摘要
随着大气中CO2的浓度不断升高，全球变暖、海洋酸化、海洋上部混合层变浅、洋流及UV辐射等环境变化对海洋浮游植物、初级生产力产生广泛的影响。已有的研究大部分集中于钙化藻类和动物，且多聚焦于单因子效应，而对硅藻等非钙化的浮游植物对这些环境因子的响应以及多因子的耦合效应，缺乏系统的科学认识。为此，需要探讨多重环境压力下硅藻对酸化或UV辐射等的生理生态学效应。本实验选取了典型硅藻，三角褐指藻、假微型海链藻、中肋骨条藻、威氏海链藻、新月菱形藻，为研究材料，探讨了其对UV辐射、海洋酸化等的响应，并研究了三角褐指藻对酸化的分子响应及相关生理机制，探讨了三角褐指藻和假微型海链藻对海洋酸化的进化性响应。主要结果如下: 室内条件(150μmol m-2 s-1;20℃)下，随着细胞粒径的增加，三角褐指藻、新月菱形藻、假微型海链藻及威氏海链藻的生长先增加后降低，中等大小的长得最快。无论是羽纹硅藻还是中心硅藻，粒径较小的细胞具有较大的有效光能吸收截面积（天线色素对光能的吸收效率），但UV辐射对其光化学效率及光合固碳的抑制作用也较高。随着细胞粒径的增加，该抑制作用逐渐降低。在室外高且变化的阳光辐射光条件下，粒径较小的假微型海链藻的光合固碳速率显著降低，而粒径较大的威氏海链藻的固碳速率却显著增加。 在室外变动光强下，高CO2(1000μatm，HC)，低光时，促进了三角褐指藻、假微型海链藻及中肋骨条藻的生长，但在高光条件下，却抑制了其生长。然而，在室内三个恒定光强(60、200、460μmol m-2 s-1)和室外相同培养温度(20℃)下，CO2浓度升高均促进了三角褐指藻的生长，下调了其无机碳浓缩能力(CCMs)。光强由60μmol m-2 s-1升高至460μmol m-2 s-1时，相比于低CO2浓度，CO2浓度升高至1000μatm降低了细胞对无机碳的亲和力，降幅分别为11-55％。 采用抑制性差减杂交(Suppressive subtractive hybridization; SSH)的方法建立了三角褐指藻响应海洋酸化的上调文库。共测定712个序列，得到587个上调基因，利用AmiGO基因本体释义最终确定68个为未知基因，107为未能命名基因，412个为确定基因。上调基因参与细胞的光合作用，氨基酸、脂肪酸、脂质代谢，转录翻译，细胞组成及应激反应等。无论是在室内恒定、低光还是室外变动、高光条件下，酸化(CO2浓度升高/pH下降)均显著上调了亚硝酸还原酶(NiR)的基因表达，并显著下调了β-碳酸酐酶(β-CA)的基因表达。 CO2浓度升高(1000μatm)和升温(温度由15℃升高至25℃)协同提高了中肋骨条藻的生长速率和呼吸作用，其光合固碳速率随着温度的增加先升高再降低，最适温度为20℃。在两个CO2浓度，即390(LC)和1000μatm(HC)及20℃条件下适应30代后，LC细胞光合固碳的最适温度为25℃，而HC细胞的最适温度为20℃。此外，CO2浓度升高提高了单位细胞颗粒有机碳(POC)、有机氮(PON)的含量，但降低了单位细胞的碳氮(C/N)比值，随着温度的升高，该比值逐渐降低。低光条件下(250μmol m-2 s-1)，CO2浓度升高对中肋骨条藻光合固碳速率的促进作用受温度的调控，即低温(15℃)时，CO2浓度升高促进了细胞的光合固碳。光强、温度升高显著提高细胞的光合固碳速率，但在高光条件下(435μmol m-2 s-1)，酸化对光合固碳的促进效应不显著。 升温和酸化协同降低了UV辐射对三角褐指藻光化学效率的抑制作用，表现为UV辐射处理下，升温和酸化提高了细胞光系统Ⅱ(PSⅡ)反应中心修复与损伤(r/k)比值;尤其是在UVB存在的条件下，该比值在高CO2条件下显著增加。此外，温度越低，细胞的非光化学淬灭(NPQ)的值越高，且随着NPQ的增加，r/k比值逐渐降低。该结果说明，酸化和升温可缓解UVB对三角褐指藻PSⅡ的损伤。 三角褐指藻、假微型海链藻分别适应高CO2浓度(1000μatm)约860、1200代后，其生长速率分别（显著）增加0.67％和0.87％。培养过程中不同CO2处理下，三角褐指藻平均细胞粒径基本保持不变，约为5.06μm，而假微型海链藻的粒径呈现出先增加后降低的趋势，且HC细胞的粒径略有降低，降幅约为2％，但差异不显著。酸化条件下，三角褐指藻的光合放氧速率略有增加，而假微型海链藻的光合放氧速率显著降低，其呼吸作用均被促进，增幅分别为10％和11％。长期适应酸化状态后进行高、低CO2浓度的短期转换实验（即高低CO2互相转换;适应10代），结果显示，CO2浓度的变化对这两种藻的生长、色素、相对电子传递速率等生理特性的影响不显著。对于三角褐指藻来说，无论是长期适应还是短期转换，CO2浓度升高均提高了其光合固碳速率，即相比于LC-LC组，LC-HC和HC-HC的三角褐指藻的光合固碳速率分别显著增加18％和24％，而LC-HC和HC-LC的假微型海链藻的光合固碳速率分别增加16％和12％（不显著）。此外，光强升高显著增加了细胞的NPQ，在高光(1593μmol m-2 s-1)下，三角褐指藻的NPQ显著高于假微型海链藻，前者NPQ的值约为后者的两倍。总体来说，进化性响应表征是尽管光合固碳速率对酸化有直接的响应，但其色素含量、电子传递速率等不受酸化的影响，显示其较高的表观可塑性。同时，酸化对假微型海链藻光合固碳的影响高于对三角褐指藻的影响，显示其较强的进化能力。 总之，细胞粒径小的硅藻受UV辐射的损伤较大，随着细胞粒径的增加，UV辐射对光合效率的抑制作用逐渐降低。升温、酸化、UV辐射的耦合效应具有显著的种间差异，相比于三角褐指藻，中肋骨条藻对高光、UV辐射具有更高的耐受性。从进化学的角度分析，不同硅藻对酸化具有不同的适应性特征，如酸化促进了三角褐指藻的光合放氧，而降低了假微型海链藻的放氧能力。同时相比于三角褐指藻，假微型海链藻具有较高的进化性。在全球变化的大环境下，硅藻优势种类变迁或硅藻间的种间竞争，取决于酸化、UV辐射及升温等多种因子的复合效应，也取决于其分布的深度与水域。
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