氣候變化對(duì)海藻龍須菜生長(zhǎng)與光合作用耐熱特性的影響

丁柳麗, 鄒定輝,2,* , 劉 露, 鄧亞運(yùn)

1 華南理工大學(xué)環(huán)境與能源學(xué)院, 廣州 510006 2 工業(yè)聚集區(qū)污染控制與生態(tài)修復(fù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣州 510006

氣候變化對(duì)海藻龍須菜生長(zhǎng)與光合作用耐熱特性的影響

丁柳麗1, 鄒定輝1,2,*, 劉 露1, 鄧亞運(yùn)1

1 華南理工大學(xué)環(huán)境與能源學(xué)院, 廣州 510006 2 工業(yè)聚集區(qū)污染控制與生態(tài)修復(fù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣州 510006

為探討大氣CO2升高和溫室效應(yīng)對(duì)龍須菜生長(zhǎng)及生理生化特性的影響，在4種條件下培養(yǎng)龍須菜：1)對(duì)照組(390 μL/L CO2+ 20 ℃)，2)CO2升高組(700 μL/L CO2+ 20 ℃)，3)溫度升高組(390 μL/L CO2+ 24 ℃)，4)溫室效應(yīng)組(700 μL/L CO2+ 24 ℃)，測(cè)定藻體生長(zhǎng)和生化組分以及高溫脅迫下的最大光化學(xué)量子產(chǎn)量(Fv/Fm)和光能利用效率(α)、光合速率(Pn)和呼吸速率(Rd)。結(jié)果表明，CO2升高、溫度升高以及溫室效應(yīng)均促進(jìn)龍須菜的生長(zhǎng)，溫室效應(yīng)下的促進(jìn)作用更明顯。溫室效應(yīng)使龍須菜具較高的Pn和Rd以及較低的可溶性蛋白(SP)和可溶性碳水化合物(SC)含量。高濃度CO2對(duì)葉綠素(Chl a)和類(lèi)胡蘿卜素(Car)含量沒(méi)有顯著影響，而高溫使其上升；藻紅蛋白(PE)和藻藍(lán)蛋白(PC)含量不受CO2濃度和溫度的影響。龍須菜Fv/Fm、α、Pn和Rd值，在32 ℃處理3 h后略有上升，在36 ℃處理3 h后下降，而在40 ℃處理20 min后降到極低水平。正常溫度(20 ℃)生長(zhǎng)的龍須菜最高耐受溫度在32—36 ℃之間，而較高溫(24 ℃)生長(zhǎng)的龍須菜在36—40 ℃之間；生長(zhǎng)溫度對(duì)光合作用和呼吸作用耐熱性能的影響比CO2濃度的影響更大；而溫室效應(yīng)生長(zhǎng)條件下的龍須菜光合作用表現(xiàn)出更突出的耐熱性能。

CO2; 溫度; 龍須菜; 生化組分; 葉綠素?zé)晒? 光合作用; 呼吸作用

自然界中因植物光合作用和呼吸作用所引起的CO2交換量遠(yuǎn)大于因化石燃料燃燒所產(chǎn)生的CO2量[1]。因此，CO2濃度和溫度對(duì)植物光合作用和呼吸作用的影響，在極大程度上影響著全球大氣的變化。預(yù)計(jì)在21世紀(jì)末，CO2的濃度將上升到700 μL/L至1000 μL/L，其所引起的全球變暖將導(dǎo)致全球海洋表面平均溫度上升1.0—4.4 ℃[2]。

大氣CO2濃度上升引起的溫度變化也影響大型海藻生命活動(dòng)。光合作用涉及到的一系列酶促反應(yīng)以及作為光合作用反應(yīng)場(chǎng)所的葉綠體膜完整性幾乎都受溫度的影響。Kübler等[11]早期研究表明，角叉菜對(duì)其生長(zhǎng)溫度的適應(yīng)很大程度上決定了其耐熱性能和熱脅迫后的恢復(fù)能力。溫度變化可導(dǎo)致光飽和光合作用電子傳遞或者碳代謝受抑制，從而影響海藻光合作用特性[12]。此外，隨著溫度的升高，Rubisco酶對(duì)O2的親和力逐漸增加并高于其對(duì)CO2的親和力，從而導(dǎo)致光呼吸作用增加，這種高溫引起的光呼吸作用增強(qiáng)也會(huì)影響飽和光合作用速率。雖然原初光化學(xué)反應(yīng)不受溫度的影響，但是光反應(yīng)階段的電子傳遞和光合磷酸化過(guò)程以及質(zhì)體醌的擴(kuò)散等與溫度密切相關(guān)，因此溫度會(huì)影響光能捕獲效率或者光能利用效率[12]。

1 材料及方法

1.1 龍須菜采集及暫養(yǎng)

龍須菜生長(zhǎng)期為每年的1—6月，于2012年5月采自汕頭南澳島，此時(shí)汕頭海域水溫約為20 ℃。低潮時(shí)從潮間帶采集健康無(wú)損的龍須菜，用裝有少量海水的保溫箱將藻體控制在低溫并在最短時(shí)間內(nèi)運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室。藻體在溫度20 ℃和光照強(qiáng)度150—200 μmol m-2s-1條件下進(jìn)行持續(xù)通氣暫養(yǎng)，光照周期為L(zhǎng)∶D=12 h∶12 h(光照時(shí)間為9:00至21:00)。培養(yǎng)海水為過(guò)濾的天然海水，鹽度為32，添加一定濃度的NaNO3和NaH2PO4并使其終濃度分別為200 μmol/L和25 μmol/L。暫養(yǎng)3 d后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)處理及測(cè)定方法

準(zhǔn)備12個(gè)裝有5 L天然過(guò)濾海水的三角瓶來(lái)培養(yǎng)龍須菜，每個(gè)三角燒瓶中加入6.15 g(± 0.04 g)龍須菜。將2個(gè)植物培養(yǎng)箱CO2濃度設(shè)定為700 μL/L，溫度分別設(shè)定為20 ℃和24 ℃兩個(gè)溫度，每個(gè)溫度下放置6個(gè)重復(fù)樣，向其中3個(gè)平行樣通入正?？諝?通過(guò)氣泵從外界泵入空氣流通良好區(qū)域的空氣，CO2濃度約為390 μL/L)，向另外3個(gè)平行樣通入高CO2濃度空氣(通過(guò)氣泵從培養(yǎng)箱內(nèi)泵入高CO2濃度的空氣，CO2濃度約為700 μL/L)。其他條件與暫養(yǎng)條件一致。綜上所述，實(shí)驗(yàn)中龍須菜的4種培養(yǎng)條件分別為：1)對(duì)照組或CK組(390 μL/L + 20℃)；2)CO2升高組(700 μL/L + 20 ℃)；3)溫度升高組(390 μL/L + 24 ℃)；4)溫室效應(yīng)組(700 μL/L + 24 ℃)。培養(yǎng)10 d后進(jìn)行相關(guān)生理生化特性測(cè)定及溫度脅迫實(shí)驗(yàn)。

1.2.1 生長(zhǎng)和生化組分

可溶性蛋白(SP)含量的測(cè)定采用考馬斯亮藍(lán)G- 250染料結(jié)合法[18]。利用苯酚-硫酸法測(cè)定可溶性碳水化合物(SC)含量[19]。參照Beer和Eshel[20]的方法測(cè)定藻紅蛋白(PE)和藻藍(lán)蛋白(PC) 含量。根據(jù)Jensen[21]，采用丙酮提取法測(cè)定葉綠素(Chl a)和類(lèi)胡蘿卜素(Car)的含量。

1.2.2 高溫脅迫對(duì)葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

培養(yǎng)結(jié)束后，將不同條件下生長(zhǎng)的龍須菜進(jìn)行短期高溫(32、36 ℃和40 ℃)脅迫處理，并測(cè)定其葉綠素?zé)晒鈪?shù)隨時(shí)間的變化。從4種培養(yǎng)條件下生長(zhǎng)的龍須菜中各自選出6枝生長(zhǎng)狀態(tài)一致的藻體，放入預(yù)先準(zhǔn)備好的4個(gè)三角燒瓶?jī)?nèi)進(jìn)行脅迫處理(用光照培養(yǎng)箱將4個(gè)裝有1 L過(guò)濾天然海水的三角燒瓶的溫度控制在脅迫溫度，實(shí)驗(yàn)前海水至少通氣12 h以保證海水中無(wú)機(jī)碳系統(tǒng)達(dá)到平衡)，務(wù)必使龍須菜在脅迫處理時(shí)的通氣條件與其培養(yǎng)時(shí)的通氣條件保持一致。在高溫32 ℃和36 ℃脅迫0、0.5、1、3 h和6 h時(shí)和高溫40 ℃脅迫的0 h、5 min、10 min、20 min和30 min時(shí)測(cè)定龍須菜葉綠素?zé)晒鈪?shù)。

利用調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨xJunior-PAM(Walz, German)測(cè)定葉綠素?zé)晒鈪?shù)。向藻體連續(xù)照射8個(gè)光強(qiáng)梯度的光化光(66—820 μmol m-2s-1)，照射間隔為10 s，得到快速光曲線。光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)的最大光化學(xué)量子產(chǎn)量Fv/Fm可通過(guò)公式計(jì)算[22]：Fv/Fm=(Fm-Fo)/Fm，其中Fm為最大熒光值，F(xiàn)o為最小熒光值；對(duì)快速光曲線的非線性曲線擬合可得光能利用效率α，擬合公式[23]為：rETR=rETRmax·tanh(α·PPFD/rETRmax)，式中：rETR為相對(duì)電子傳遞速率；rETRmax為相對(duì)最大電子傳遞速率；PPFD為光量子通量密度。

1.2.3 高溫脅迫對(duì)呼吸速率和光合放氧速率的影響

高溫脅迫處理方法與1.2.2相同，分別在高溫32 ℃和36 ℃脅迫的0、1、3 h和6 h時(shí)以及高溫40 ℃脅迫的0 、10、20 min和30 min時(shí)測(cè)定各條件下生長(zhǎng)的龍須菜呼吸速率(黑暗狀態(tài))和光合放氧速率(飽和光強(qiáng)400 μmol m-2s-1)。

呼吸速率和光合放氧速率采用氧電極測(cè)定(YSI- 5300, USA)。將龍須菜剪成0.8 cm左右的小段，放在原生長(zhǎng)條件下至少恢復(fù)1 h。稱(chēng)取約0.15 g鮮重藻樣，放入裝有8 mL反應(yīng)介質(zhì)的反應(yīng)槽中，利用循環(huán)水浴使反應(yīng)槽的溫度與脅迫溫度保持一致。黑暗狀態(tài)利用不透光塑料膜遮蓋反應(yīng)槽所得，飽和光強(qiáng)通過(guò)光量子計(jì)測(cè)定來(lái)調(diào)節(jié)光源與反應(yīng)槽間距離而得。測(cè)定過(guò)程中用轉(zhuǎn)子不斷攪拌反應(yīng)介質(zhì)，每次測(cè)定在5 min至10 min內(nèi)完成。

1.3 統(tǒng)計(jì)與分析

采用Origin 8.0軟件繪制圖形，利用SPSS軟件進(jìn)行t-檢驗(yàn)或單因子方差分析鑒定數(shù)據(jù)差異性，設(shè)P<0.05為顯著性差異水平。

2 結(jié)果

2.1 生長(zhǎng)和生化組分含量

如圖1所示，各組龍須菜FW隨時(shí)間的變化呈上升趨勢(shì)。CO2升高組、溫度升高組以及溫室效應(yīng)組龍須菜FW和RGR均大于對(duì)照組。溫室效應(yīng)組龍須菜RGR顯著高于其他條件下的龍須菜(P<0.05)(圖1)。

各組龍須菜生化含量差異如表1所示。與CK組相比，CO2升高組SC含量明顯下降(P<0.05)，而其他生化指標(biāo)基本不受影響；溫度升高組龍須菜SP和SC含量明顯下降。溫室效應(yīng)組龍須菜SP和SC含量明顯下降(P<0.05)。溫度升高組和溫室效應(yīng)組Chl a和Car含量均上升，而這兩種色素含量在兩組龍須菜之間未表現(xiàn)出顯著差異(P>0.05)。PE和PC基本不受CO2和溫度的影響(表1)。

2.2 葉綠素?zé)晒鈪?shù)高溫忍耐特性

圖2所示為不同條件下生長(zhǎng)的龍須菜Fv/Fm、α值在高溫32 ℃脅迫時(shí)隨時(shí)間的變化。隨脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，各組龍須菜Fv/Fm值下降率均不超過(guò)10%(圖2)。α值呈上升趨勢(shì)，其中CK組龍須菜α值上升了43.0%，溫度升高組或者CO2升高組龍須菜的α值隨高溫32 ℃處理時(shí)間變化的影響程度均不超過(guò)25%，而溫室效應(yīng)組龍須菜的α值在受高溫32 ℃脅迫后上升了116.4%(圖2)。整個(gè)處理過(guò)程中，各組龍須菜的Fv/Fm和α值未表現(xiàn)出顯著差異(P>0.05)。

圖1 不同生長(zhǎng)條件對(duì)龍須菜鮮重(FW)和相對(duì)生長(zhǎng)速率的影響Fig.1 Effects of different growth conditions on the biomass (FW) and relative growth rate (RGR) of Gracilaria lemaneiformis

表1 不同生長(zhǎng)條件下的龍須菜的生化組分含量Table 1 Contents of biochemical compositions in Gracilaria lemaneiformis cultured under different conditions

* SP全稱(chēng)為Solution Protein; SC全稱(chēng)為Soluble Carbohydrate; PE全稱(chēng)為Phycoerythrin; PC全稱(chēng)為Phycocyanin

圖2 不同條件下生長(zhǎng)的龍須菜Fv/Fm 和α 值在32 ℃脅迫時(shí)隨時(shí)間的變化

圖3為各條件下生長(zhǎng)的龍須菜Fv/Fm和α受36 ℃脅迫時(shí)隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。高溫36 ℃脅迫使各組龍須菜Fv/Fm值明顯下降，其中CK組和CO2升高組分別下降了77.7%和71.2%，而溫度升高組和溫室效應(yīng)組則下降了不到25%(下降率分別為24.9%和21.8%)(圖3)。各組龍須菜的α值變化趨勢(shì)與Fv/Fm值一致，其中CK組和CO2升高組龍須菜α值下降了75%以上，而溫度升高組和溫室效應(yīng)組則分別下降了26.0%和7.8%(圖3)。整個(gè)脅迫過(guò)程中，溫度升高組以及溫室效應(yīng)組龍須菜Fv/Fm和α值顯著高于CK組和CO2升高組(P<0.05)。可見(jiàn)，高溫(24 ℃)的生長(zhǎng)條件使龍須菜光合參數(shù)在高溫36 ℃脅迫下較穩(wěn)定。

圖3 不同條件下生長(zhǎng)的龍須菜Fv/Fm 和α 值受36 ℃脅迫時(shí)隨時(shí)間的變化

高溫40 ℃脅迫對(duì)不同生長(zhǎng)條件下的龍須菜Fv/Fm和α值的影響如圖4所示。各組龍須菜Fv/Fm值(圖4)和α值(圖4)的差異不顯著(P>0.05)，在脅迫處理5 min后均急劇下降到極低值。

圖4 不同條件下生長(zhǎng)的龍須菜Fv/Fm 和α 值受40 ℃脅迫時(shí)隨時(shí)間的變化

2.3 光合作用和呼吸作用高溫忍耐特性

圖5所示為不同生長(zhǎng)條件下的龍須菜呼吸作用隨著高溫脅迫處理時(shí)間延長(zhǎng)的變化。32 ℃脅迫6 h使各組龍須菜Rd呈上升趨勢(shì)，其中CK組、CO2升高組、溫度升高組和溫室效應(yīng)組分別上升了11.23%、22.55%、14.27%和17.1%。整個(gè)過(guò)程中，溫度升高組龍須菜Rd顯著低于其他組龍須菜(P<0.05)。36 ℃脅迫6 h后，CK組和溫室效應(yīng)組龍須菜Rd基本不變，溫度升高組和CO2升高組龍須菜Rd分別下降了7.95%和15.67%。40 ℃脅迫30 min后，龍須菜Rd均呈下降趨勢(shì)，其中CK組龍須菜Rd下降率最大(下降了30.42%)，溫度升高組和溫室效應(yīng)組龍須菜Rd顯著低于對(duì)照組(P<0.05)(圖5)。

圖5 高溫32、36 ℃和40 ℃對(duì)不同生長(zhǎng)條件下的龍須菜呼吸速率的影響

圖6為不同生長(zhǎng)條件下的龍須菜光合放氧速率隨著高溫脅迫處理時(shí)間的變化。32 ℃脅迫6 h，各組龍須菜Pn呈上升趨勢(shì)，其中CK組龍須菜Pn上升幅度最大，高達(dá)40.72%。整個(gè)處理過(guò)程中，溫度升高組和溫室效應(yīng)組龍須菜Pn顯著大于CK組龍須菜(P<0.05)。36 ℃脅迫6 h后，各組龍須菜Pn下降，其中溫室效應(yīng)組龍須菜Pn顯著高于其他組(P<0.05)。40 ℃脅迫10 min后，龍須菜Pn均下降到零，而此時(shí)呼吸作用維持相對(duì)較高的水平(圖6)。

圖6 高溫32、36 ℃和40 ℃對(duì)不同生長(zhǎng)條件下的龍須菜光合速率的影響

如圖7，溫度升高組或者CO2升高組龍須菜Rd與CK組未表現(xiàn)出顯著差異(P>0.05)，而溫室效應(yīng)組龍須菜Rd顯著高于CK組和CO2升高組(P<0.05)。溫度升高組龍須菜Pn與CK組無(wú)之間無(wú)顯著差異，CO2升高組和溫室效應(yīng)組龍須菜Pn顯著高于CK組(P<0.05)。溫度升高組Rd和Pn與CK組無(wú)顯著差異，CO2升高組具有較低的Rd和較高的Pn，溫室效應(yīng)組則表現(xiàn)出較高的Rd和Pn(圖7)。

圖7 不同條件下生長(zhǎng)的龍須菜在原位下的呼吸速率和光合速率

3 討論

通常情況下，高CO2濃度培養(yǎng)使海藻可溶性蛋白含量下降，而可溶性碳水化合物含量增加[8]。本實(shí)驗(yàn)中，溫室效應(yīng)組龍須菜SP和SC含量均下降，這與該組龍須菜所表現(xiàn)出的較高RGR、Rd和Pn的現(xiàn)象一致。光合固碳和生長(zhǎng)的加速使龍須菜對(duì)N的需求量更高，藻體內(nèi)可溶性蛋白含量下降可能是因?yàn)榭扇苄缘鞍妆蛔鳛樯L(zhǎng)所需氮源而導(dǎo)致[24]。此外，呼吸作用的增強(qiáng)消耗了大量的糖類(lèi)等能源物質(zhì)，因此溫室效應(yīng)組龍須菜SC含量也下降。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明Chl a和Car含量不受CO2濃度的影響，溫度升高使龍須菜Chl a和Car含量上升。這與Zou等[16]關(guān)于龍須菜Chl a含量不受CO2水平影響而受光照水平的影響的結(jié)果一致。Chl a和Car含量的增加為光合作用提供更多的光能，此外，Car的增加增強(qiáng)了保護(hù)光合膜的功能[25]。Zou等[16]發(fā)現(xiàn)龍須菜PE和PC含量受CO2濃度和光照強(qiáng)度的影響，而本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，龍須菜PE和PC不受CO2和溫度的影響。

葉綠素?zé)晒鈱?duì)熱脅迫的感應(yīng)非常靈敏，當(dāng)外界溫度變化時(shí)，植物通過(guò)迅速改變PSⅡ反應(yīng)中心開(kāi)合狀態(tài)使植物快速適應(yīng)外界溫度變化[1]。本實(shí)驗(yàn)中，龍須菜Fv/Fm和α值在32 ℃高溫脅迫6 h后并無(wú)下降趨勢(shì)，在36 ℃高溫脅迫6 h后表現(xiàn)出不同程度的下降，而在40 ℃脅迫20 min后均下降到極低。這表明龍須菜在6 h高溫32 ℃條件下并未受到脅迫，其潛在的最大光能轉(zhuǎn)換效率以及光能利用效率未受到影響；在高溫36 ℃處理時(shí)受到不同程度的脅迫，不同條件下生長(zhǎng)的龍須菜最大光能轉(zhuǎn)換效率以及光能利用效率下降程度不同；龍須菜在高溫40 ℃處理時(shí)遭到嚴(yán)重脅迫，最大光能轉(zhuǎn)換效率以及光能利用效率在短時(shí)間下降到極低值，PSⅡ反應(yīng)中心受損嚴(yán)重。類(lèi)似的結(jié)果在Ralph[26]對(duì)高等植物Halophilaovalis的研究也有發(fā)現(xiàn)，該植物在25—30 ℃內(nèi)未受到脅迫影響，對(duì)超出該范圍外的其他溫度較敏感，高溫40 ℃處理5 h使得Fv/Fm下降了一半且PSⅡ受到不可修復(fù)的損傷。此外，正常溫度生長(zhǎng)(20 ℃，包括對(duì)照組和CO2升高組)與高溫生長(zhǎng)的龍須菜(24 ℃，包括溫度升高組和溫室效應(yīng)組)Fv/Fm和α值在36 ℃高溫脅迫下表現(xiàn)出明顯差異，前者Fv/Fm和α值下降了70%以上，而后者下降率不超過(guò)26%，表明正常溫度(20 ℃)生長(zhǎng)的龍須菜最高耐受溫度限度可能在32—36 ℃之間，而高溫(24 ℃)生長(zhǎng)的龍須菜可能在36—40 ℃之間，進(jìn)一步證明了低溫生長(zhǎng)的植物對(duì)高溫脅迫的耐受力相對(duì)于高溫生長(zhǎng)的植物會(huì)下降[12, 27]。本實(shí)驗(yàn)中不同溫度生長(zhǎng)下的龍須菜在熱脅迫下所表現(xiàn)出的葉綠素?zé)晒鈪?shù)敏感性的差異可能是龍須菜對(duì)各自生長(zhǎng)溫度的長(zhǎng)期適應(yīng)所引起，對(duì)溫度的長(zhǎng)期適應(yīng)可能涉及到類(lèi)囊體膜重組、熱激蛋白和脂類(lèi)以及內(nèi)源蛋白的合成等生理過(guò)程[28]。此外，CO2升高與對(duì)照組龍須菜葉綠素?zé)晒鈪?shù)在高溫脅迫過(guò)程中的差異不顯著?？梢?jiàn)，生長(zhǎng)溫度比CO2濃度對(duì)龍須菜抗高溫逆境脅迫能力的影響更大。

光合作用和呼吸作用是影響植物碳代謝及生物量的兩個(gè)重要生理過(guò)程。本實(shí)驗(yàn)中，溫室效應(yīng)組龍須菜Rd顯著高于CO2升高組，而對(duì)照組和溫度升高組之間的差異不顯著，即CO2濃度升高只有在高溫生長(zhǎng)條件下才對(duì)龍須菜呼吸作用表現(xiàn)出顯著影響，表明CO2對(duì)龍須菜Rd的影響可能與溫度有關(guān)。溫室效應(yīng)組和溫度升高組龍須菜Pn顯著高于其他兩組，表明溫度對(duì)龍須菜光合作用的影響更顯著。有研究表明，CO2濃度升高可通過(guò)增加光合固碳底物濃度和優(yōu)化光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來(lái)促進(jìn)植物光合作用[29]，該實(shí)驗(yàn)中CO2升高并未對(duì)龍須菜光合作用產(chǎn)生顯著促進(jìn)作用，可能是龍須菜所具有的CCM機(jī)制以及其光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并沒(méi)有發(fā)生太大的變化所致。高溫32 ℃下，龍須菜Rd和Pn均隨時(shí)間的延長(zhǎng)而上升；高溫36 ℃下，各組龍須菜Rd和Pn表現(xiàn)出不同程度的下降；高溫40 ℃脅迫時(shí)，所有Rd和Pn均急劇下降。這與葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變化趨勢(shì)一致。Luo等[30]關(guān)于葡萄藤研究表明，35 ℃高溫不足以對(duì)葡萄藤光合作用產(chǎn)生影響，而40 ℃脅迫引起的葡萄藤光合作用下降主要與 Rubisco酶活性提高以及PSⅡ反應(yīng)中心和受體側(cè)活性受抑制這三方面的因素有關(guān)。一般植物的光合作用都有其最適溫度，超出這個(gè)溫度范圍，光合產(chǎn)量將逐步減少最終導(dǎo)致CO2吸收的終止。植物在短期熱脅迫下，PSⅡ中水裂解反應(yīng)受阻，最大光化學(xué)量子產(chǎn)量和來(lái)自PSⅡ電子受體的電子流減少，從而引起PSⅡ反應(yīng)中心關(guān)閉，發(fā)生光合作用下調(diào)現(xiàn)象，這是對(duì)短期溫度變化的有效適應(yīng)方式。對(duì)幾小時(shí)短期熱脅迫的適應(yīng)可能涉及到熱保護(hù)化合物的積累、類(lèi)囊體pH值梯度的改變以及因淬滅機(jī)制改變所導(dǎo)致的下調(diào)等過(guò)程。紅藻光系統(tǒng)受熱脅迫時(shí)，按各器官對(duì)熱脅敏感程度的高低，會(huì)先后發(fā)生放氧復(fù)合體活性下降、捕光色素復(fù)合體解離、藻膽體內(nèi)部結(jié)構(gòu)改變以及PSⅡ受體側(cè)活性受抑制等現(xiàn)象[31]。本實(shí)驗(yàn)中，脅迫溫度的高低和時(shí)間長(zhǎng)短影響著光系統(tǒng)受損的狀態(tài)，進(jìn)而影響光合作用和呼吸作用。高溫脅迫使得Rubisco酶及Calvin循環(huán)酶等活性發(fā)生變化，光合膜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)因脂肪酸飽和程度的變化而改變，脅迫溫度越高對(duì)酶以及膜結(jié)構(gòu)損傷越嚴(yán)重并伴隨著相關(guān)生理功能的喪失[1]。在高溫脅迫光合作用的早期，主要涉及到葉綠體膜特性的變化和能量轉(zhuǎn)移機(jī)制的解偶聯(lián)等[1]，當(dāng)脅迫溫度足夠高時(shí)，脅迫時(shí)間越長(zhǎng)終將導(dǎo)致蛋白質(zhì)的變性和細(xì)胞功能的完全喪失。

此外，高溫(24 ℃)生長(zhǎng)的龍須菜(溫度升高組和溫室效應(yīng)組)在高溫32 ℃脅迫下表現(xiàn)出較高的光合作用速率，其中溫度升高組龍須菜在整個(gè)過(guò)程中呼吸作用顯著低于其他組，溫室效應(yīng)組呼吸作用在脅迫3 h后也逐漸低于其他兩組龍須菜，說(shuō)明高溫生長(zhǎng)條件下的龍須菜具有較好的高溫耐受性和碳代謝狀態(tài)。Zou等[32]研究表明，低溫生長(zhǎng)的羊棲菜幼苗在其生長(zhǎng)溫度下的光合速率高于高溫生長(zhǎng)的羊棲菜在低溫下的光合速率，這種大型海藻光合作用對(duì)溫度的適應(yīng)性與高等植物具有相同的機(jī)制，對(duì)低溫的適應(yīng)涉及到光合作用限制酶(如Rubico酶)含量或者活性增加，對(duì)高溫的適應(yīng)與光合作用器官的熱穩(wěn)定增強(qiáng)有關(guān)[32, 33]。高溫36 ℃脅迫時(shí)，對(duì)照組和溫室效應(yīng)組龍須菜Rd基本不受溫度脅迫影響，溫室效應(yīng)組龍須菜Pn顯著高于其他3種，說(shuō)明溫室效應(yīng)使其在受36 ℃高溫脅迫時(shí)保持較好的碳代謝狀態(tài)，即高CO2和高溫生長(zhǎng)條件共同提高了龍須菜光合作用和呼吸作用的耐熱性能。溫度升高組和CO2升高組龍須菜Rd在36 ℃脅迫時(shí)雖有所下降，但整個(gè)脅迫過(guò)程Rd值與其他兩組并未表現(xiàn)出顯著差異，溫度升高組Pn在脅迫過(guò)程中與對(duì)照組無(wú)顯著差異，而CO2升高組Pn顯著低于對(duì)照組。這些說(shuō)明CO2升高使得龍須菜光合作用和呼吸作用的高溫耐受性下降，而溫度升高的生長(zhǎng)條件對(duì)其并未產(chǎn)生負(fù)面影響。彭長(zhǎng)連等[34]研究也表明，高CO2濃度的生長(zhǎng)環(huán)境對(duì)水稻葉片短期高溫脅迫耐受能力未產(chǎn)生積極影響。

綜上所述，CO2濃度或溫度升高提高了龍須菜的生長(zhǎng)速率，而溫室效應(yīng)更促進(jìn)了龍須菜的生長(zhǎng)；但溫室效應(yīng)降低了龍須菜SP和SC含量，溫度升高使Chl a和Car上升，而CO2對(duì)兩種色素?zé)o顯著影響；CO2和溫度對(duì)PE和PC均無(wú)影響。對(duì)生長(zhǎng)溫度的適應(yīng)使得龍須菜具有不同的最高耐受溫度限度，其中正常溫度(20 ℃)生長(zhǎng)的龍須菜可能在32—36 ℃之間，而高溫(24 ℃)生長(zhǎng)的龍須菜可能在36—40 ℃之間。生長(zhǎng)溫度對(duì)光合作用和呼吸作用耐熱性能的影響比CO2濃度的影響更大，而溫室效應(yīng)更顯著的提高了龍須菜光合作用的耐熱性能。在溫室效應(yīng)背景下，龍須菜作為在海藻栽培最大重要地位的大型海藻之一，其生長(zhǎng)加速以及光合固碳能力的增強(qiáng)，在全球碳循環(huán)和減緩未來(lái)大氣CO2濃度上具有非常重要的意義。

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Effect of climate change on the growth and photosynthetic thermal tolerance in the marine macroalgaGracilarialemaneiformis

DING Liuli1, ZOU Dinghui1,2,*, LIU Lu1, DENG Yayun1

1CollegeofEnvironmentandEnergy,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510006,China2TheKeyLaboratoryofPollutionControlandEcosystemRestorationinIndustryClusters,MinistryofEducation,Guangzhou510006,China

It was predicted that the atmospheric CO2concentrations in the end of this century would be twice as much as the present level, and as a consequence of this the mean global temperature would elevate 4—5 ℃. At present, there are many researches on seaweeds in response to elevated atmospheric CO2concentrations or temperature alone. However, the investigations concerning the impacts of combined effects of elevated atmospheric CO2concentrations and temperature on seaweeds is very limited. The marine red macroalgaGracilarialemaneiformishas been cultivated on large scales in both the southern and the northern parts of China. It is essential to evaluate how the climate change (such as the elevated atmospheric CO2concentrations and global warming) affect this economically important species. In this study,G.lemaneiformiswas cultured under the following four different conditions: 1) ambient control (390 μL/L CO2+ 20 ℃); 2) elevated CO2(700 μL/L CO2+ 20 ℃); 3) elevated temperature (390 μL/L CO2+ 24 ℃); and 4) greenhouse effect (700 μL/L CO2+ 24 ℃). After cultured for 10 d, the growth and biochemical compositions were examined. At the same time, the changes of maximum photochemical quantum yield (Fv/Fm), light use efficiencies (α), net photosynthetic rate (Pn) and dark respiratory rate (Rd) under high-temperature stresses (32 ℃, 36 ℃ and 40 ℃) were explored. The results showed that elevated CO2, elevated temperature, or greenhouse effect all enhanced the growth ofG.lemaneiformis, with the highest relative growth rate occurring under the culture treatment with greenhouse effect. The growth condition treated with greenhouse effect increased the rates ofPnandRdin situ, but decreased the contents of solution protein (SP) and soluble carbohydrate (SC) in algal thalli. Elevated CO2in culture increased the rate ofPnin situ, but the growth condition treated with elevated temperature had hardly affected thePnin situ. Both chlorophyll a (Chl a) and carotenoid (Car) were increased with elevated temperature in culture, but their contents were unaltered with high CO2. Elevated CO2or elevated temperature alone had no significant effects on the contents of phycoerythrin (PE) and phycocyanin (PC) of the algal thalli. The changes ofFv/Fmandαof the algal thalli under high-temperature stresses displayed the same tendency, i.e: their values all increased slightly under 32 ℃-stress, but decreased under 36 ℃-stress, and declined fiercely under 40 ℃-stress. In the course of 6 h of 32 ℃-stress, the rates ofPnin elevated temperature-grown algae and greenhouse effect-grown algae were much higher than those in the algae grown under control condition. In the course of 6 h of 36 ℃-stress, the rates ofPnin greenhouse effect-grown algae displayed the highest levels relative to the algae grown with other three treatments. It was shown that the high-temperature tolerance limit of photosynthesis in 20 ℃ grown algae was between 32 ℃ and 36 ℃, while that of 24 ℃-grown algae was between 36 ℃ and 40 ℃. Taken together, our results suggested that growth ofG.lemaneiformiswould benefit from elevated CO2and/or elevated temperature. Moreover, the greenhouse effect (combined with elevated CO2and elevated temperature) would improve the photosynthetic thermal tolerance to high temperature forG.lemaneiformis.

CO2; temperature;Gracilarialemaneiformis; biochemical compositions; chlorophyll fluorescence; photosynthesis; respiration.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41076094,41276148)

2013- 07- 06;

2014- 05- 30

10.5846/stxb201307061846

*通訊作者Corresponding author.E-mail: dhzou@scut.edu.cn

丁柳麗, 鄒定輝, 劉露, 鄧亞運(yùn).氣候變化對(duì)海藻龍須菜生長(zhǎng)與光合作用耐熱特性的影響.生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(10):3267- 3277.

Ding L L, Zou D H, Liu L, Deng Y Y.Effect of climate change on the growth and photosynthetic thermal tolerance in the marine macroalgaGracilarialemaneiformis.Acta Ecologica Sinica,2015,35(10):3267- 3277.