温度和光照强度对浒苔生长和光合生理特性的影响

孟晓智，苏贵森，卓品利, 2，王 超，张 帅，倪嘉豪，徐年军, 2 ，李亚鹤, 2

(1. 宁波大学 海洋学院， 宁波 315211； 2. 浙江省海洋生物工程重点实验室， 宁波 315211)

自2007年以来，中国沿海爆发了大规模的浒苔绿潮，且呈现出常态化、连续性的爆发趋势，这在一定程度上破坏了当地的生态系统，给水产养殖、旅游及居民生活等带来了一定的负面影响[1]。国内外学者从多个方面对浒苔绿潮进行了相关研究，包括浒苔的生活史、繁殖方式、爆发源头及机制、种质鉴定及光合生理等[2-6]。普遍认为，浒苔是一种广温、广盐性海藻，繁殖方式复杂多样[7]，具有较强的环境适应能力[8]。初步认定浒苔绿潮的爆发机制多为海洋环境要素(温度、光照强度、盐度等)的变化、快速增值能力及海水富营养化等[9]，但已有的研究多限于其最适环境条件的摸索。

汤文仲等[10]运用叶绿素荧光技术探讨了温度、光照强度对缘管浒苔(Ulvalinza)光合作用的影响。结果表明，缘管浒苔的最适温度为25℃，最适光照强度为72 μmol/m2·s，但海藻间的种间差异也是存在的，相比于缘管浒苔，浒苔对温度、盐度变化具有较强的适应能力[11-12]。此外，浒苔生长过程中形态学变化也受温度、盐度的影响[13]，温度、盐度的升高抑制了浒苔侧枝的生成，但促进了单个侧枝的生长，且温度、盐度具有显著的交互效应[14]。韩红宾等[15]首次系统地探讨了温度、光照强度分别对浒苔孢子/配子的放散和萌发的影响。结果发现，浒苔孢子/配子的放散和萌发具有不同的适宜温度和光照强度的能力，即浒苔生活史的不同阶段对温度、光照强度的响应不同，那么，二者对浒苔幼苗的光合生理有怎样的复合效应，需进一步研究。另外，在江浙一带，浒苔基于其较高的营养价值被广泛食用，如浒苔多糖具有降血脂作用[16]，是一种具有开发前景的海洋食品。本文以浒苔幼苗(约长8～10 cm)为材料，设置3个温度梯度和2个光照强度，研究温度和光照强度对浒苔幼苗生长、光合生理的复合效应，一方面为研究浒苔绿潮的爆发提供基础资料；另一方面也为浒苔的规模化养殖提供帮助。

1 材料与方法

1.1 材料

藻种浒苔(U.prolifera)由浙江象山旭文海藻开发有限公司提供，保种在光照培养箱(GXZ，宁波江南仪器厂)中，保种的条件为：温度15℃；光照强度30～40 μmol/m2·s。培养基采用f/2加富[17]的灭菌人工海水(海水盐度调至25°)。

1.2 实验设计

实验设置3个温度梯度(20℃、25℃和30℃)和2个光照强度[250 μmol/m2·s(预实验测定其光合放氧-光照强度响应曲线，显示该光强接近其饱和光强，标记为高光)、70 μmol/m2·s(预实验显示，该光强在光补偿点之上)]。起始鲜重约为0.1 g的浒苔培养在6个不同处理(低温低光：20℃+70 μmol/m2·s；中温低光：25℃+70 μmol/m2·s；高温低光：30℃+70 μmol/m2·s；低温高光：20℃+250 μmol/m2·s；中温高光：25℃+250 μmol/m2·s；高温高光：30℃+250 μmol/m2·s)下，每天测定鲜重，每两天更换一次培养基(培养基同上)，生长速率稳定后进行叶绿素荧光效率、暗呼吸及光合放氧能力的测定。

1.3 生长速率的测定

在每天的同一时间(约13: 00)进行浒苔鲜重的测定，具体操作如下：用长镊子将浒苔取出，用吸水纸吸干藻体表面的水分(为减少操作误差，该工作由同一个人操作)，称鲜重。相对生长速率(RGR；%/day)=Ln(Wn/Wn-1)/(tn-tn-1)× 100，Wn-1、Wn分别为tn-1、tn时的藻体鲜重。

1.4 叶绿素的提取及测定

取一定重量的藻体放入15 mL离心管中，加入5 mL甲醇，放置于4℃冰箱中，过夜提取后用紫外分光光度计(UV6100A，上海元析仪器有限公司)进行全波段扫描(280～750 nm)。而后根据公式Chl a=15.65A666-7.34A653计算叶绿素a(Chl a)的含量[18]。

1.5 叶绿素荧光参数的测定

通过叶绿素调制荧光仪(water PAM)测定叶绿素荧光参数。1)最大(Fv/Fm)及培养光强下的有效光化学效率(Fv′/Fm′)：不同处理的样品在黑暗条件下处理15 min，在培养光强下(光化光接近培养光强)测定叶绿素荧光诱导曲线，获得Fv/Fm及Fv′/Fm′。2)快速光响应曲线(P-E curve)的测定：设置8个光强梯度(114、167、257、379、570、861、1218及1692 μmol/m2·s)，每个光强梯度持续时间为10 s，饱和脉冲为5000 μmol/m2·s。并根据rETR=E/(aE2+bE+c)进行曲线拟合，其中，rETR为相对电子传递速率，E为光化光强度。根据拟合参数计算最大相对电子传递速率(rETRmax)、表观光能利用效率(α)及饱和光强(Ek)，计算公式如下：rETRmax=1/(b+2(a×c)1/2);α=1/c;Ek=rETRmax/α[19]。

1.6 暗呼吸和光合放氧能力的测定

采用液相氧电极(Hansatech，英国)进行暗呼吸和光合放氧能力的测定。取一定鲜重的浒苔(约0.015 g)置于反应槽中(含2 mL预先在培养温度下充气的新鲜培养基)，由恒温水槽控制温度。黑暗条件下反应槽内O2浓度的变化速率即为暗呼吸的速率(Rd)，采用LED灯提供外源光强，通过调控LED灯和反应槽的距离获得各自培养光强下的净光合放氧速率(Pn)，并计算总光合放氧速率(Pg；Pg=Rd+Pn)及Rd与Pg的比值(Rd/Pg)。

1.7 数据分析

使用Origin 7.0软件进行数据处理及作图，使用SPSS18.0进行显著性分析，显著水平设置为P< 0.05，显著性通过在图中或者表格中标注不同的小写字母来表示。

2 结果与分析

2.1 不同处理下的生长和叶绿素含量

相比于低光处理，高光显著促进了浒苔的生长，在温度20℃、25℃及30℃条件下，增幅分别高达70%、120%及130%。温度从20℃升高至25℃对浒苔生长、叶绿素含量的影响不显著，但升高至30℃抑制其生长(图1-A)，提高Chl a的含量，尤其是低光培养时，和20℃相比，Chl a含量的增幅高达100%(图1-B)。

2.2 不同处理下的光化学参数

整体来说，本实验所选的温度、光照水平对浒苔最大光化学效率(Fv/Fm)的影响不显著，各个培养条件下的Fv/Fm基本维持在0.7～0.8之间(图2-A)。同时，不同处理的有效光化学效率(Fv′/Fm′)基本维持在0.51～0.56之间，但在培养温度为高温30℃和光照条件为高光时，浒苔的Fv′/Fm′显著降低，相比于低光处理，降幅约为28%(图2-B)。

随着光强的增加，浒苔的相对电子传递速率逐渐增加，而后趋于平稳(图3)，其光能利用效率(α)在不同处理间差异不显著。但高光条件下，低温(20℃、25℃)培养的浒苔具有较高的最大相对电子速率(rETRmax)，而在30℃时，该值显著降低。低光条件下，温度对浒苔的rETRmax、α及饱和光强(Ek)的影响不显著(表1)。

表1 浒苔在不同处理下的光合作用速率(rETR)与光强关系的最佳拟合参数

rETRmax：最大相对电子传递速率；α：表观光能利用效率；Ek：饱和光强(n=3)。不同字母表示不同处理间差异显著(P< 0.05)

图1 不同处理下浒苔的相对生长速率(A)和叶绿素a(Chl a)的含量(B，n=3)

不同字母表示不同处理间差异显著(P< 0.05)；下同

图2 不同处理下浒苔的最大(Fv/Fm；A)及有效光化学效率(Fv′/Fm′；B)

图3 不同处理下浒苔的相对电子传递速率

2.3 不同处理下的暗呼吸和光合放氧能力

相比于低光处理，光照强度的增加提高了浒苔的暗呼吸能力，尤其是在温度25℃、30℃条件下，增幅分别约为60%和80%。同时，相比于20℃，其暗呼吸速率在25℃、30℃条件下也被显著提高，尤其是在25℃、高光条件下(图4-A)。

图4 不同处理下浒苔的暗呼吸(A)、净光合放氧速率(B)及呼吸与总光合放氧速率比值(C)

低光条件下，温度变化对浒苔的净光合放氧速率影响不显著，但在高光条件下，该值在25℃时最高，而20℃、30℃均抑制浒苔的光合放氧速率(图4-B)。通过计算获得不同培养条件下浒苔暗呼吸和总光合放氧速率的比值，发现该比值在高光低温条件下最低，但随着温度的增加，光照强度对其影响逐渐降低(图4-C)。

3 讨论

浒苔具有复杂的繁殖方式和较强的环境耐受能力，对温度、盐度和光照强度等都有广泛的适应性[8]。有研究表明，在营养盐充足的前提下，适宜的温度和盐度是诱导浒苔爆发的关键因素[20]。光照是海藻光合作用的能量来源，光照强度的大小在一定程度上决定着海藻光合作用的强弱和生长的快慢。有研究表明浒苔(U.prolifera)的最适光照强度为100～120 μmoL/m2·s[8, 21]，缘管浒苔(U.linza)的最适光照强度为72 μmoL/m2·s[10]，但本研究的结果显示，在3个温度条件下，相比于低光70 μmoL/m2·s，高光250 μmoL/m2·s显著促进了浒苔的生长(图1-A)。吴洪喜等[8]的研究中采用了连续光照模式，本研究采用的是光暗比为12:12，从这个角度来说，二者的研究结果相似，但显著高于缘管浒苔的最适光照强度(72 μmoL/m2·s)，这一方面体现了种间差异，另一方面可能与培养温度和盐度有关。在缘管浒苔的研究中[10]，温度、光照强度分别为单因子试验，且在光照强度单因子试验中没有指出培养温度、盐度，但其前期的培养温度为15℃，而本实验所设置的3个温度均高于15℃。刘榆莎等[22]的研究显示，浒苔生长对光照强度的响应受盐度的调节。浒苔的生长具有低辐照适应性，高光强促进浒苔孢子的释放[23]。韩红宾等[15]的研究也显示，在60～240 μmoL/m2·s的范围内，孢子/配子的放散与光照强度成正比，并在300 μmoL/m2·s达到最大值，其萌发的最适光照强度为120 μmoL/m2·s，结合本研究的结果，即浒苔幼苗在高光250 μmoL/m2·s条件下的生长速率远高于低光70 μmoL/m2·s，可以推测生活史不同阶段的浒苔藻体对光照强度的要求及适应能力不同，这在一定程度上与浒苔绿潮爆发的区域性、时间性及连续性密切相关。同时，浒苔绿潮爆发时，生活在绿潮表层的藻体(接受强的光照强度)通过热耗散或能量的重新分配，以及降低叶绿素含量等避免高光强对光系统的损伤，而生活在绿潮底层的藻体(接受较低的光照强度)则通过增加叶绿素含量及改变Chl a与Chl b的比值来提高光能利用效率[24]，这与本文的结果一致，即高光条件下浒苔具有较低含量的Chl a(图1-B)，也在一定程度上显示出浒苔较强的环境适应能力[8]。

温度是影响海藻生长的另一重要因素，浒苔绿潮在不同沿海地区爆发的时间不同，一般来说，山东青岛的浒苔绿潮基本在夏季爆发，而浙江宁波浒苔在每年的1、2月份大规模生长，这与当地海域海水温度有密切的关系，浒苔绿潮爆发的最适温度是20℃～25℃[25]，这与本文的结果相似，即实验所设置的两个光照强度下，浒苔在20℃、25℃具有较高的生长速率(图1-A)。汤文仲等[10]的研究显示，温度和光照强度对缘管浒苔最大相对电子传递速率的影响具有显著的交互作用，该现象与本研究的结果相似，即高光、高温显著降低了浒苔的Fv′/Fm′(图3-B)和rETRmax(图4、表1)，但在低光条件下，温度的效应不显著，主要是因为高光条件下，光照强度和温度的升高在一定程度上破坏了浒苔光系统Ⅱ的结构，导致其失活，进而抑制该条件下浒苔的生长(图1)。Gao等[14]的研究表明，培养在20℃和25℃环境中的浒苔具有相似的相对生长速率，这与本研究的结果相似(图1-A)，但温度的变化影响浒苔分枝的数量及长度，具体表现为温度从20℃升高到25℃，浒苔分枝的数量增加，但其长度降低，即温度变化影响浒苔的形态，而本实验是温度的短期实验，没有观测到不同温度下浒苔的形态变化。

整体来说，温度、光照强度共同影响浒苔的生长，并具有显著的种间差异，且生活史的不同阶段对二者的敏感性不同，但本实验是室内短期实验，在自然界中温度、光照强度等环境因子的变化多样，它们对浒苔绿潮的爆发又起到怎样的作用，还需进一步深入的探讨。