(qiáng)度范圍內(nèi)隨著光照強(qiáng)度的降低藻體葉綠素的含量反而增加,這種現(xiàn)象在其他海藻中也普遍存在,各學(xué)者將葉綠素增加的原因歸于海藻對(duì)低光強(qiáng)的適應(yīng),即在較低光照強(qiáng)度下,海藻通過(guò)補(bǔ)償性的增加光合色素來(lái)彌補(bǔ)光照不足而引起的光能利用率低和生長(zhǎng)緩慢等問(wèn)題[24],同時(shí)有的學(xué)者認(rèn)為這種反應(yīng)受到了光敏色素的誘導(dǎo)[25]。當(dāng)光照強(qiáng)度過(guò)強(qiáng),超過(guò)17 500 lx時(shí),孔石莼的生長(zhǎng)同樣受到阻礙,并且在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到第6天時(shí),17 500 lx和20000 lx處理組藻體開(kāi)始潰爛,產(chǎn)生了大小不等的潰斑,光強(qiáng)越強(qiáng)則潰爛情況越嚴(yán)重,且這兩個(gè)處理的植物防御物質(zhì)游離脯氨酸的含量明顯增加(P＜0.05),看來(lái),過(guò)高的光照強(qiáng)度對(duì)藻體產(chǎn)生了一定的傷害,對(duì)藻體產(chǎn)生了光抑制。

光照與水生植物生長(zhǎng)和生化組成的關(guān)系一直受到很多學(xué)者的重視。對(duì)單細(xì)胞藻類的研究中發(fā)現(xiàn)：在一定的光照強(qiáng)度范圍內(nèi),單胞藻具有隨著光強(qiáng)的提高而碳水化合物含量增加、蛋白質(zhì)含量下降的趨勢(shì)[24,27]。本研究發(fā)現(xiàn),光強(qiáng)在15 000 lx以下時(shí)孔石莼蛋白質(zhì)的含量也有隨著光強(qiáng)而減小的趨勢(shì),但是可溶性糖含量的變化趨勢(shì)卻不明顯。

大型海藻組織中的氮庫(kù)主要由無(wú)機(jī)氮庫(kù)、蛋白質(zhì)氮庫(kù)和非蛋白質(zhì)類可溶性氮庫(kù)(葉綠素等)組成[28]。本文中氮元素含量的變化趨勢(shì)與可溶性蛋白質(zhì)和葉綠素含量的變化趨勢(shì)恰好相反,因此推斷氮元素含量的變化與可溶性蛋白質(zhì)和葉綠素含量變化的關(guān)系不大,可能主要來(lái)自于無(wú)機(jī)氮庫(kù)的變化。在光照強(qiáng)度為15 000 lx以下時(shí),孔石莼體內(nèi)氮元素的含量有隨著光照強(qiáng)度的增加而增加的趨勢(shì),當(dāng)光強(qiáng)超過(guò)15 000 lx時(shí),氮元素的含量逐漸降低,這種趨勢(shì)同孔石莼的生物量積累的趨勢(shì)也比較吻合,從而進(jìn)一步證明了適宜的光照條件更有利于孔石莼對(duì)無(wú)機(jī)氮的吸收。同時(shí),光照強(qiáng)度對(duì)孔石莼無(wú)機(jī)氮庫(kù)的影響,仍然需要不同光照強(qiáng)度下孔石莼營(yíng)養(yǎng)吸收動(dòng)力學(xué)的研究來(lái)提供更為直接的理論依據(jù)。

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