摘要
大气CO2浓度升高导致海洋酸化和暖化，其对海藻栽培产业的影响引起了广泛关注。坛紫菜（Pyropia haitanensis）是我国南方沿海广泛栽培的一种大型海藻，具有重要的经济价值和生态价值。研究表明海洋酸化可对坛紫菜产生较大影响。以往研究中为确保pH值恒定，一般维持较低的生物量；而实际生产活动中筏架上的生物量变化较大，海水pH会产生昼夜波动。为此，本研究通过调节培养密度来分析坛紫菜对海洋酸化的生理生态响应机制。高温是坛紫菜养殖过程中最常见的胁迫之一，本研究也分析了不同密度和pH/CO2条件下坛紫菜对高温胁迫的应答和分子机制。主要结果如下： （1）为研究不同培养密度下海洋酸化对坛紫菜叶状体的影响，设置了两种培养密度（1株/L和3株/L）和两种CO2处理（自然空气和CO2加富空气）。培养密度从1株/L提高到3株/L时，比生长速率显著降低了14.8%。低培养密度下，海洋酸化导致比生长速率降低了6.7%。相反，高培养密度下，海洋酸化导致坛紫菜的比生长速率增加了6.7%。这表明，海洋酸化能部分缓解提高培养密度导致的负面影响。无论何种培养密度，海洋酸化对Fv/Fm、总蛋白含量和色素蛋白含量以及藻体组织中碳、氮和磷含量均无显著影响；但显著降低颗粒有机碳（POC）的释放量。特别地，在低培养密度条件下，海洋酸化显著提高了溶解有机碳（DOC）的释放量，增幅为70.2%。综上，海洋酸化对坛紫菜叶状体的碳积累速率和有机物释放的影响依赖于培养密度。 （2）利用转录组分析研究了两种培养密度条件下坛紫菜叶状体响应海洋酸化的分子机制。提高培养密度导致多数与CCM、碳固定和能量代谢相关的差异基因下调表达；并对pH稳态有很大影响，导致10条相关基因下调表达，4条上调表达；这导致有机物合成和代谢活动受到限制，进而抑制生长。低培养密度下，海洋酸化导致部分光合固碳及能量代谢基因，比如甘油醛-3-磷酸脱氢酶、类磷酸甘油酸激酶和磷酸酮醇酶等基因的表达下调。这导致有机物合成和代谢活动受能量供给的限制，进而导致海洋酸化抑制生长。高培养密度下，海洋酸化导致捕光复合物、碳固定、糖酵解、氧化磷酸化、碳代谢和磷酸戊糖途径的多数差异基因上调表达，这可使藻体获得更多的能量进行代谢活动并合成有机物。低培养密度条件下，海洋酸化上调的pH调节基因数高于下调表达的基因数，这表明生物量较低时海洋酸化更严重地破坏了细胞内的pH稳态。而高密度下，海洋酸化对pH稳态影响较小，仅导致2条相关基因上调。 此外，低培养密度条件下，海洋酸化使钙调蛋白基因下调表达，这可能抑制了Ca2+信号的传递，降低了坛紫菜响应海洋酸化的能力；高培养密度条件下海洋酸化导致钙调蛋白和磷酸肌醇激酶基因上调表达，可能促进磷脂酰肌醇信号通路响应环境刺激，提高了坛紫菜叶状体响应海洋酸化的能力。 （3）以耐高温品系Z-61为实验材料，研究了培养密度和海洋酸化对坛紫菜叶状体耐高温能力的影响。在低培养密度下，海洋酸化与高温胁迫协同降低Fv/Fm；高培养密度下，海洋酸化可减轻高温对Fv/Fm的抑制作用。关键基因的表达水平测定结果表明，低培养密度条件下，高温胁迫抑制光合作用关键基因phRubisco和phSBPase的表达，而高培养密度条件下无显著影响。四种密度和pH/CO2条件下，高温胁迫都抑制抗氧化酶phMSD和phPrxR基因的表达，但上调钙调蛋白和热激蛋白相关基因的表达。高培养密度下海洋酸化降低了高温对phHSP70-4基因的上调作用，而低密度则进一步提高上调作用。生理和基因表达水平数据都显示，低培养密度条件下海洋酸化会降低坛紫菜的耐高温能力，高培养密度条件下海洋酸化会提高坛紫菜的耐高温能力。 综上所述，提高培养密度会抑制坛紫菜的生长和光合固碳作用。低培养密度下，海洋酸化会抑制坛紫菜的生长并降低耐高温能力，高培养密度条件下，海洋酸化会促进坛紫菜的生长并提高耐高温能力。
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