光照強度對孔石莼生長和藻體化學組成的影響

王巧晗,董雙林,田相利,王 芳,董云偉,張 凱

(中國海洋大學 教育部海水養殖重點實驗室,山東 青島 266003)

光是植物賴以生存的能量來源。光照強度對植物的生長、光合作用和物質代謝均有調控作用[1]。在對高等植物的研究中發現,適當的光照強度能夠促進植物細胞的分裂、組織器官的分化、花芽的增加和果實的成熟[2]。在水生植物光生態的研究中發現,光照強度是造成單細胞藻類種群變動和生化組成變化的主要因素[3],并能調節單細胞藻類在水層中的垂直移動[4]。單細胞藻類經歷光照條件短期惡化后恢復正常光照,其生長和生化組成會出現超補償生長現象[5,6]。同時,光照強度也能改變潮間帶海藻的形態[7,8],調節大型海藻在潮間帶的分布位置[9],是海藻幼體發育和生活史完成的關鍵環境因子之一[10]。

海洋植物不僅能夠將水中的陸源無機物(主要是N、P)轉化為有機物、貯存能量,并且,藻類能夠為生態系統中消費者和分解者提供適宜的環境,并對海洋生物修復作用具有積極意義[11]?？资?Ulva pertusa)是我國分布較廣的一種綠藻,在適宜的季節通常能夠成為潮間帶的優勢種海藻。在孔石莼營養動力學和克生生物學的研究中發現,這種綠藻不僅可以快速地吸收水體中的營養鹽,而且可以有效地抑制有害單細胞藻類的發生[12～16],提高養殖產品的產量、存活率和餌料系數[17]。

光對孔石莼生理生態學影響的研究,僅見于光照強度與孔石莼光合作用速率之間的關系[18],光照強度對孔石莼生物量積累的調節、以及不同光照強度對孔石莼藻體化學組成的影響尚未見系統的研究。作者通過對較大光照強度范圍內潮間帶無性繁殖系孔石莼生長和藻體化學組成的研究,以期為潮間帶海藻對多變光照條件的適應機制提供基礎數據,并為無性系孔石莼的利用提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 材料

孔石莼(U.pertusa)由日本東北大學的Akira Taniguchi 教授提供。

1.2 實驗前預培養條件

實驗前將孔石莼培養于無菌環境中[19],培養溫度為 20 ℃,鹽度為 30.0,光暗周期為 12 h：12 h(L：D),光照強度為10 000 lx。

實驗用海水經過脫脂棉和三層篩絹過濾后煮沸。海水的 pH 值和鹽度分別調節至 8.3～8.5和30.0±0.1。

1.3 實驗設計和培養條件

用面積為1.42 mm2的打孔器選取健康、靠近葉片邊緣、分生速度快的由同一片藻培養獲得的圓形葉片。為減少葉片損傷對實驗的影響,實驗前將葉片在20 ℃、200 μmol/(m2·s)下暫養 24 h 以上隨機選入各處理組。實驗中溫度為20℃,光暗比L：D=12：12,用f/2營養液培養,每天全量更換培養液。實驗共有8個處理,即 2 500、5 000、7 500、10 000、125 000、15 000、17 500、20 000 lx,每處理6重復,每重復置藻3片。

1.4 生長的測定

各處理持續培養12 d,每3天稱量一次生物量,計算相對生長率(RSG),并測定藻葉片最終生物量,計算干濕比。相對生長率的計算公式如下：RSG=[ln(Wt/W0)t]×100%,其中W0為初始藻的鮮生物量(g),Wt為實驗結束時藻的鮮質量(g),t為實驗持續的時間(d)。

1.5 生化組成的測定

在實驗的最后一天測定藻的葉綠素 a(Chl-a)和葉綠素 b(Chl-b)、游離脯氨酸(Pro)、蛋白質(P)和可溶性糖(C)的含量,并計算蛋白質/可溶性糖(P/C)的含量。葉綠素a采用丙酮萃取法[20]; 蛋白質采用考馬斯亮藍法測定,以牛血清白蛋白作為標準[21]; 可溶性糖采用蒽酮法測定,以蔗糖作為標準[22]; 游離脯氨酸采用茚三酮顯色法,以 L-脯氨酸作為標準[23]。以上指標均以鮮物質測定。

1.6 化學成分的測定

于實驗結束時對藻體干物質N、C、H元素含量,采用元素分析儀測定。

1.7 數據處理和統計學分析

實驗數據用 SPSS11.0軟件經單因素方差分析,結果差異顯著后進行多重比較(Duncan)。以P＜0.05作為顯著標準。為了取得方差齊性和近于正態分布,百分數和比率經過反正弦轉換后進行方差分析。

2 結果

2.1 光照強度對孔石莼生長的影響

從圖1可見,在實驗初始階段(3 d),孔石莼的相對生長率具有隨著光照強度的增加而增加的趨勢,但在實驗的第6天,光強超過17 500 lx時孔石莼的相對生長率卻明顯下降,直至實驗結束時,其相對生長率一直維持在相對較低的水平。

光照強度高于17 500 lx時,實驗超過6天后,藻體葉片的局部產生了色素變淡或色素缺失的現象,之后開始潰爛,并產生大小不等的潰斑。

圖1 不同光照強度下孔石莼的相對生長率Fig.1 The relative growth rates (RSG) of U. pertusa at different light intensity

2.2 光照強度對孔石莼生化組成的影響

不同光照強度對孔石莼生化組成的影響見表 1。光照強度對孔石莼葉綠素a(Chl-a)、葉綠素b(Chl-b)、蛋白質(P)、可溶性糖(C)以及游離脯氨酸(Pro)的含量都有顯著的影響(P＜0.05)。葉綠素a和葉綠素b的含量都有隨著光照強度的增加而減小的趨勢。蛋白質含量在不同光照強度下變化不明顯(P＞0.05),但也有隨著光強增加而減小的趨勢?？扇苄蕴堑暮吭?2 500 lx以上時隨著光照強度的增加而逐漸增高。游離脯氨酸的含量在12 500 lx以下隨著光照強度的增加而減少,但當光照強度大于17 500 lx時,其含量顯著增高。

表1 不同光照強度下孔石莼的生化組成Tab.1 Effects of different light intensity on the proximate biochemical composition of U. pertusa

2.3 光照強度對孔石莼化學組成的影響

光照強度對孔石莼化學組成的影響見圖2、圖3和圖4。從圖中可見光照強度在2 500～15 000 lx范圍內,隨著光照強度的升高,藻體的 N元素含量有所升高,但光強達到17 500 lx后,隨著光強的增加,N元素含量反而降低; C元素的含量在2 500～15 000 lx范圍內變化不明顯,但當光照強度達到17 500 lx后,C元素的含量明顯升高; H元素的含量在 2 500～20 000 lx范圍內,具有隨著光照強度增加而增加的趨勢。

圖2 光照強度對孔石莼N元素含量的影響Fig.2 Effects of different light intensity on nitrogen of U.pertusa

圖3 光照強度對孔石莼C元素含量的影響Fig.3 Effects of different light intensity on carbon of U.pertusa

圖4 光照強度對孔石莼H元素含量的影響Fig.4 Effects of different light intensity on hydrogen of U.pertusa

3 討論

本實驗結果表明,光照強度對孔石莼的生長具有顯著影響(圖1)?？资荒軌蛟? 500～15 000 lx光強范圍內生長,在10 000～15 000 lx范圍內孔石莼的相對生長率顯著高于其余各處理。

總的來看,孔石莼能夠適應的光照強度范圍比較廣,這可能與其所處的生態環境密切相關。潮間帶的光照強度變化劇烈而復雜,因此生活在潮間帶的海藻,在經歷光照大幅度變化過程中,對光的適應性也變得更強,其生理生態學特征也向更利于適應光照強度多變的方向發展。但是過低或過高的光照強度能夠抑制孔石莼的生長,甚至破壞其光系統、產生細胞防御物質。本實驗中,光照強度低于5 000 lx時,孔石莼的相對生長率明顯降低。在較低光照強度范圍內隨著光照強度的降低藻體葉綠素的含量反而增加,這種現象在其他海藻中也普遍存在,各學者將葉綠素增加的原因歸于海藻對低光強的適應,即在較低光照強度下,海藻通過補償性的增加光合色素來彌補光照不足而引起的光能利用率低和生長緩慢等問題[24],同時有的學者認為這種反應受到了光敏色素的誘導[25]。當光照強度過強,超過17 500 lx時,孔石莼的生長同樣受到阻礙,并且在實驗進行到第6天時,17 500 lx和20000 lx處理組藻體開始潰爛,產生了大小不等的潰斑,光強越強則潰爛情況越嚴重,且這兩個處理的植物防御物質游離脯氨酸的含量明顯增加(P＜0.05),看來,過高的光照強度對藻體產生了一定的傷害,對藻體產生了光抑制。

光照與水生植物生長和生化組成的關系一直受到很多學者的重視。對單細胞藻類的研究中發現：在一定的光照強度范圍內,單胞藻具有隨著光強的提高而碳水化合物含量增加、蛋白質含量下降的趨勢[24,27]。本研究發現,光強在15 000 lx以下時孔石莼蛋白質的含量也有隨著光強而減小的趨勢,但是可溶性糖含量的變化趨勢卻不明顯。

大型海藻組織中的氮庫主要由無機氮庫、蛋白質氮庫和非蛋白質類可溶性氮庫(葉綠素等)組成[28]。本文中氮元素含量的變化趨勢與可溶性蛋白質和葉綠素含量的變化趨勢恰好相反,因此推斷氮元素含量的變化與可溶性蛋白質和葉綠素含量變化的關系不大,可能主要來自于無機氮庫的變化。在光照強度為15 000 lx以下時,孔石莼體內氮元素的含量有隨著光照強度的增加而增加的趨勢,當光強超過15 000 lx時,氮元素的含量逐漸降低,這種趨勢同孔石莼的生物量積累的趨勢也比較吻合,從而進一步證明了適宜的光照條件更有利于孔石莼對無機氮的吸收。同時,光照強度對孔石莼無機氮庫的影響,仍然需要不同光照強度下孔石莼營養吸收動力學的研究來提供更為直接的理論依據。

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