兩種甲藻和兩種硅藻脂肪酸組成的比較研究

劉夢壇, 李超倫, 孫 松

(1. 中國科學院 海洋研究所 海洋生態與環境科學重點實驗室, 山東 青島266071; 2. 中國科學院 研究生院,北京100049; 3. 山東膠州灣海洋生態系統國家野外科學觀測研究站, 山東 青島266071)

兩種甲藻和兩種硅藻脂肪酸組成的比較研究

劉夢壇1,2, 李超倫1,3, 孫 松1,3

(1. 中國科學院 海洋研究所 海洋生態與環境科學重點實驗室, 山東 青島266071; 2. 中國科學院 研究生院,北京100049; 3. 山東膠州灣海洋生態系統國家野外科學觀測研究站, 山東 青島266071)

研究了4種海洋微藻的脂肪酸組成。研究結果顯示, 錐狀斯氏藻(Scrippsiella trochoidea)和海洋原甲藻(Prorocentrum micans)的主要脂肪酸有 16：0、18：4ω3、18：5ω3、20：3ω6、22：6ω3, 中肋骨條藻(Skeletonema costatum)和角毛藻(Chaetoceros sp.)的主要脂肪酸為 14：0、16：0、16：1ω7、20：5ω3。兩種甲藻和兩種硅藻分別都表現出典型的甲藻門和硅藻門的脂肪酸特征。從總脂肪酸、PUFA、ω3和ω6脂肪酸的含量來看, 單位干質量的兩種甲藻能夠比兩種硅藻提供更多的脂肪酸類營養物質。但是某些動物生長發育所必需的脂肪酸(如20：5ω3)在硅藻中的含量卻高于甲藻。因此實際應用中單種餌料往往不能提供足夠的營養物質, 通常需要將不同餌料混合以獲得營養價值更高的餌料。對 4種微藻的脂肪酸組成進行聚類分析和主成分分析, 結果不僅反映了 4種微藻在分類上親緣關系的遠近, 也反映了幾種微藻各自的脂肪酸組成特征。

甲藻; 硅藻; 脂肪酸

微藻作為海洋初級生產者的主要組成部分, 是海洋中有機物的主要提供者[1]。海洋中的脂肪酸有很大一部分都是由微藻合成并通過食物鏈向高營養級進行傳遞的[2]。作為餌料的微藻其脂肪酸組成對橈足類幼體[3]和魚類幼體[4]的存活和生長發育具有重要的作用。如 20：5ω3 和 22：6ω3 被認為是許多水產養殖生物幼體存活和發育的必需脂肪酸[5,6]。一些飽和脂肪酸和單不飽和脂肪酸則與生物體內的能量代謝、維持細胞結構、激素調節等一些重要的生理過程息息相關[7]。此外, 微藻的脂肪酸, 特別是多不飽和脂肪酸(polyunsaturated fatty acid, PUFA)和ω3脂肪酸的組成和含量通常被用來作為衡量其營養價值的重要指標[5]。

同一分類單元的微藻脂肪酸組成往往相似, 而且具有不同于其他分類單元的脂肪酸組成特征[2]。如硅藻門的主要脂肪酸為 14：0、16：0、16：1ω7、16：3ω4、20：5ω3, 其顯著特點是 16：1ω7 的含量高于 16：0。而甲藻門的主要脂肪酸有 16：0、18：4ω3、18：5ω3、20：3ω6、22：6ω3, 其顯著特點是含有較高含量的18：4ω3、18：5ω3 和 22：6ω3[1,8]。將藻類脂肪酸組成用于藻類化學分類學的研究不僅能準確的反映藻類的分類地位, 還能避免傳統分類學中主觀因素的干擾[9, 10]。

本文比較了兩種甲藻(錐狀斯氏藻, Scrippsiella trochoidea; 海洋原甲藻, Prorocentrum micans)和兩種硅藻(中肋骨條藻, Skeletonema costatum; 角毛藻,Chaetoceros sp.)脂肪酸組成的異同, 在此基礎上探討了其對于捕食者來說潛在的營養價值, 并通過多元統計分析研究了這幾種微藻的脂肪酸組成特征以及在海藻化學分類學中的相對地位。

1 材料與方法

1.1 微藻培養

培養所用海水取自青島第三海水浴場, 經過砂濾后先后再用38 μm的篩絹和0.45 μm的混合纖維濾膜過濾。實驗用的兩種甲藻為錐狀斯氏藻(Scrippsiella trochoidea)(文中以ST表示)和海洋原甲藻(Prorocentrum micans)(文中以 PM 表示), 兩種硅藻為中肋骨條藻(Skeletonema costatum)(文中以 SC表示)和一種角毛藻(Chaetoceros sp.)(文中以 CS表示)。培養條件為： 室溫 18～22 ℃, 光暗比(L ： D)為12 h： 12 h。將上述幾種微藻以f/2培養液培養至對數生長期, 每種微藻取約200～500 mL藻液經過2 400 r/min離心5 min后收集藻細胞沉淀, 樣品經冷凍干燥48 h后稱質量。每種微藻取3個平行樣。

1.2 脂肪酸分析測定

向樣品中加入 19：0脂肪酸甲酯作為內標,0.01%BHT甲醇溶液作為抗氧化劑。樣品處理過程參照Folch等[11]和Parrish[12]的方法。簡單來說, 樣品經二氯甲烷： 甲醇(2： 1)提取總脂后用高純氮氣吹干,然后加入1 mL0.5 mol/LKOH甲醇溶液并在氮氣的保護下于80 ℃水浴中皂化2 h。冷卻后向樣品中加入1 mL14 %BF3甲醇溶液并于80 ℃水浴中甲酯化反應 1 h。用正己烷萃取脂肪酸甲酯, 樣品定容至0.4 mL后上機測定。甲醇、二氯甲烷和正己烷均為Merck公司生產的色譜純。BF3甲醇溶液、脂肪酸標樣、BHT均為Sigma公司生產。

脂肪酸的組成和含量用Agilent 7890A型氣相色譜儀來分析。色譜條件如下： 毛細管色譜柱：DB-FFAP(30 m×0.25 mm×0.25 μm); 進樣口溫度：220℃; 檢測器溫度： 280℃; 柱溫： 程序升溫 150℃(1 min) 3 ℃/min 220 ℃(33 min)。

1.3 數據統計方法

脂肪酸含量的計算先采用內標標準曲線法計算絕對含量, 然后再換算成百分含量。對4種微藻脂肪酸組成進行主成分分析和聚類分析。所有統計分析均采用SPSS16.0。

2 結果

2.1 4種海洋微藻脂肪酸組成

4種海洋微藻的脂肪酸組成如表1所示。海洋原甲藻的總脂肪酸含量最高, 達到70 mg/g, 而角毛藻的總脂肪酸含量僅有7.1 mg/g。經過t檢驗發現, 兩種甲藻的總脂肪酸含量均顯著高于兩種硅藻(P＜0.01)。兩種甲藻的總脂肪酸含量并無明顯差別,而兩種硅藻的總脂肪酸含量之間的差別卻達到了極顯著水平(P＜0.01)。

錐狀斯氏藻和海洋原甲藻的主要脂肪酸均為16：0、18：4ω3、18：5ω3、20：3ω6 和 22：6ω3。各脂肪酸的含量差別不大, 但 20：5ω3在錐狀斯氏藻中占了約4 %, 而在海洋原甲藻中僅占0.6 %。中肋骨條藻和角毛藻的主要脂肪酸有 14：0、16：0、16：1ω7 和20：5ω3。但 16：3ω4 在中肋骨條藻中占到了 16.66 %,在角毛藻中則僅占4 %。16：4ω3則相反, 在角毛藻中占到了10.34 %, 在中肋骨條藻中則含量很低。此外,18：4ω3在中肋骨條藻中占到了5.6 %, 而在角毛藻中僅有1.13 %?？偟膩碚f, 兩種硅藻的脂肪酸組成差別也不大, 只有個別脂肪酸的含量存在差別。

在此基礎上, 分別比較了 4種微藻飽和脂肪酸(SFA)、單不飽和脂肪酸(MUFA)、多不飽和脂肪酸(PUFA)、ω3、ω6等幾個重要的脂肪酸參數(圖 1)。飽和脂肪酸和單不飽和脂肪酸在硅藻中占的比例均高于甲藻。而甲藻中多不飽和脂肪酸所占的比例則要高于硅藻。ω3和 ω6脂肪酸在甲藻和硅藻中占的比重相反, 甲藻含有較多的 ω3脂肪酸, 而硅藻則含有較多的 ω6脂肪酸。另外, 硅藻的 16碳脂肪酸高于甲藻, 而甲藻的18碳脂肪酸則明顯高于硅藻?？偟膩碚f, 甲藻不飽和脂肪酸的含量要稍高于硅藻。

2.2 微藻脂肪酸組成的多元統計分析

以脂肪酸的含量作為變量, 對 4種微藻進行聚類分析(圖 2)。結果表明, 4種微藻明顯的分為兩組：一組是錐狀斯氏藻和海洋原甲藻聚, 另一組是中肋骨條藻和角毛藻。錐狀斯氏藻和海洋原甲藻之間的修正距離在 1左右, 而中肋骨條藻和角毛藻之間的修正距離在2.5左右。

將 4種微藻的脂肪酸數據進行主成分分析(圖3)。通過主成分分析的降維處理, 不僅能從統計上找出這幾種微藻脂肪酸組成的差異, 還能反映各種微藻在化學分類學上的相對地位。結果顯示, 甲藻和硅藻分別位于主成分 1維度的兩端, 表明甲藻和硅藻脂肪酸組成存在差別。通過主成分1可以看出, 甲藻和硅藻脂肪酸組成的差異主要表現在硅藻 14：0、16：1ω7 和 20：5ω3 的含量較高, 而甲藻 18：4ω3、18：5ω3、20：3ω6 和 22：6ω3 的含量較高。因此, 主成分 1能夠解釋硅藻和甲藻脂肪酸組成的差異, 它代表了51.830 %的變異。兩種甲藻在主成分分析圖上的分布比較集中, 說明二者脂肪酸組成差別不大。兩種硅藻分布在主成分 2維度的兩端, 說明二者的脂肪酸組成也存在差異。這種差異表現在中肋骨條藻16：3ω4、18：1ω9、18：2ω6 和 18：4ω3 的含量較高, 另外 20：2ω6、20：4ω6 和 20：4ω3 是角毛藻沒有的。而角毛藻 16：4ω3、16：2ω4 和 18：0 的含量較高。因此, 主成分 2能夠解釋中肋骨條藻和角毛藻脂肪酸組成的差異, 它代表了26.912 %的變異。

表1 4種海洋微藻脂肪酸組成(%)Tab. 1 Fatty acid compositions of two dinoflagellates and two diatoms (%)

圖1 4種微藻的幾個重要脂肪酸參數Fig. 1 Contents of selected fatty acid markers in each alga cultureSFA.飽和脂肪酸; MUFA.單不飽和脂肪酸; PUFA.多不飽和脂肪酸; UI.不飽和指數SFA.saturated fatty acid; MUFA.monounsaturated fatty acid;PUFA.polyunsaturated fatty acid; UI.unsaturated index

圖2 幾種微藻脂肪酸組成的聚類分析圖Fig. 2 Cluster analysis based on the fatty acid compositions of four algae species

3 討論

3.1 微藻脂肪酸組成分析

圖3 幾種微藻脂肪酸組成的主成分分析Fig. 3 Principal component analysis based on the fatty acid compositions of four algae species

關于海洋微藻脂肪酸組成的研究從 20世紀50～60年代開始就有很多的報道[13]。海洋微藻各個門類的脂肪酸組成具有其各自明顯的特征[1,2,8,14]。本研究中錐狀斯氏藻和海洋原甲藻的主要脂肪酸有16：0、18：4ω3、18：5ω3、20：3ω6、22：6ω3, 表現出甲藻門的典型特征[1,8]。中肋骨條藻和角毛藻中14：0、16：0、16：1ω7、20：5ω3 的含量較高, 表現出硅藻門的典型特征[1,8]。其中甲藻中的 18：4ω3和硅藻中的16：1ω7, 目前已經被廣泛作為硅藻和甲藻的特征脂肪酸, 用于指示自然生態系統顆粒懸浮物中的硅藻和甲藻成分[15～17]以及硅藻和甲藻脂肪酸沿食物鏈的傳遞過程[18]。本研究中兩種甲藻的脂肪酸組成差別不大。中肋骨條藻和角毛藻雖然同屬硅藻門, 但其16：3ω4 和 16：4ω3 兩種脂肪酸的含量仍然差別較大。說明二者某些代謝途徑仍然存在較大差別。而這種差別可能就是造成二者在硅藻門中分類地位差異的原因。另外, 本研究中兩種甲藻18碳脂肪酸的含量均高于16碳脂肪酸, 但Dalsgaard等[2]根據11種甲藻的脂肪酸含量的平均得出的結果顯示, 甲藻16碳脂肪酸的含量要稍高于18碳脂肪酸。這可能是因為各研究所用甲藻藻種不同, 因此各種脂肪酸含量差異較大。例如章煒等[19]對 3種甲藻微小亞歷山大藻(Alexandrium minatum)、海洋原甲藻(Prorocentrum micans)、亞歷山大藻(Alexandrium lusitanicum)的研究中, 3 種甲藻由于幾種主要脂肪酸 16：0、18：1ω9、18：2ω6、18：4ω3、18：5ω3 含量相差較大, 其 16 碳脂肪酸和18碳脂肪酸的比例也截然不同。因此, 16碳脂肪酸和18碳脂肪酸的相對含量可能并不適合作為甲藻門的特征。兩種硅藻中16碳脂肪酸的含量均遠高于18碳脂肪酸, 這與Dalsgaard等[2]的結果是一致的, 這一特點也被廣泛認為是硅藻的顯著特征[17,20]。

本研究中, 在相同培養條件下兩種甲藻的總脂肪酸含量均顯著高于兩種硅藻。此外, 甲藻中表征餌料質量的PUFA、ω3和ω6脂肪酸[21,22]的含量也高于兩種硅藻。因此, 從總脂肪酸的角度來說, 單位干質量的這兩種甲藻能夠比兩種硅藻提供給捕食者更多的脂肪酸類營養物質。但對于不同微藻而言, 其脂肪酸組成和其他營養成分組成都是不同的[5]。本研究中20：5ω3在硅藻中的含量很高, 在甲藻中卻很低, 而22：6ω3則在甲藻中含量高在硅藻中含量低。但對于捕食者而言, 這兩種脂肪酸均為必需脂肪酸[5～7], 因此單一微藻不可能滿足捕食者的營養需求, 通常需要將不同餌料混合以獲得營養價值更高的餌料[5]。

3.2 4種海洋微藻的化學分類學分析

利用海洋微藻的脂肪酸進行化學分類學研究的可行性已經廣泛的被國內外的研究者證實[8,23,24]。最典型的例子是對于海洋小球藻(marineChlorella)的化學分類學的研究。以前根據形態分類通常將小球藻歸為綠藻門, 但從脂肪酸組成來看, 小球藻的主要脂肪酸為 16：0、16：1ω7、18：1ω9、20：5ω3, 與其他綠藻相差較大而與大眼藻的脂肪酸組成特點相似,因此許多研究者將小球藻歸為大眼藻(Eustigmatophyceae)[1,9,25]。

通常對藻類化學分類學的研究采用的都是聚類分析法, 這種方法不僅能直觀地反映各種微藻的分類地位[19,23], 還能通過各種微藻之間的修正距離反映種內、種間親緣關系的遠近[19]。本文幾種微藻脂肪酸組成聚類分析結果顯示, 硅藻和甲藻明顯的分為兩組, 從脂肪酸的角度證明了二者在親緣關系上存在內在差異(圖 2)。兩種甲藻間修正距離較小, 說明二者在甲藻門中親緣關系較近。兩種硅藻間修正距離較大, 說明二者在硅藻門中親緣關系相對較遠。聚類分析雖然能夠反映各分類階元親緣關系的遠近,但不能直觀反映各分類單元之間的差別是由哪些脂肪酸造成的。因此, 本文在聚類分析的基礎上引入了主成分分析。主成分分析一方面能反映各種微藻在分類學上的相對地位, 另一方面則可以反映出各分類單元的脂肪酸組成特征。根據主成分分析的結果,硅藻 14：0、16：1ω7 和 20：5ω3 的含量較高, 而甲藻18：4ω3、18：5ω3、20：3ω6 和 22：6ω3 的含量較高。這與李荷芳等[1]、李春穎等[8]的結果是一致的。同時, 這些特征脂肪酸綜合成為主成分1, 解釋了兩個分類單元脂肪酸組成的差異。兩種甲藻分布的比較集中, 說明二者在甲藻門中分類地位相近。兩種硅藻在主成分 2上的呈離散狀分布, 說明二者在硅藻門中分類地位相差的較遠, 這與聚類分析的結果也是一致的。另外, 通過主成分分析還能發現兩種硅藻脂肪酸組成的差異： 中肋骨條藻 16：3ω4、18：1ω9、18：2ω6、20：2ω6、20：4ω6 和 20：4ω3 的含量較高, 而角毛藻16：4ω3、16：2ω4 和 18：0 的含量較高。主成分分析與聚類分析相比的缺點在于不能對不同分類單元的親緣關系得出一個量化的結論。因此, 在對藻類進行主成分分析時, 將兩種分析方法結合可能是一個較好的選擇。

本文的研究結果再次證明, 海洋微藻同一分類單元中各物種脂肪酸組成相近, 且具有不同于其他門類的脂肪酸組成特征。微藻脂肪酸的這一特性一方面能夠用來對單種培養的微藻進行化學分類學的研究, 另一方面則可以被用作生物標記分析自然水體中藻類的組成情況和營養價值, 以及用于食物鏈中物質傳遞以及營養動力學的研究。但是, 對于同一門類中不同藻種之間的脂肪酸組成特征對比分析顯示, 某些種類可能較為近似, 例如本次研究中的兩種甲藻; 但是有的種類之間的種間差異可能較大,如中肋骨條藻和角毛藻。因此在應用脂肪酸作為生物標記物時, 需要考慮到可能存在的種間差異, 以獲得更為真實準確的結果。

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Comparative study of fatty acid compositions of two dinoflagellates and two diatoms

LIU Meng-tan1,2, LI Chao-lun1,3, SUN Song1,3
(1. Key Laboratory of Marine Ecology and Environmental Sciences, Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 2. Graduate University, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;3. Jiaozhou Bay Ecosystem Research Station, Qingdao 266071, China)

Mar., 17, 2010

dinoflagellates; diatom; fatty acid

Fatty acid compositions, an important index of nutrition, were analyzed for four algae, Scrippsiella trochoidea, Prorocentrum micans, Skeletonema costatum and Chaetoceros sp.. For S. trochoidea and P. micans, the dominance of 16：0, 18：4ω3, 18：5ω3, 20：3ω6, 22：6ω3 indicated a typical fatty acid composition of dinoflagellates. For S. costatum and Chaetoceros sp., the dominant fatty acids were 14：0, 16：0, 16：1ω7, and 20：5ω3, suggesting a diatom feature.It could be inferred that dinoflagellates could offer more nutritional fatty acids than the two diatoms based on the contents of total fatty acid, PUFA, ω3, and ω6 fatty acids. However, to the grazers, some essential fatty acids such as 20：5ω3 etc. were exclusively abundant in diatoms, which suggested that unialgae could hardly provide comprehensive nutrients and mixed algae would be a better choice. Principal component analysis and cluster analysis were employed in the chemotaxonomy of these algae. S. trochoidea and P.micans were close to each other in systematic status according to their concentrated distributions in the principal component analysis plot and the cluster plot. Although grouped in the same class in the cluster plot, S. costatum and Chaetoceros sp. were distributed away from each other along principal component 2, indicating their different taxonomy status in Bacillariophyceae.

Q176

A

1000-3096(2010)10-0077-06

2010-03-17;

2010-04-09

中國科學院知識創新工程重要方向項目(KZCX2-YW-213-3); 國家自然科學基金資助項目(40821004, 40776092); IPY中國行動計劃

劉夢壇(1983-), 男, 重慶人, 博士研究生, 從事海洋浮游動物生態學研究, E-mail： liumengtan@163.com, 電話： 0532-82898599; 李超倫, 通信作者, E-mail： lcl@qdio.ac.cn

(本文編輯： 康亦兼)