温度对南黄海定生绿藻光合生理影响的研究

张 涛，陶菊红，朱建一，沈宗根

（常熟理工学院 生物与食品工程学院，江苏 常熟 215500）

温度对南黄海定生绿藻光合生理影响的研究

张 涛，陶菊红，朱建一，沈宗根

（常熟理工学院 生物与食品工程学院，江苏 常熟 215500）

本研究以南黄海定生绿藻为材料，在室内不同温度下进行培养，通过对叶绿素荧光等参数进行测定，研究了温度对其光合生理特征的影响. 结果表明：采集定生绿藻形态特征与肠浒苔相似，该绿藻在低温条件下（5 ℃）藻体最大量子效率（Fv/Fm）、实际量子效率（ΔF/Fm'）以及相对电子传递速率（rETR）等参数均显著低于其他处理组样品，而20 ℃下样品的上述叶绿素荧光参数均高于其他处理组. 诱导曲线表明，在给定光照条件下，20 ℃下样品光化学猝灭（qP）最高，而5 ℃处理组最低，非光化学猝灭（NPQ）结果则相反，5 ℃处理组样品要显著高于其他温度处理. 本研究结果说明，温度对定生绿藻的光合生理活性有较大影响，20 ℃下该绿藻光合生理活性活跃，而低温条件会明显抑制其光能的吸收利用，温度的进一步上升也会降低其光合活性．

定生绿藻；光合作用；叶绿素荧光；温度

1 引言

自2007年以来，我国近海绿藻研究吸引了国内外研究者的高度关注，尤其是2008年青岛近海海域出现大面积漂浮浒苔，绿潮的发生不仅影响了海区的生态环境，也给当地带来了巨大的经济损失［1-2］. 有研究认为漂浮绿藻是源自黄海南部海域［3-4］，但是对漂浮浒苔的组成物种研究仍存在争议［5-6］，目前从形态、分子水平、生活史等方面对漂浮绿藻物种进行了研究，也取得了一定的进展［7-8］. 科研人员也对漂浮绿藻的环境适应能力及生理特征进行了研究，从光合作用、营养盐吸收、繁殖等角度探讨了漂浮绿藻发生的过程及机制［2，9-13］，但是对定生绿藻的相关研究则有明显不足.

黄海南部海区是我国条斑紫菜主产区，从20世纪60年代左右开始发展紫菜产业，至今已有五十多年的历史，目前已形成育苗、栽培、加工和销售完整的产业链［14-15］. 有报道认为漂浮绿藻发生自黄海南部紫菜栽培海区的定生绿藻［11］，但目前对源头的研究仍存在争议，而且定生绿藻与漂浮绿藻在物种组成、生理特征等方面表现出差异［16-17］. 事实上，紫菜栽培深受绿藻入侵的困扰，尤其是在每年的10月份、次年的4月份左右，绿藻侵占紫菜生长空间，从而增加了紫菜加工的劳动力投入，更造成紫菜产品品质的下降. 因此，研究黄海南部定生绿藻的环境适应能力，尤其是不同温度下定生绿藻的生理活性，将有助于对紫菜栽培区定生绿藻的防控.

2 材料与方法

2016年3月13日采自江苏南通如东紫菜栽培筏架上定生绿藻浒苔，样品置于冰盒中，4 h内运送至实验室进行处理. 材料先用海水洗净，除去杂藻，加入灭菌海水培养，温度为20 ℃，光照维持在50 μmol·m-2·s-1左右，预培养2 d后进行温度处理.

在光照培养箱（MLR-352-PC，Sanyo，日本）内进行藻体的培养，光照强度设为50 μmol·m-2·s-1，藻体培养于盐度24‰、pH值8.2的海水中，海水经暗沉淀30 d以上、煮沸后冷却至室温备用. 温度设定为5，10，15，20，30 ℃ 5组，光周期为12D∶12L. 处理期间每天更换新鲜灭菌海水.

定生绿藻形态观察：挑取完整的绿藻样品，观察浒苔外观形态，同时选取健康藻体，经徒手切片并制片，显微镜（90i，Nikon）观察并拍照.

叶绿素荧光特征测定：样品PSII活性用叶绿素荧光仪（Water-PAM，德国）进行测定. 包括以下参数：

实际量子效率（ΔF/Fm'）：使用光纤探头，将探头伸入三角瓶内垂直对准叶状体表面进行测定. 照光后每隔4 h对样品实际量子效率进行测定，首先提供0.3 μmol·m-2·s-1调制红光和40 μmol·m-2·s-1活化光，测得该条件下稳态荧光值，即Ft；随后提供0.8 s约4000 μmol·m-2·s-1饱和脉冲光，即测得该光强下最大荧光值Fm'. 将所得参数代入以下方程计算PSII实际量子效率：

快速光曲线（RLC）：将样品暴露在连续光强梯度43，64，92，138，209，309，479和714 μmol·m-2·s-1下，每个光强照射20 s，当Ft达到稳态时再施加0.8 s，4000 μmol·m-2·s-1的饱和脉冲光，测得样品的最大荧光值Fm'；Ft为任意时间实际荧光产量，相对电子传递速率（rETR）由公式获得：

其中系数0.84表示在入射的光量子中被吸收部分占84%，PFD是光子通量密度. 以PFD和rETR为x和y轴作图获得快速光曲线（RPL）.

诱导曲线（Induce Curve）：样品暗适应30 min以上，确保PSII处于开放状态. 打开约0.3 μmol·m-2·s-1的测量光，测定最小荧光值（Fo），然后提供0.8 s约4000 μmol·m-2·s-1饱和脉冲光，测得最大荧光值（Fm），随后关闭光源，40 s后打开活化光，之后每隔20 s照射一次饱和脉冲光，直至给定活化光下最大荧光值（Fm'）和最小荧光值（Fo'）达到稳定. 所测得荧光值经以下公式计算最大量子效率（Fv/Fm）、光化学猝灭（qP）和非光化学猝灭（NPQ）：

Fv/Fm=(Fm-Fo）/Fm；qP=(Fm'-F）/(Fm'-Fo'）；NPQ=(Fm-Fm'）/Fm'.

统计分析：所有实验中均设3~5个重复，试验数据表示为平均值±标准差（n≥3），所得数据结果经t-检验分析，以P<0.05为差异显著水平.

3 结果

由图1可知，采集定生绿藻藻体绿色，膜质，管状，藻体部分为中空结构，具分枝；细胞排列紧密，叶绿体布满整个细胞. 依据上述生物学特征，该绿藻类似肠浒苔（Ulva intestinalis）.

不同温度处理后，定生绿藻最大量子效率

（Fv/Fm）表现出一定差异（见图2），20 ℃处理组Fv/Fm最高，10，15和30 ℃处理组样品间差异不

显著（P＞0.05），且均略低于20 ℃处理组；而5 ℃处理组样品Fv/Fm最低，显著低于20和30 ℃处理组（P＜0.05）.

图1 定生绿藻形态及细胞观察（A）外部形态；（B）细胞形态

图2 不同温度处理绿藻最大量子效率结果

定生绿藻在不同温度下的实际量子效率（ΔF/Fm'）日变化有一定的规律性（见图3），除5 ℃下样品在处理第1天照光7 h、第2天照光4 h时ΔF/Fm'出现下降外，其他3组处理均随光照时间的延长而表现出不同幅度的上升；不同温度处理组间ΔF/Fm'存在差异，5 ℃下藻体ΔF/Fm'显著低于其他3组处理（P＜0.05）；在处理的第1天，20 ℃下样品ΔF/Fm'最高，显著高于10 ℃处理组（P＜0.05），略高于15和30 ℃处理组，但差异不显著（P＞0.05），在处理第2天，仍以20 ℃下样品ΔF/Fm'最高.

对快速光曲线（Rapid Light Curve， RLC）的测定表明（见图4），所有样品相对电子传递速率（rETR）在给定的光照梯度下均呈现低光强区间快速上升、达到一定光照强度后维持稳定的变化趋势；5 ℃下样品rETR在光照强度达到200 μmol·m-2·s-1以上时，要显著低于其他处理组（P＜0.05）；20 ℃下样品rETR略高于其他处理组，15和10 ℃处理组次之，30 ℃下样品rETR在光照强度超过600 μmol·m-2·s-1以后明显下降，仅略高于5 ℃处理组样品；5 ℃处理组样品rETR在光照高于200 μmol·m-2·s-1以后显著低于10，15和20 ℃ 3个温度处理组（P＜0.05）.

对不同光照强度下样品诱导曲线（Induce Curve）测定表明（表1），在给定光照强度下，绿藻样品光化学淬灭参数（qP）随处理温度的上升而逐渐升高，由5 ℃下的0.58升至20 ℃下的0.79（P＜0.05），30 ℃处理组样品qP略有降低；与qP结果相反，非光化学猝灭参数（NPQ）随处理温度的上升而逐步下降，5 ℃和10 ℃处理组样品NPQ差异不显著（P＞0.05），均维持在0.46左右，但两个处理组样品NPQ均显著高于其他温度处理组（P＜0.05）.

图3 不同温度下样品实际量子效率变化

图4 不同温度下定生绿藻RLC测定结果

4 讨论

黄海海区定生绿藻物种多样，本研究采集的物种为常见定生绿藻，根据形态特征及细胞色素体的分布特点及相关报道［16］，初步判定为肠浒苔. 该绿藻采集时间为3月份，此时海水温度在10 ℃以上，从海区分布情况来看，该物种已有了一定的生物量，说明此时的海水温度已处于其生长的适宜温度范围. 我们的研究也表明，该定生绿藻在10 ℃以上时，能够保持一定的实际量子效率和电子传递速率，对光能的吸收和利用能力较3月份以前的较低水温环境下有明显的提高.

表1 不同温度下样品诱导曲线参数测定结果

供试绿藻在不同的温度下表现出差异明显的光合生理活性，在低温下（5 ℃），其Fv/Fm、ΔF/Fm'、qP等值明显降低，而NPQ等值升高，这共同说明低温会引起藻体光能利用效率的下降，进而影响光合活性，导致生物量的降低. 对海区紫菜生长情况的研究表明，在海水温度较低时期，紫菜叶状体能够维持较好的光合生理状态，保持生长竞争力［18］，因此筏架上入侵绿藻生物量很少. 而随着海水温度的上升，定生绿藻对光能的吸收和利用能力不断提升，在水温达到20 ℃以上时，绿藻光合生理活性达到最适状态，进而促进生物量的积累，这与吴洪喜等的研究结果相似［19］，石莼属绿藻的最适生长水温在20~25 ℃，此时绿藻能够达到最大生长量，我们的结果从光合生理的角度解释了海区定生绿藻在4—5月份生物量逐步上升的现象. 随着处理温度的进一步上升，在30 ℃下，定生绿藻材料光能利用效率表现出下降的趋势，说明光合活性受高温的影响而有所降低，这也使得海水温度超过30 ℃时，石莼属绿藻生物量呈下降趋势［20］.

通过对定生绿藻在不同温度下光合生理活性的测定，从生理特征的角度阐明了该绿藻对温度的适应情况，为海区定生绿藻发生、发展和消亡的过程提供了实验支持，也为今后开发出适用的绿藻清除技术手段提供了理论支持.

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Abstract:In this paper, the authors cultured the attached green alga collected from the South Yellow Sea under different temperature, and studied the effect of temperature on the photosynthetic physiology characteristic of this green alga through the measurement of chlorophyll florescence parameters. The results indicated that the morphological characteristic of the attached alga was similar to that of Ulva intestinalis. The Fv/Fm, Δ F/Fm'

and rETR of sample cultured under 5℃ were significantly lower than those of algae cultured under other four temperatures, and those chlorophyll fluorescence parameters of sample cultured under 20 ℃ were higher than other treatments. The measurement of induce curves also indicated that the photochemical quenching (qP) of the sample cultured under 20 ℃ was the highest and the sample under 5 ℃ was lowest in all temperature treatments, and that the non-photochemical quenching (NPQ) results were opposite to that of qP. And algae cultured under 5℃ showed the highest NPQ in all treatments. According to the research, temperature had a close relationship with the photosynthetic characteristics of the attached alga. Low temperatures obviously inhibited the light use efficiency of sample, and 20 ℃ was optimal for photosynthetic physiology of the attached green alga, but when the temperature increased much higher, the photosynthetic activity also decreased.

Key words:attached green alga; photosynthesis; chlorophyll fluorescence; temperature

A Study on the Effect of Temperature on the Photosynthetic Physiology of Attached Green Algae in the South Yellow Sea

ZHANG Tao, TAO Juhong, ZHU Jianyi, SHEN Zonggen
(School of Biology and Food Engineering, Changshu Institute of Technology, Changshu 215500, China)

P735

A

1008-2794（2017）04-0095-05

2017-05-20

张涛，副研究员，博士，研究方向：植物生理与生物化学，E-mail: zhangtao@cslg.edu.cn.