段 妍,孫 明,董 婧,柴 雨,王愛勇,王小林,劉修澤,王 彬,吉 光

遼寧省海洋水產(chǎn)科學研究院,遼寧省海洋生物資源與生態(tài)學重點實驗室,大連市漁業(yè)資源養(yǎng)護重點實驗室, 大連 116023

近年來,在全球許多海區(qū)出現(xiàn)了膠質(zhì)水母數(shù)量增加甚至暴發(fā)的現(xiàn)象,引發(fā)了一系列生態(tài)和經(jīng)濟問題[1- 3],如堵塞網(wǎng)具、破壞沿岸設(shè)施、蟄傷游泳者等[4- 6]。海月水母是東亞海域最常見的致災(zāi)水母種類[7- 8],在中國、日本、韓國均出現(xiàn)過大規(guī)模暴發(fā)現(xiàn)象[9- 11]。近些年,黃渤海海月水母數(shù)量呈現(xiàn)逐年增加的趨勢,已經(jīng)成為海區(qū)大型水母的優(yōu)勢種[12]。海月水母的大規(guī)模暴發(fā)給沿岸人類的生活、漁業(yè)資源以及海洋生態(tài)系統(tǒng)帶來巨大的影響。這些近岸海域暴發(fā)的水母可以通過有性繁殖和無性繁殖來維持或擴大種群數(shù)量。而在水母生活史中,螅狀體的無性繁殖是決定水母體種群數(shù)量的關(guān)鍵階段,對此階段進行研究能更好的闡明水母暴發(fā)的機理。

海月水母是世界性種類,廣泛分布于北緯70°至南緯40°之間[13],研究顯示,海月水母存在多個亞種,而在日本、韓國、中國沿岸分布的海月水母為Aureliacoerulea[14- 16]。海月水母的生活史復雜,底棲固著螅狀體和浮游水母體世代交替,螅狀體種群的大小、存活率、生活習性會顯著影響水母體的種群數(shù)量[17]。在無性繁殖階段,親代螅狀體通過出芽和匍匐莖等方式繁殖子代螅狀體,隨后釋放碟狀體,最后發(fā)育為成熟水母體。因此,大量的螅狀體是造成水母種群暴發(fā)的關(guān)鍵。環(huán)境因子會顯著影響螅狀體生長、生存、繁殖等。在眾多環(huán)境因子中,溫度在調(diào)節(jié)螅狀體種群大小上起著至關(guān)重要的作用。目前,國內(nèi)關(guān)于溫度對海月水母螅狀體的影響研究大多關(guān)注于螅狀體的繁殖數(shù)量、橫裂周期、橫裂比例等[17- 19],較少關(guān)注螅狀體在生長和繁殖上的能量分配方式及不同溫度下的無性繁殖選擇,本實驗選取我國黃渤海分布的海月水母為實驗對象,研究溫度對螅狀體生長及繁殖的影響,為海月水母螅狀體分布及水母暴發(fā)的研究提供一定理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 實驗材料

實驗用海月水母螅狀體來自遼寧省海洋水產(chǎn)科學研究院人工培養(yǎng)繁殖的螅狀體,親體采自黃海北部水域,螅狀體附著基為塑料波紋板。實驗用海水取自大連黑石礁沿岸,經(jīng)黑暗砂濾沉淀后使用。暫養(yǎng)期間,水溫保持在(20.0±0.5)℃,鹽度30.0±1.0,溶解氧>5.0 mg/L。每天足量投喂鹵蟲無節(jié)幼體(Artemianauplius),體長約300μm。

1.2 實驗設(shè)計

實驗設(shè)6個溫度梯度：12、15、18、21、24、27℃。每隔1d升高或降低1—2℃,直至達到設(shè)定溫度,螅狀體在設(shè)定溫度下適應(yīng)3d后開始正式實驗。每個溫度梯度設(shè)3 個平行,每個平行10 個螅狀體,實驗用螅狀體培養(yǎng)于15cm×15cm×3cm的隔離盒中。實驗過程中每天足量投喂鹵蟲無節(jié)幼體, 用吸管對準喂食,保證每個螅狀體獲得充足的餌料,投喂后3h換水,將殘余未攝食的鹵蟲餌料去除。實驗光照周期為自然光周期,光照條件為室內(nèi)自然光,用智能光照培養(yǎng)箱 (型號: GXZ- 280B) 控制實驗水溫。實驗期間水體鹽度控制在30.0±1.0,溶解氧>5.0 mg/L,每周測量螅狀體柄徑長度、記錄螅狀體數(shù)量,并將已與母體分離的新生子代螅狀體用解剖針去除。實驗共持續(xù)56d,測量及觀察在解剖鏡下進行 (Olympus SZX9),時間不超過5min。

1.3 指標測定與統(tǒng)計分析

在本實驗中,每周記錄一次新生螅狀體數(shù)量并去除,并非所有新生個體都是初始實驗親體產(chǎn)生的子代螅狀體,所以未計算單個螅狀體繁殖力,僅將脫離母體之后附著的螅狀體計為新生螅狀體,而與母體連接的芽體不計為新生螅狀體。每周測量一次螅狀體柄徑,螅狀體柄徑指口面觀圓周最大水平面的直徑,當螅狀體不為圓形時取直徑最大值與最小值的平均值為螅狀體柄徑長[17]。成活率(survival rate, SR)、日生長率(daily growth rate, DGR)、相對生長率(relative growth rate, RGR),特定生長率(specific growth rate, SGR)計算公式如下：

SR(%)=100×(Nt/N0)

DGR(%day-1)=100×(Dt-D0)∕T

RGR(%)=100×(Dt-D0)∕D0

SGR(% day-1)=100×(lnDt-lnD0)∕T

式中,N0和Nt分別為實驗開始和實驗t天時螅狀體的數(shù)量,T為實驗持續(xù)時間(d),D0和Dt分別為實驗開始和實驗t天時螅狀體的柄徑長度(mm)。

采用單因子方差分析比較不同溫度之間可能存在的差異水平。所有統(tǒng)計分析使用SPSS 13.0統(tǒng)計軟件,以P<0.05為差異顯著性。利用Excel 進行數(shù)據(jù)描述作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 螅狀體攝食行為觀察

實驗過程中觀察了不同溫度條件下海月水母的攝食狀況,在高溫組(27℃)螅狀體幾乎不攝食,其觸手一直處于伸長狀態(tài),但并未對靠近的鹵蟲進行捕捉,隨著培養(yǎng)時間延長,螅狀體外輪廓逐漸模糊,直至螅狀體溶解、消失。而在較高溫度組(24、21、18℃),生長狀態(tài)良好的螅狀體,正常狀態(tài)下觸手舒展,當有食物接近時,其觸手伸展的范圍逐漸增大,直至觸手上沾滿鹵蟲。而低溫組(15℃和12℃),螅狀體觸手大部分處于收縮狀態(tài),攝食活力與其他處理組相比較低,但本實驗均采用過量投餌,鹵蟲均投喂到螅狀體上方,因此,各處理組螅狀體均處于食物充足的狀態(tài),攝食后的螅狀體成粉紅色。實驗過程中發(fā)現(xiàn),溫度能顯著影響螅狀體對體內(nèi)餌料生物的消化吸收。攝食2—3h后,較高溫度組螅狀體逐漸由粉紅色轉(zhuǎn)變?yōu)橥该鳡顟B(tài),說明大部分食物已被消化；而較低溫度組螅狀體依然呈現(xiàn)粉紅色,說明鹵蟲并未被消化完全。

2.2 螅狀體的存活與生長

如表1 所示,實驗共持續(xù)56d,除27℃組外,其余溫度組螅狀體存活率均為100%。而27℃組,在實驗7d時,螅狀體存活率為33.33%,隨著培養(yǎng)時間的延長,螅狀體均不進行攝食,螅狀體呈現(xiàn)逐漸縮小、溶解的狀態(tài),培養(yǎng) 35d時,螅狀體全部死亡。

表1 不同溫度條件下螅狀體存活率/%

經(jīng)過56d的培養(yǎng),除27℃組外,各溫度組螅狀體柄徑均呈現(xiàn)了增加的趨勢(圖1)。方差分析結(jié)果顯示,培養(yǎng)14d后,不同溫度條件下螅狀體柄徑開始出現(xiàn)明顯的差異性,其中,15℃組螅狀體柄徑顯著高于24、27℃組；培養(yǎng)28d,15℃組的柄徑增長優(yōu)勢明顯,顯著高于其他各溫度組；隨著培養(yǎng)時間的延長,低溫組柄徑增長明顯,直至實驗結(jié)束,螅狀體柄徑隨著溫度的升高呈現(xiàn)降低的趨勢,12℃和15℃組螅狀體柄徑顯著高于其他溫度組。根據(jù)各溫度組螅狀體的平均柄徑結(jié)果計算螅狀體的DGR,RGR,和SGR,結(jié)果顯示(圖2、3,4),各溫度組之間比較,15℃組螅狀體柄徑的DGR,RGR,和SGR最高；在溫度15—27℃范圍內(nèi),螅狀體柄徑的DGR,RGR,和SGR呈現(xiàn)隨著溫度的升高而下降的趨勢。培養(yǎng)42d,各溫度組柄徑的DGR最高,隨后在各溫度組均呈現(xiàn)降低的趨勢,螅狀體個體生長漸緩。而螅狀體柄徑的SGR則在培養(yǎng)21d時最高。實驗結(jié)束(56d),各溫度組螅狀體柄徑增加幅度分別為157%(12℃),168%(15℃),127%(18℃),67%(21℃)和40%(24℃)；而27℃處理組,螅狀體柄徑未有太大變化,且螅狀體狀態(tài)不佳,成逐漸縮小的趨勢,直至螅狀體死亡。

圖1 不同溫度條件下螅狀體柄徑Fig.1 The effect of temperature on the calyx diameter of Aurelia coerulea polyp同一簇中不同字母表示差異顯著(P<0.05)

圖2 不同溫度條件下螅狀體柄徑日生長率Fig.2 The effect of temperature on the daily growth rate of calyx diameter of Aurelia coerulea polyp

圖3 不同溫度條件下螅狀體柄徑相對生長率Fig.3 The effect of temperature on the relative growth rate of calyx diameter of Aurelia coerulea polyp

圖4 不同溫度條件下螅狀體柄徑特定生長率Fig.4 The effect of temperature on the specific growth rate of calyx diameter of Aurelia coerulea polyp

2.3 螅狀體繁殖子代的數(shù)量

日平均新生子代螅狀體數(shù)量如圖5所示,結(jié)果顯示,溫度顯著影響螅狀體繁殖子體的數(shù)量；培養(yǎng)第二周(14d),18、21、24℃組螅狀體繁殖數(shù)量明顯高于12℃和15℃處理組；培養(yǎng)第六周(42d),12℃處理組螅狀體并未產(chǎn)生新的子代螅狀體；培養(yǎng)第8周(56d),螅狀體的繁殖數(shù)量在21℃和24℃溫度組明顯高于其他溫度處理組,各處理組繁殖子代數(shù)量分別為：0個/d(12℃),3個/d(15℃),3.5個/d(18℃),14個/d(21℃),19個/d(24℃)。而27℃處理組,在培養(yǎng)第一周時(7d),繁殖子代的數(shù)量為1.29個/d,隨后螅狀體大量死亡。

圖5 不同溫度條件下日平均新生螅狀體個數(shù)Fig.5 The effect of temperature on the daily number of new polyp of Aurelia coerulea polyp

2.4 螅狀體的無性繁殖方式觀察

在本實驗過程中,共觀察到了4種螅狀體的無性繁殖方式,包括,匍匐莖生殖、出芽生殖、縱向分裂、足囊繁殖。在各溫度組螅狀體主要采用匍匐莖生殖和出芽生殖。溫度變化會影響螅狀體無性繁殖方式的選擇,在高溫組,匍匐莖繁殖在眾多無性繁殖中所占比例較高,新生螅狀體距離母體較遠,所以整體上螅狀體分布較分散；而隨著溫度降低,出芽生殖在無性繁殖中的比例提升,新生螅狀體緊密圍繞在母體周圍,因此整體上螅狀體分布較緊密。與其他溫度組相比,21℃和18℃組,螅狀體足囊生成較多,而15℃和12℃組,未發(fā)現(xiàn)螅狀體生成足囊；而18℃條件下,螅狀體縱向分裂生殖方式出現(xiàn)較多。

3 討論

3.1 溫度對海月水母螅狀體生長及存活的影響

海月水母生活史由有性繁殖的浮游水母體和無性繁殖的底棲螅狀體世代交替組成。以前,對于水母暴發(fā)的研究一般都關(guān)注于碟狀體及成體水母[6]。近年來,研究者逐漸認識到海底固著階段對了解整個水母暴發(fā)原因及形成機制上的重要作用,這個過程包括浮浪幼蟲附著變態(tài)形成螅狀體,螅狀體通過橫裂生殖釋放碟狀體[6- 7]。營固著生活的螅狀體種群數(shù)量及個體大小的變化會顯著影響通過橫裂生殖釋放的碟狀體的數(shù)量及大小,最終影響整個水母體種群的數(shù)量[1]。

孫明等[17]研究發(fā)現(xiàn),在0—25℃條件下,海月水母螅狀體均可存活,12.5—25.0℃范圍內(nèi)螅狀體繁殖倍率增加；本實驗結(jié)果顯示,12—24℃條件下,螅狀體個體均有增大趨勢,但當溫度達到27℃時,螅狀體狀態(tài)不佳,直至逐漸死亡。可見,黃渤海域海月水母螅狀體具有較強的耐受低溫能力,但對較高的溫度環(huán)境耐受力較差,這可能與黃渤海區(qū)海水溫度范圍有關(guān),黃渤海區(qū)海水溫度范圍在-2—25℃之間,螅狀體種群長期生活在此溫度范圍內(nèi),適應(yīng)性策略導致對高于這一范圍的水溫難以適應(yīng)[17]。研究發(fā)現(xiàn),不同海域生活的海月水母螅狀體對溫度變化的響應(yīng)不同,應(yīng)與其生活的海域環(huán)境條件息息相關(guān)[1,20-21]。同時,在本實驗中,各溫度組螅狀體柄徑的增長及繁殖子代的數(shù)量都在培養(yǎng)14d時開始表現(xiàn)出明顯的差異性,可見螅狀體對環(huán)境的短期改變具有一定的耐受力,短期的環(huán)境變化允許螅狀體產(chǎn)生一定的生理適應(yīng)對策[1],但當需要長期處于不適的環(huán)境條件時,螅狀體才需要改變其自身的行為生理響應(yīng)機制,以應(yīng)對“環(huán)境挑戰(zhàn)”。因此,在超過14d的培養(yǎng)周期內(nèi),各溫度組螅狀體表現(xiàn)出了不同的生長和繁殖策略。本實驗結(jié)果顯示,海月水母螅狀體在低溫條件下,柄徑增大,新生子代螅狀體數(shù)量較少,最終導致種群增長率降低；而較高溫度條件下,螅狀體個體增長較慢,而新生子代螅狀體數(shù)量隨著培養(yǎng)時間的延長逐漸增加,并明顯高于低溫處理組,與王彥濤等[18]研究結(jié)果一致,在溫度10—25℃范圍內(nèi),A. sp.1螅狀體在升溫過程中,其繁殖的數(shù)量逐漸增加,高溫組數(shù)量明顯高于低溫組。研究發(fā)現(xiàn)A.aurita對溫度也有相同反應(yīng)機制[21- 23],較溫暖的環(huán)境條件下,出芽率增加,使得種群數(shù)量增加。

對于生產(chǎn)螅狀體和生產(chǎn)碟狀體上的能量分配方式為海月水母提供了不同的生存策略。在碟狀體數(shù)量上的投入增加可使得有性水母體階段種群擴張的可能性加大,相反,在無性出芽繁殖階段的能量投入增加可提高整個螅狀幼體種群成活率,提供一個更大的無性繁殖群體,以便產(chǎn)出更多的碟狀體[24]。螅狀體在較高溫度條件下將能量資源用于生產(chǎn)子代個體,導致種群快速增長,而用于自身生長的能量降低,個體變小。在較寒冷的條件下,能量被用來增加個體體積,導致種群增長緩慢,個體變大,而個體較大的螅狀體可以產(chǎn)生更多的碟狀體[25]。無性繁殖細胞學說指出,在艱難的環(huán)境中釋放分散的粒子對個體更有利[22],甚至在低溫不適的環(huán)境條件下,海月水母A.coerulea可以改變其生活史,越過螅狀體階段,選擇直接由浮浪幼蟲發(fā)育成碟狀體,以便分散的個體更容易移動到適合的環(huán)境[2]。本實驗中,在12℃和15℃組,螅狀體個體增大,新生螅狀體數(shù)量顯著降低。在低溫條件下,螅狀體為了能找到更加適宜的環(huán)境條件,選擇通過橫裂生殖產(chǎn)生能夠自由移動的碟狀體,因此個體變大,出芽繁殖緩慢是為橫裂做準備。研究發(fā)現(xiàn),螅狀體在低密度條件下不產(chǎn)生橫裂[26],在本實驗中,直至實驗結(jié)束,所有螅狀體均未發(fā)生橫裂,分析可能是因為,實驗條件沒有給螅狀體產(chǎn)生足夠大的“壓力”,同時,低密度的實驗設(shè)置也是造成螅狀體未發(fā)生橫裂的原因。

本實驗結(jié)果表明,黃渤海區(qū)海月水母螅狀體種群的繁殖策略為,在夏季選擇快速擴張種群數(shù)量直至秋季速率降低,從而在冬季產(chǎn)生大量的螅狀體。在冬季,溫度的降低導致出芽繁殖速率逐漸降低,螅狀體個體體積增大然后發(fā)生橫裂,較大的螅狀體產(chǎn)生更多的碟狀體,此種繁殖策略導致冬季大量碟狀體通過橫裂釋放。此時橫裂更有助于碟狀體在春季長成水母體,呈現(xiàn)暴發(fā)現(xiàn)象。冬季橫裂之后,螅狀體種群迎來溫度升高,食物來源豐富的環(huán)境條件,利于螅狀體種群的增加以補充在橫裂過程中的損耗。然而,其他的影響因子,例如空間競爭[27],食物的可利用性[24], 和捕食者[28]在螅狀體種群生長和存活中也起到了重要的作用。

3.2 溫度對海月水母螅狀體無性繁殖的影響

與其他缽水母種類相比,海月水母的無性繁殖方式復雜多樣,目前已報道的繁殖方式包括匍匐莖繁殖、出芽繁殖、縱裂繁殖、足囊繁殖、橫裂繁殖、內(nèi)外繁殖體繁殖、水母體直接退化成螅狀體的無性繁殖方式[7,24,29-32]。海月水母的眾多無性繁殖方式使其對不同的環(huán)境條件具有較強的適應(yīng)性。

已有研究表明,繁殖方式及發(fā)生時間受多種環(huán)境因子影響,例如光照[20]、溫度[18, 33- 34]、食物[19, 33]、化學物質(zhì)[35]、捕食者[36]等。在溫度22℃鹽度34條件下,出芽繁殖是海月水母最主要的繁殖方式；內(nèi)繁殖體繁殖是僅在高密度下(大約7.5個/cm2)發(fā)生的繁殖方式[37]。食物水平對出芽生殖影響顯著,在低食物水平下未發(fā)現(xiàn)出芽繁殖方式[9, 38- 39]。石巖等[19]對海月水母的研究發(fā)現(xiàn),溫度9—18℃條件下,匍匐莖繁殖是主要方式,出芽繁殖次之,縱向分裂以及足囊出現(xiàn)幾率極低。

本實驗研究發(fā)現(xiàn),在海月水母的眾多無性繁殖方式中,匍匐莖繁殖和出芽繁殖依然占主要地位,但溫度對海月水母無性繁殖具有一定的影響。在較高溫度處理組,螅狀體主要采用匍匐莖繁殖作為主要的繁殖方式,因此,新生螅狀體距離母體較遠,螅狀體種群擴充范圍較大,而隨著溫度降低,出芽繁殖比例增高,新生螅狀體更加緊密的排列在母體周圍。出芽繁殖與匍匐莖繁殖的主要區(qū)別在于出芽繁殖是螅狀體在柄部生成子螅狀體后兩者再分離,而匍匐莖繁殖則是螅狀體產(chǎn)生匍匐莖,遠離母體,先分離后生長發(fā)育成子螅狀體。這也是海月水母螅狀體應(yīng)對溫度變化的一種適應(yīng)性機制,當溫度適宜時,新生螅狀體成活率較高,因此選擇匍匐莖繁殖,以便迅速的擴充種群范圍；而當環(huán)境條件逐漸惡劣,新生螅狀體的成活成為主要目的,因此選擇出芽繁殖,新生子代螅狀體在母體上發(fā)育完全后再與母體分離,保證了螅狀體的成活率。

實驗結(jié)果顯示,足囊繁殖僅發(fā)生在21℃和18℃,較低溫度和較高溫度未發(fā)現(xiàn)足囊,與海蜇、沙蜇的足囊繁殖不同,海月水母的足囊繁殖方式是僅在食物缺乏或不攝食的高溫條件下產(chǎn)生,夏季高溫期是足囊繁殖的最適季節(jié)[8-9,40],雖然足囊繁殖并非海月水母在適宜環(huán)境下的主要繁殖方式,但卻是其適應(yīng)極端環(huán)境最有效的繁殖策略,既可以抵御敵害生物的捕食,又能耐受不利的環(huán)境條件[7]。本實驗在較高溫度條件下,適宜的環(huán)境條件和充足的餌料導致螅狀體并未產(chǎn)生足囊,而低溫條件下,螅狀體選擇增加個體大小,并未將能量用于足囊繁殖。

本實驗中,研究單個螅狀體的生長繁殖,對于單個螅狀體的研究能更清晰的闡明無性繁殖的細節(jié)變化[6, 20],特別是在種群密度控制條件下,更能清晰的反應(yīng)環(huán)境條件通過誘導個體的行為變化導致的種群大小的改變。但在自然界中,螅狀體是成群存在的,種群的生長和繁殖受多種因素控制。研究發(fā)現(xiàn),決定海月水母螅狀體數(shù)量及分布的因素有3個[13]：(1)浮浪幼蟲附著對螅狀體種群的補充；(2)螅狀體自身的無性繁殖；(3)種間和種內(nèi)競爭。由于這些復雜的影響因素,要想弄清海月水母暴發(fā)的原因,首要弄清調(diào)節(jié)螅狀體種群變化的影響因子。自然或人工構(gòu)筑物均可以成為海月水母螅狀體附著基,螅狀體附著后可迅速擴張[13,38],此時,有效附著基是限制種群大小的關(guān)鍵；假設(shè)食物充足,螅狀體的擴張范圍較小時,此時種內(nèi)競爭會降低螅狀體的繁殖率,螅狀體的密度升高,直至達到一個平衡狀態(tài),此時螅狀體可能會通過產(chǎn)生浮浪體芽的游離方式尋找新的附著基；而在附著基和食物充足的基礎(chǔ)上,溫度會顯著影響螅狀體種群大小,溫度適宜時,螅狀體的擴張范圍增大,更加有利于種群的增加。研究表明,預(yù)計海洋表面的溫度將在2100年增加4℃,因此,海底生境會變得更加溫暖,全球氣溫的變化會影響底棲螅狀體的數(shù)量及分布[1]；同時,溫度也會顯著影響螅狀體的能量分配方式及無性繁殖選擇,從而調(diào)控螅狀體種群,最終影響水母體的數(shù)量及分布。

4 結(jié)論

海月水母螅狀體具有較強的溫度適應(yīng)能力,但在27℃時,螅狀體不能存活。在較低溫度條件下,螅狀體個體增大,新生子代螅狀體數(shù)量降低；而在較高溫度組,螅狀體生長緩慢,新生子代螅狀體數(shù)量增加。溫度會顯著影響海月水母螅狀體的無性繁殖方式,在較高溫度條件下,螅狀體主要通過匍匐莖繁殖產(chǎn)生子代,而隨著溫度降低,出芽繁殖在無性繁殖中的比例逐漸升高。結(jié)果表明,海月水母螅狀體可以通過調(diào)節(jié)體內(nèi)能量分配方式及無性繁殖選擇以適應(yīng)不同的環(huán)境條件,達到維持種群數(shù)量的目的。