不同光質(zhì)對多肋藻配子體生長發(fā)育的影響

陳書秀 李曉捷 王偉偉 趙聚萍

摘 要：以多肋藻（Costaria costata）雌雄配子體為材料，研究了藍(lán)光、白光、紅光對配子體生長發(fā)育的影響。結(jié)果表明：光質(zhì)對多肋藻配子體的生長發(fā)育有顯著的影響（P<0.05），雌配子體在藍(lán)光條件下相對生長率（5.62%）顯著高于紅光（3.37%），但與白光下的相對生長率（4.94%）無顯著差異；雄配子體在白光下的相對生長率（8.71%）最高，顯著高于紅光（6.73%），但與藍(lán)光下的相對生長率（7.74%）無顯著差異。相同光質(zhì)條件下，雄配子體相對生長率顯著高于雌配子體。整個培養(yǎng)周期過程中，紅光條件下，配子體均未發(fā)育。相同培養(yǎng)天數(shù)下，藍(lán)光組的發(fā)育率顯著高于白光組。隨著培養(yǎng)天數(shù)的增加，白光組和藍(lán)光組的發(fā)育率均有顯著的提高，白光組于第28天達(dá)到最大值21.13%，藍(lán)光組于第20天達(dá)到最大值67.73%。

關(guān)鍵詞：多肋藻（Costaria costata）；配子體；生長；發(fā)育；光質(zhì)

多肋藻（Costaria costata）是一種一年生海洋藻類，主要分布在太平洋北部沿岸的淺海區(qū)，在亞洲主要分布在日本北海道和朝鮮半島的沿海水域，并已在韓國和日本栽培[1-2]。多肋藻于1992年引入中國，在華北海域進(jìn)行了育苗和養(yǎng)殖實(shí)驗(yàn)[3]。目前，大連和榮成沿海都在進(jìn)行小規(guī)模海上養(yǎng)殖[4-5]。多肋藻生長繁殖速度快，在海洋環(huán)境恢復(fù)和海洋森林建設(shè)中具有重要的作用[6]。除了其對鮑魚和海膽等海洋動物的餌料價值之外，C.costata還被認(rèn)為是海藻酸、海藻多糖和巖藻多糖的重要來源，廣泛用于食品加工行業(yè)、生物技術(shù)和醫(yī)藥領(lǐng)域[7-8]。因此，預(yù)計未來對多肋藻的需求將會增加。

目前，多肋藻育苗主要采用傳統(tǒng)的種菜采苗方式，即利用成熟的多肋藻葉狀體放散游孢子后發(fā)育成幼孢子體的方式進(jìn)行育苗培養(yǎng)。這種方法有一些缺點(diǎn)，如耗時長、受季節(jié)限制和常見性病害多發(fā)。利用配子體無性系直接發(fā)育成幼孢子體進(jìn)行育苗培育的方法，可使室內(nèi)培養(yǎng)時間縮短一半，生產(chǎn)成本降低一半。室內(nèi)培養(yǎng)時間的縮短，可以有效減少畸形和孢子分離疾病的發(fā)生[9-10]。對海帶目的許多物種培養(yǎng)研究表明，海藻配子體產(chǎn)生卵子和精子，涉及營養(yǎng)細(xì)胞向繁殖細(xì)胞的轉(zhuǎn)化，營養(yǎng)生長和生殖生長是拮抗過程[11-12]。海帶配子體可以通過抑制誘導(dǎo)條件進(jìn)行無性繁殖，也可以通過提供適當(dāng)?shù)臈l件誘導(dǎo)產(chǎn)生生殖細(xì)胞。從營養(yǎng)生長到生殖發(fā)育的變化歸因于各種環(huán)境因素，包括溫度、光量、光質(zhì)、光周期和營養(yǎng)素[13-15]等，其中光質(zhì)對海帶等大型褐藻的配子體生長發(fā)育起著至關(guān)重要的作用。Shi等[16]研究發(fā)現(xiàn)藍(lán)光下海帶配子體生長速度顯著高于紅光，且藍(lán)光是配子體的發(fā)育受精的必要條件之一。隋曉偉等[17]研究結(jié)果表明：藍(lán)光最利于海帶配子體生長發(fā)育，紅光僅對配子體生長有促進(jìn)作用。

多肋藻的生理生化、生長發(fā)育及海水養(yǎng)殖方面已經(jīng)做了很多研究[18-23]。有關(guān)光質(zhì)對多肋藻配子體生長發(fā)育的影響研究較少，付剛[24]研究發(fā)現(xiàn)，光質(zhì)對多肋藻胚孢子的萌發(fā)無顯著影響，紅光可促進(jìn)雌配子體的營養(yǎng)生長，藍(lán)光更利于配子體成熟發(fā)育。本研究在實(shí)驗(yàn)室中評估了光質(zhì)對多肋藻雌配子體生長發(fā)育的影響，旨在優(yōu)化配子體發(fā)育條件，促進(jìn)配子體快速同步發(fā)育。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

將多肋藻雌雄配子體細(xì)胞團(tuán)進(jìn)行物理切割并用60 μm孔徑的篩絹過濾，獲得50～100 μm細(xì)胞段，制備成細(xì)胞懸濁液備用。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 生長試驗(yàn) 取適量的雌、雄配子體懸濁液分別加入到培養(yǎng)皿中，放置在白光、藍(lán)光和紅光三種不同波長的光線下培養(yǎng)，其他條件為NO-3-N 4 mg/L、PO3-4-P 0.4 mg/L，光照強(qiáng)度40 μmol·m-2·s-1，溫度10 ℃，鹽度31‰，光照周期均為24L∶0D。每個光質(zhì)組設(shè)置3個平行。經(jīng)過30 d的培養(yǎng)，拍照，采用ImageJ進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，根據(jù)初始配子體平均長度（L0）和試驗(yàn)結(jié)束時配子體平均總長度（L1）計算相對生長速率（RGR，%·d-1）。相對生長速率計算：RGR=100[ln（L1）-ln（L0）]/t，其中t為試驗(yàn)天數(shù)，d。

1.2.2 發(fā)育試驗(yàn) 雌、雄配子體細(xì)胞懸濁液2∶1（體積比）進(jìn)行混合后，取適量加入到培養(yǎng)皿中，配子體細(xì)胞段附著于培養(yǎng)皿底部，每個100×視野中含有20～30個細(xì)胞段。發(fā)育條件設(shè)置白光、藍(lán)光和紅光3種不同波長的光線，其他條件均為NO-3-N 4 mg/L、PO3-4-P 0.4 mg/L、C6H5FeO7-Fe 0.1 mg/L，光照強(qiáng)度30 μmol·m-2·s-1，溫度10 ℃，鹽度31‰，光照周期均為12L∶12D。每個光質(zhì)組設(shè)置3個平行。每3～4 d觀察拍照，統(tǒng)計卵囊形成及排卵的雌配子體和幼孢子體數(shù)量，計算配子體發(fā)育率。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用雙因素方差分析檢驗(yàn)光質(zhì)和性別差異對多肋藻配子體生長的影響，并檢驗(yàn)光質(zhì)和培養(yǎng)天數(shù)對配子體發(fā)育的影響。相同性別和相同培養(yǎng)天數(shù)下進(jìn)行單因素方差分析并采用LSD進(jìn)行差異顯著性分析。顯著水平設(shè)為P＜0.05。所有統(tǒng)計分析采用SPSS24.0軟件并用Excel軟件作圖。

2 結(jié)果

2.1 不同光質(zhì)對多肋藻配子體生長的影響

光質(zhì)及性別差異對多肋藻配子體的生長有顯著的影響（P＜0.05），但兩者相互作用對配子體生長的影響不顯著（P=0.192＞0.05）。雌配子體在藍(lán)光條件下相對生長率（5.62%）顯著高于紅光（3.37%），但與白光下的相對生長率（4.94%）無顯著差異；雄配子體在白光下的相對生長率（8.71%）最高，顯著高于紅光（6.73%），但與藍(lán)光下的相對生長率（7.74%）無顯著差異（見表1和圖1）。相同光質(zhì)條件下，雄配子體相對生長率顯著高于雌配子體（表1和圖1）。

2.2 不同光質(zhì)對多肋藻配子體發(fā)育的影響

在試驗(yàn)周期內(nèi)，紅光組的多肋藻配子體僅營養(yǎng)生長，不發(fā)育，無卵囊形成，外觀形態(tài)變化見圖2a-c。培養(yǎng)第10天，藍(lán)光條件下即出現(xiàn)卵囊及排卵現(xiàn)象（圖2de），第13天，白光組才開始出現(xiàn)排卵現(xiàn)象，藍(lán)光組已經(jīng)出現(xiàn)幼孢子體（圖2f）。第16天，藍(lán)光條件下，發(fā)育率達(dá)61.56%，其中小苗占30%以上，白光條件下的發(fā)育率僅為21.13%（圖3）。

方差分析結(jié)果表明，光質(zhì)、培養(yǎng)天數(shù)及兩者的相互作用對多肋藻配子體發(fā)育率有顯著的影響（P<0.001）。整個培養(yǎng)周期過程中，紅光條件下，配子體均未發(fā)育。表2多重比較結(jié)果顯示，相同培養(yǎng)天數(shù)下，藍(lán)光組的發(fā)育率顯著高于白光組。隨著培養(yǎng)天數(shù)的增加，白光組和藍(lán)光組的發(fā)育率均有顯著的提高，白光組于第28天達(dá)到最大值21.13%，藍(lán)光組于第20天達(dá)到最大值67.73%。

3 討論

由于海水地域性差異，導(dǎo)致了不同海域不同水深的光譜結(jié)構(gòu)不同，海藻長期對環(huán)境的適應(yīng)與進(jìn)化，從而形成了不同的海藻色素和不同的光質(zhì)適應(yīng)機(jī)制[25-26]。大量研究表明，不同光質(zhì)（白、藍(lán)、紅、綠光）對藻類的光合效率、生長發(fā)育以及生化代謝等均可產(chǎn)生顯著的影響。例如，López-Figueroa等[27]研究發(fā)現(xiàn)，在紫菜（Porphyra umbilicalis）中，葉綠素的積累和藻藍(lán)蛋白的合成主要是由紅光引起的，藻紅蛋白的合成主要受綠光的刺激。藍(lán)光可促進(jìn)硬石莼（Ulva rigida）、長珊瑚藻和海頭紅（Plocamium cartilagineum）葉綠素的積累速率。Saavedra等[28]研究發(fā)現(xiàn)，角毛藻（Chaetoceros sp.）在藍(lán)光下的生長速度和葉綠素含量顯著高于白光。Gong等[29]研究發(fā)現(xiàn)藍(lán)光可提高解石莼（Ulva lactuca）的相對生長率，而紅光會降低解石莼的相對生長率。Bird等[30]研究發(fā)現(xiàn)，藍(lán)光可促進(jìn)真江蘺（Gracilaria vermiculophylla）的氨基酸合成。Kang等[31]研究結(jié)果表明，紅光能夠提高長莖葡萄蕨藻（Caulerpa lentillifera）生長速率。劉洪艷等[32]研究也發(fā)現(xiàn)綠光培養(yǎng)條件下紫球藻（Porphyridium cruentum）生物產(chǎn)量、藻膽素、可溶性總蛋白的含量最高，而紅光條件下生長最緩慢。Godínez-Ortega等[33]研究發(fā)現(xiàn)綠光促進(jìn)海膜（Halymenia floresii）的生長和葉綠素a、α-胡蘿卜素和葉黃素的合成，藍(lán)光促進(jìn)藻藍(lán)蛋白合成。隋曉偉等[17]研究發(fā)現(xiàn)，藍(lán)光和綠光可促進(jìn)海帶配子體生長。本試驗(yàn)結(jié)果表明，配子體在紅光條件下相對生長率顯著低于藍(lán)光和白光，藍(lán)光和白光條件下相對生長率無顯著差異；相同光質(zhì)條件下，雄配子體相對生長率顯著高于雌配子體。

有些海藻在不同生活史階段對光質(zhì)的響應(yīng)也存在差異，例如，小球藻（Chlorella） 突變體處于休眠細(xì)胞階段時，藍(lán)光可促進(jìn)對氨基酸的吸收；處于生長階段時，藍(lán)光卻對氨基酸的吸收起到抑制作用[34]。Wang等[35-36]研究了不同光質(zhì)對海帶（Saccharina japonica）早期發(fā)育的影響，結(jié)果表明，光質(zhì)對游動孢子的附著和萌發(fā)影響不大，藍(lán)光可促進(jìn)卵母細(xì)胞形成、幼孢子體的生長和細(xì)胞分裂。Lüning等[37]研究發(fā)現(xiàn)糖海帶Saccharina latissima配子發(fā)育需要藍(lán)光，并提供了通過抑制藍(lán)光而使配子體無性生長的方法。Drueh等[38]測定了13種海帶孢子在無藍(lán)光條件下的生殖反應(yīng)。他們發(fā)現(xiàn)大多數(shù)物種在沒有藍(lán)光的條件下配子體不會發(fā)育，但是3種潮間帶物種在有或沒有藍(lán)光的情況下配子體均可發(fā)育。本試驗(yàn)結(jié)果表明，與白光相比，藍(lán)光促進(jìn)了多肋藻配子體向孢子體的發(fā)育。這與付剛[24]的研究結(jié)果一致。

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Effects of different light quality on the growth and development of gametophyte of Costaria costata

CHEN Shuxiu，LI Xiaojie，Wang Weiwei，ZHAO Juping

（Shandong Oriental Ocean Group Co.Ltd.， National Algae and Sea Cucumber Engineering Technology Research Center， Algae in Shandong Province Key Laboratory of Genetic Breeding and Cultivation Technology， Yantai 264003， China

）

Abstract：The effects of blue light， white light and red light on the growth and development of female and male gametophytes of Costaria costata were studied. The results showed that the RGR （relative growth rate） of female gametophyte under red light （3.37%） was significantly lower than that under blue light （5.62%）， the RGR of male gametophyte under white light （8.71%） was higher than that under red light （6.73%）， but there was no significant difference with that under blue light （7.74%）. Under the same light quality， the RGR of female gametophyte was significantly lower than that of male gametophyte. The gametophytes did not develop under red light during the whole culture period. The development rate of blue light group was significantly higher than that of white light group under the same culture days. With the increase of culture days， the growth rate of white-light group and blue-light group increased significantly. The maximum value of white-light group was 21.13% on the 28th day， and that of blue-light group was 67.73% on the 20th day.

Key words：Costaria costata; gametophyte; growth; development; light quality

（收稿日期：2024-04-24）