溫度和光照對孔石莼光合作用的影響

潘光華,高 山,王廣策,解修俊

(1.天津科技大學,天津 300457;2.中國科學院 海洋研究所,山東 青島 266071)

孔石莼(Ulva pertusa)為綠藻門石莼屬的一種大型經(jīng)濟海藻[1],主要分布于包括中國沿海在內(nèi)的北太平洋西部,生長于中、低潮區(qū)以及大潮干潮線附近的石礫和巖礁上,在水質(zhì)肥沃的內(nèi)灣中生長尤為繁盛[2]?？资怀司哂休^高的食用和藥用價值外,還是一類較為理想的環(huán)境修復生物,主要體現(xiàn)在其對富營養(yǎng)化海水養(yǎng)殖環(huán)境的修復和對赤潮微藻的抑制等方面[3-4]。除了對生態(tài)環(huán)境的有利方面,石莼科綠藻還能夠在特殊環(huán)境下大量異常增殖、聚集形成綠潮,這一近年來頻發(fā)的生態(tài)災害已經(jīng)引起國內(nèi)外學者的廣泛關注和新一輪的研究熱潮[5-9]。石莼對環(huán)境的影響與其自身的生理狀態(tài)密切相關,目前,關于石莼生理、生態(tài)學方面的研究已有不少,其中大多側(cè)重于生態(tài)因子方面的研究,例如,富營養(yǎng)鹽、重金屬、紫外輻射、二氧化碳等脅迫因子對石莼的生理影響以及微藻與石莼的克生效應研究[10-14],而關于基礎生態(tài)因子溫度和光照對石莼光合生理影響的研究還相對較少,鑒于此,本實驗采用新興的葉綠素熒光分析技術(shù)從光合作用角度研究溫度和光照兩種生態(tài)因子對孔石莼的生理影響,實驗結(jié)果可作為對孔石莼生理學研究的必要補充,從而為進一步相關的生理生態(tài)研究提供基礎理論依據(jù)和借鑒。

1 材料與方法

1.1 材料來源及處理

野生孔石莼采自青島太平角,挑選健康藻體,用消毒海水反復沖洗多次以除去附著物和原生動物。處理后的藻體于水族箱中暫養(yǎng)備用,培養(yǎng)條件模擬采集地點,溫度為 15℃,光照強度 30 μmol/(m2·s),光周期為12L：12D,充氣培養(yǎng)。

1.2 培養(yǎng)條件的設定

溫度因子實驗中共設定10、20、30℃三個梯度,光照強度為 50 μmol/(m2·s),光周期為 12L：12D。以上每種梯度處理下設3個平行。藻株于500 mL三角瓶內(nèi)充氣培養(yǎng),培養(yǎng)液為過濾煮沸的消毒海水,鹽度為30,每2 d更換一次。每隔3 d進行一次藻體光合作用的測定。

1.3 光合作用的測定

采用德國WALZ公司的雙通道PAM-100熒光儀通過飽和脈沖法對藻體光系統(tǒng)Ⅱ(PSII)葉綠素熒光和光系統(tǒng)Ⅰ(PSⅠ)的P700吸收變化進行同步測定分析。按照 Maxwell等[15]介紹的原理和方法分別對藻體PS II的最大光合量子產(chǎn)量(Fv/Fm)、實際光合量子產(chǎn)量Y(II)以及調(diào)節(jié)性能量耗散量子產(chǎn)量Y(NPQ)進行測定;PSⅠ反應中心的光合活性采用Schreiber等[13]介紹的方法在遠紅光存在的條件下對藻體施以飽和脈沖進行測定,參數(shù)包括光化學量子產(chǎn)量Y(I)和非光化學量子產(chǎn)量Y(ND)、Y(NA),其中Y(ND)和Y(NA)分別對應供體側(cè)和受體側(cè)電子傳遞受限而產(chǎn)生的非光化學量子產(chǎn)量。

光照實驗同樣采用該葉綠素熒光儀對新鮮采集的健康藻體在不同光照強度下的光合活性進行測定,測定方法和參數(shù)同上。

2 結(jié)果

2.1 溫度對孔石莼光合作用的影響

由圖1可知孔石莼 PSII的實際光合量子產(chǎn)量Y(II)在 10℃和 20℃條件下較為接近(以 10℃條件下略高),并且在整個實驗周期內(nèi)相對穩(wěn)定,始終處于0.6～0.65范圍內(nèi),顯示較強的光合活性。30℃條件下的Y(II)隨時間的延長下降明顯,至第15天僅為0.45左右。

圖1 不同溫度下孔石莼光系統(tǒng)II的實際量子產(chǎn)量Y(II)Fig.1 Variation in effective PSII quantum yield (YII) of Ulva pertusa at different temperatures

光合作用過程中PS II調(diào)節(jié)性能量耗散Y(NPQ)在不同溫度下隨時間的變化趨勢與實際量子產(chǎn)量Y(II)完全相反(圖2)。30℃條件下Y(NPQ)持續(xù)升高,至第15天已達到0.21,而在10℃和20℃條件下保持相對恒定,基本處于0.07～0.1范圍內(nèi),30℃條件下較高的光合作用熱耗散量反映了藻體較強的光保護能力。

圖2 不同溫度下孔石莼光系統(tǒng)II的調(diào)節(jié)性能量耗散量子產(chǎn)量Y(NPQ)Fig.2 Variation in PSII quantum yield of regulated energy dissipation (Y NPQ) of Ulva pertusa at different temperatures

反映植物最大光和作用能力的最大光合量子產(chǎn)量Fv/Fm在三種溫度條件下變化均不明顯(表1)。15 d后,30℃下的Fv/Fm為 0.78,略低于其他兩種溫度,但該結(jié)果依然表明藻體處于較正常的生理狀態(tài)。

表1 經(jīng)過 15 d的培養(yǎng)后,孔石莼在不同溫度下的 PSII最大光合量子產(chǎn)量(Fv/Fm)以及 PSI兩種非光化學量子產(chǎn)量Y(ND)和Y(NA)的比較Tab.1 Comparison of maximum PSII quantum yield(Fv/Fm) or nonphotochemical PSI quantum yield caused by donor side limitatiion (Y ND) and acceptor side limitation (Y NA) among individuals of Ulva pertusa at different temperatures after 15-day culture

PSⅠ的實際量子產(chǎn)量Y(I)在10℃和20℃條件下的變化趨勢與Y(II)類似,即隨著培養(yǎng)時間的延長,兩種溫度下的Y(I)值上升和下降的趨勢均不明顯,以 10℃條件下略高。30℃條件下的Y(I)在培養(yǎng)前期呈現(xiàn)完全下降趨勢,并且明顯低于其他兩種溫度,而在后期又呈現(xiàn)快速上升趨勢,至第15天Y(I)值達到0.89,為三種溫度下最高(圖3)。

圖3 不同溫度下孔石莼光系統(tǒng)I的光化學量子產(chǎn)量Y(I)Fig.3 Variation in effective PSI quantum yield (YI) of Ulva pertusa at different temperatures

培養(yǎng) 15d后,光系統(tǒng)Ⅰ的兩種非光化學能量耗散量子產(chǎn)量Y(ND)和Y(NA)的測定結(jié)果見表1。由表中可知,Y(ND)隨著溫度的上升而升高,在30℃條件下上升尤為明顯,而Y(NA)隨溫度的變化趨勢不明顯,且量子產(chǎn)量始終處于較低水平。在三種溫度條件下,Y(ND)始終大于Y(NA),由供體一側(cè)電子流受限而產(chǎn)生的非光化學能量耗散量子產(chǎn)量占主導地位。

2.2 光照強度對孔石莼光合作用的影響

由圖4可以看出兩個光系統(tǒng)的實際量子產(chǎn)量Y(I)和Y(II)隨著光照強度的增加體現(xiàn)出大體相同的變化趨勢,當光照強度較低時,Y(II)隨著光照強度的增加而上升,Y(I)基本維持恒定;當光照強度超過 60 μmol/(m2·s)時,Y(I)和Y(II)隨著光照強度的繼續(xù)增加而持續(xù)下降。當光照強度達到 1 000 μmol/(m2·s)時,Y(I)和Y(II)分別僅為0.15和0.10,顯示微弱的光合作用,說明兩個光系統(tǒng)的光合活性同時受到抑制。與此呈相反變化趨勢的是Y(ND)和Y(NPQ),二者均隨著光照強度的增加而持續(xù)上升,當光強達到 1300 μmol/(m2·s)時,Y(ND)接近 0.90,非光化學能量耗散的不斷上升表明孔石莼在較高的光強下仍能夠通過熱耗散的形式有效地進行光保護。反映受體側(cè)受限導致的非光化學能量耗散量子產(chǎn)量值Y(NA)始終處于極低水平,僅在 30～220 μmol/(m2·s)的光強范圍內(nèi)表現(xiàn)出先升高后降低的趨勢,Y(NA)的變化表明藻體在對應的光強范圍內(nèi)存在不同程度的光損傷。

圖4 孔石莼的PSII實際光合量子產(chǎn)量Y(II)、調(diào)節(jié)性能量耗散Y(NPQ)、PSI光化學量子產(chǎn)量Y(I)以及兩種非光化學量子產(chǎn)量Y(ND)和Y(NA)的光照強度響應曲線Fig.4 Light response curve of effective PSII quantum yield(YII),Quantum yield of regulated energy dissipation(Y NPQ),Effective PSI quantum yield (YI),nonphotochemical PSI quantum yield (Y ND),and (Y NA) of Ulva pertusa

3 討論

孔石莼作為一種溫帶性大型綠藻,廣泛分布于北太平洋西部沿岸的潮間帶水域,以往的研究表明該種對環(huán)境溫度的變化具有較強的適應能力[16-17],本實驗結(jié)果進一步印證了這一點,主要體現(xiàn)在孔石莼光系統(tǒng)II在三種溫度下都具有較高的實際光合量子產(chǎn)量Y(II)且相互間差異較小。盡管如此,30℃下藻體的Y(II)值在后期呈現(xiàn)較為明顯下降趨勢,并伴隨著光系統(tǒng) II調(diào)節(jié)性能量耗散量子產(chǎn)量Y(NPQ)和光系統(tǒng)I量子產(chǎn)量Y(I)的上升。我們認為這一系列光合參數(shù)的變化趨勢是藻體在高溫逆境下進行的熱耗散和狀態(tài)轉(zhuǎn)換兩種保護性調(diào)節(jié)過程的反映。藻體熱耗散過程的啟動可以將過剩的光能以熱量的形式釋放,避免高溫引起的光損傷,反映于30℃高溫下Y(NPQ)的持續(xù)上升;與此同時啟動的狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程對兩個光系統(tǒng)的激發(fā)能起到進一步平衡作用,以此避免光抑制并更加有效地利用光能[18-19]。本實驗中藻體在高溫下狀態(tài)轉(zhuǎn)換的結(jié)果導致光系統(tǒng) I循環(huán)電子傳遞的增強和跨膜質(zhì)子梯度的上升,反映于30℃下Y(I)的上升。狀態(tài)轉(zhuǎn)換機制已經(jīng)在其他藻類、高等植物以及藍細菌中陸續(xù)被發(fā)現(xiàn),并被認為在適應脅迫環(huán)境方面起到重要作用[20-22]。我們通過本實驗首次在孔石莼中發(fā)現(xiàn)類似的保護機制,結(jié)合野生孔石莼的生態(tài)特征,我們認為該機制極有可能在其渡夏過程中對高溫環(huán)境的適應起到重要作用,以青島海域四季生長的野生孔石莼為例,該種在夏季高達 28℃的海水溫度環(huán)境下依然能夠存活。值得注意的是,上述光保護機制往往是在犧牲部分實際光合效率的基礎上進行的,并由此導致生物量的下降,這也是野生孔石莼的生物量在初夏時達到最高,而進入盛夏后大量減少的主要原因之一[17]。

孔石莼對光照的依賴性較低,當光照強度超過100 μmol/(m2·s)時即達到光飽和,這與鄒定輝等[23]對10℃下石莼光飽和點的測定結(jié)果非常接近,其可能的原因是用于本次光合作用測定的野生孔石莼采集于秋季,海水溫度同樣為 10℃左右,相近的溫度環(huán)境造成了二者對光照強度的近似響應。在遠高于光飽和點的光強下,孔石莼同樣表現(xiàn)很強的光保護能力,反映于在所設置的光照強度范圍內(nèi),藻體的一類調(diào)節(jié)性熱量耗散Y(NPQ)和Y(ND)隨著光照的增強而上升,而反映光損傷的Y(NA)卻始終保持在極低的水平?？资粚庹蛰^低的依賴性和較強的光保護能力對于適應潮間帶干出和浸沒交替過程中光照強度的劇烈變化起到重要作用。

[1]劉朝陽,孫曉慶.石莼的綜合開發(fā)與利用前景[J].飼料廣角,2006,17：35-37.

[2]曾呈奎,張德瑞,張峻甫.中國經(jīng)濟海藻志[M].北京：北京：科學出版社,1962：43-50.

[3]Neori A,Cohen I,Gordin H.Ulva rigidabiofilters for marine fishpond effluents I.Growth,yield and C：N ratio[J].Botanica Marina,1991(34)：483-489.

[4]南春容,張智海,董雙林.孔石莼水溶性抽提液抑制 3種海洋赤潮微藻的生長[J].環(huán)境科學學報,2004,24(4)：702-706.

[5]Blomster J,B?ck S,Fewer D P,et al.Novel morphology inEnteromorpha(Ulvophyceae) forming green tides[J].American Journal of Botany,2002,89(11)：1756-1763.

[6]Gao S,Chen X Y,Yi Q Q,et al.A strategy for the proliferation ofUlva prolifera,main causative species of green tides,with formation of sporangia by fragmentation[J].Plos ONE,2010,5(1)：e8571.

[7]牛建峰,范曉蕾,潘光華,等.青島海域大面積聚集漂浮滸苔的顯微觀測[J].海洋科學,2008,32(8)：30-33.

[8]王超,喬洪金,潘光華,等.青島奧帆基地海域漂浮滸苔光合生理特點研究[J].海洋科學,2008,32(8)：13-15.

[9]梁宗英,林祥志,馬牧,等.滸苔漂流聚集綠潮現(xiàn)象的初步分析[J].中國海洋大學學報,2008,38(4)：601-604.

[10]Msuya F E,Neori A.Effect of water aeration and nutrient load level on biomass yield,N uptake and protein content of the seaweedUlva lactucacultured in seawater tanks[J].Journal of Applied Phycology,2008(20)：1021-1031.

[11]魏海峰,朱學惠,劉長發(fā),等.Pb(Ⅱ)、Zn(Ⅱ)對孔石莼吸收總氨氮的影響[J].大連水產(chǎn)學院學報,2008,23(4)：283-287.

[12]Rautenberger R,Bischof K.Impact of temperature on UV-susceptibility of twoUlva(Chlorophyta)species from Antarctic and Subantarctic regions[J].Polar Biology,2006(29)：988-996.

[13]Gordillo F J L,Figueroa F L,Niell FX.Photon- and carbon-use efficiency inUlva rigidaat different CO2and N levels[J].Planta,2003(218)：315-322.

[14]南春容,董雙林.大型海藻孔石莼抑制浮游微藻生長的原因初探——種群密度及磷濃度的作用[J].中國海洋大學學報,2004,34(1)：48-54.

[15]Maxwell K,Johnson G N.Chlorophyll fluorescence — a practical guide[J].Journal of Experimental Botany,2000,51(345)：659-668.

[16]郭贛林,董雙林,董云偉.溫度及其波動對孔石莼生長及光合作用的影響[J].中國海洋大學學報,2006,36(11)：941-945.

[17]Kim K Y,Choi T S,Kim J S, et al.Physiological ecology and seasonality ofUlva pertusaon temperate rockyshore[J].Phycologia,2004,43(4)：483-492.

[18]Lunde C,Jensen P E,Haldrup A,et al.The PSI-H subunit of photosystem I is essential for state transitions in plant photosynthesis[J].Nature,2000(408)：613-615.

[19]劉賢德,馬為民,沈允鋼.植物光合機構(gòu)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換[J].植物生理與分子生物學學報,2006,32(2)：127-132.

[20]Ravenel J,Peltier G,Havaux M.The cyclic electron pathways around photosystem I inChlamydomonas reinhardtiias determined in vivo by photoacoustic measurements of energy storage[J].Planta,1994 (193)：251-259.

[21]Ducruet J M,Roman M,Havaux M,et al.Cyclic electron flow around PSI monitored by afterglow luminescence in leaves of maize inbred lines(Zea maysL.)：correlation with chilling tolerance[J].Planta,2005 (221)：567-579.

[22]Jeanjean R,Matthijs H C P,Onana B,et al.Exposure of the cyanobacteriumSynechocystisPCC6803 to salt induces concerted changes in respiration and photosynthesis[J].Plant Cell Physiol,1993(34)：1073-1079.

[23]鄒定輝,高坤山.在水生與氣生狀態(tài)下石莼光合作用對光照和溫度的響應[J].植物學通報,2003,20(6)：713-722.