摘要
滇池位于我国云南省昆明市，是云贵高原上最大的湖泊，由于城镇和农业的发展，滇池富营养化问题严重，造成微囊藻水华在滇池频繁暴发，对人类健康和生态系统造成严重威胁。微囊藻是最常见的蓝藻水华种类，在冬季，微囊藻通常在沉积物表面以营养细胞形式越冬，而在春季复苏进入水体生长，并在夏季形成水华。微囊藻的这种独特的生活史策略被认为是微囊藻水华频繁暴发的重要原因之一。然而越来越多的研究表明，水柱中不仅存在越冬的微囊藻，甚至一些湖泊偶尔会暴发冬季微囊藻水华。这表明微囊藻不仅可以在水柱中越冬，甚至可以形成水华。因此，有必要重新审视微囊藻的生活史模式，研究气候变暖对微囊藻生活史的影响和机制具有重要意义。本研究以滇池微囊藻水华特征及其与环境因子的关系作为切入点，通过室内模拟实验定量比较水柱和沉积物中越冬微囊藻的存活能力和复苏能力，并研究温度、微囊藻种类等因素对微囊藻越冬和复苏的影响，最后通过转录组分析，深入探究沉积物和水柱中微囊藻越冬和复苏的分子机制。主要结果如下: 1.在野外调查部分，本研究首先在2019年至2022年对滇池冬季水柱中微囊藻进行全湖调查，然后在2021年至2022年间，对滇池全湖浮游植物以及水质进行了周年调查。结果发现，在滇池外海，冬季水柱中微囊藻细胞密度连续四年都超过1.0×107cells/L,外海北部的微囊藻细胞密度甚至超过1.0×108cells/L。这表明在滇池外海，微囊藻水华已经由夏季水华变成了全年性水华。相反，滇池草海的微囊藻水华仅仅在夏季发生。水温以及营养盐浓度是影响微囊藻生长的重要因子，共同促进微囊藻水华的发生。 2.在室内模拟实验中，本研究通过量化铜绿微囊藻的增殖速率、死亡速率及净增殖速率，定量比较了在不同的低温条件下（4℃、8℃和12℃）,水体和沉积物中铜绿微囊藻的越冬能力和恢复再生长能力。结果表明，水柱中的微囊藻保持一定的增殖速率，且随着冬季水温的升高而升高。但同时，水柱中微囊藻细胞的死亡速率也很高，温度越低，水柱中微囊藻的死亡速率越大。因此，低温条件下，水柱中微囊藻的净增殖速率为负，而当温度为12℃时，微囊藻净增殖速率接近于0,水柱中微囊藻的生物量能保持稳定。在模拟沉积物环境中，微囊藻细胞不发生增殖，但是死亡率较低。随着冬季温度的增加，沉积物中微囊藻的死亡率逐渐增加。低温条件下，水柱中微囊藻的光合活性快速降低，但是恢复至适宜生长的条件时，其光合活性快速恢复。沉积物中越冬的微囊藻光合活性缓慢降低，但是恢复至适宜生长的条件时，沉积物中越冬的微囊藻光合活性的恢复能力和再生长能力都低于水柱中越冬的微囊藻。 3.本研究通过室内模拟研究温度和营养盐浓度对水柱中群体微囊藻越冬和复苏的影响，结果表明，在营养充足的条件下，群体微囊藻在4℃-12℃下均可以成功越冬，并且温度升高和温度波动显著增加了微囊藻在水柱中越冬时的生长速率。营养盐不充足时，在较低温度下（4℃）微囊藻群体的细胞密度快速降低，且残余的微囊藻群体也不能在复苏阶段恢复生长。越冬温度和营养盐浓度的升高不仅促进微囊藻在复苏阶段的生长，而且可以显著提高微囊藻的垂直迁移能力。虽然在越冬期间微囊藻的光合活性等荧光参数显著下降，但是在复苏阶段微囊藻的各荧光参数大都能恢复到对照水平，这表明微囊藻具有低温适应机制，来保护其光合系统不受光损伤。水柱中微囊藻群体的越冬并不是其生长的停滞阶段，依然依赖水体中的营养盐维持其胞内物质的合成和细胞的增殖。 4.微囊藻水华通常由多种微囊藻组成，不同种类微囊藻存在竞争和演替，滇池微囊藻水华优势种经历了从铜绿微囊藻到惠氏微囊藻的演替。本研究系统分析了铜绿微囊藻和惠氏微囊藻在沉积物和水柱中越冬和复苏能力及其影响因素，比较环境因素（包括光照强度、温度升高和温度波动）对不同微囊藻藻株越冬和复苏的影响。低温低光条件下，试验的四株不产毒的惠氏微囊藻藻株均能在水柱中越冬，并且部分藻株在低温下细胞密度还有增加。四株产毒的铜绿微囊藻藻株在水柱中的越冬能力显著低于惠氏微囊藻，8℃下四株铜绿微囊藻的生物量均快速降低。除了两株惠氏微囊藻，其他六株微囊藻在高光条件下存活能力显著降低。大部分微囊藻藻株受到低温和高光强的协同抑制，但是部分微囊藻藻株的细胞密度依然能维持增长。在模拟的沉积物环境中，大部分藻株的细胞密度在4℃-8℃时不降低或缓慢降低，但12℃时，细胞密度均快速降低。在适宜生长的环境下，沉积物中越冬的所有藻株均能快速恢复生长，水柱中越冬的部分藻株（主要是产毒藻株）不能恢复生长。温度波动显著提高水柱中微囊藻的越冬能力，但是不利于沉积物中微囊藻的越冬。 5.转录组分析结果表明，越冬微囊藻通过下调光合系统相关基因的表达，并上调核糖体生物合成相关基因的表达来适应低温。与水柱中越冬的微囊藻相比,沉积物中越冬的微囊藻通过下调能量代谢相关基因的表达来维持存活，而12℃光照下越冬的微囊藻通过上调磷酸戊糖途径来产生足够的ATP,从而使其可以在水柱中存活并生长;微囊藻在复苏过程中上调了核糖体、磷酸戊糖途径和氧化磷酸化代谢通路，增强了微囊藻在复苏过程中的生长和代谢。微囊藻越冬过程中，微囊藻毒素合成与光照条件有关，温度升高到12℃时，光照条件下越冬微囊藻的毒素合成被促进，而黑暗越冬时微囊藻毒素合成受到抑制。 总之，微囊藻以不同的机制在沉积物和水柱中越冬。在冬季寒冷的浅水湖泊，沉积物更适合微囊藻越冬。在冬季水温较高的湖泊（如滇池），水体更适合微囊藻越冬。无论冬天的温度高或者低，越冬策略的灵活性使微囊藻有可能保存足够数量的细胞，为夏季蓝藻水华提供足够的种源。在全球气候变暖和极端气候频发的大背景下，水柱中越冬的微囊藻对水华的形成贡献更大，沉积物主要作为微囊藻的避难场所，使其在极其不利的条件下种群依然能够延续。
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