溫度和光照對(duì)孔石莼光合作用的影響

潘光華,高 山,王廣策,解修俊

(1.天津科技大學(xué),天津 300457;2.中國科學(xué)院 海洋研究所,山東 青島 266071)

孔石莼(Ulva pertusa)為綠藻門石莼屬的一種大型經(jīng)濟(jì)海藻[1],主要分布于包括中國沿海在內(nèi)的北太平洋西部,生長于中、低潮區(qū)以及大潮干潮線附近的石礫和巖礁上,在水質(zhì)肥沃的內(nèi)灣中生長尤為繁盛[2]。孔石莼除了具有較高的食用和藥用價(jià)值外,還是一類較為理想的環(huán)境修復(fù)生物,主要體現(xiàn)在其對(duì)富營養(yǎng)化海水養(yǎng)殖環(huán)境的修復(fù)和對(duì)赤潮微藻的抑制等方面[3-4]。除了對(duì)生態(tài)環(huán)境的有利方面,石莼科綠藻還能夠在特殊環(huán)境下大量異常增殖、聚集形成綠潮,這一近年來頻發(fā)的生態(tài)災(zāi)害已經(jīng)引起國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注和新一輪的研究熱潮[5-9]。石莼對(duì)環(huán)境的影響與其自身的生理狀態(tài)密切相關(guān),目前,關(guān)于石莼生理、生態(tài)學(xué)方面的研究已有不少,其中大多側(cè)重于生態(tài)因子方面的研究,例如,富營養(yǎng)鹽、重金屬、紫外輻射、二氧化碳等脅迫因子對(duì)石莼的生理影響以及微藻與石莼的克生效應(yīng)研究[10-14],而關(guān)于基礎(chǔ)生態(tài)因子溫度和光照對(duì)石莼光合生理影響的研究還相對(duì)較少,鑒于此,本實(shí)驗(yàn)采用新興的葉綠素?zé)晒夥治黾夹g(shù)從光合作用角度研究溫度和光照兩種生態(tài)因子對(duì)孔石莼的生理影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果可作為對(duì)孔石莼生理學(xué)研究的必要補(bǔ)充,從而為進(jìn)一步相關(guān)的生理生態(tài)研究提供基礎(chǔ)理論依據(jù)和借鑒。

1 材料與方法

1.1 材料來源及處理

野生孔石莼采自青島太平角,挑選健康藻體,用消毒海水反復(fù)沖洗多次以除去附著物和原生動(dòng)物。處理后的藻體于水族箱中暫養(yǎng)備用,培養(yǎng)條件模擬采集地點(diǎn),溫度為 15℃,光照強(qiáng)度 30 μmol/(m2·s),光周期為12L：12D,充氣培養(yǎng)。

1.2 培養(yǎng)條件的設(shè)定

溫度因子實(shí)驗(yàn)中共設(shè)定10、20、30℃三個(gè)梯度,光照強(qiáng)度為 50 μmol/(m2·s),光周期為 12L：12D。以上每種梯度處理下設(shè)3個(gè)平行。藻株于500 mL三角瓶內(nèi)充氣培養(yǎng),培養(yǎng)液為過濾煮沸的消毒海水,鹽度為30,每2 d更換一次。每隔3 d進(jìn)行一次藻體光合作用的測定。

1.3 光合作用的測定

采用德國WALZ公司的雙通道PAM-100熒光儀通過飽和脈沖法對(duì)藻體光系統(tǒng)Ⅱ(PSII)葉綠素?zé)晒夂凸庀到y(tǒng)Ⅰ(PSⅠ)的P700吸收變化進(jìn)行同步測定分析。按照 Maxwell等[15]介紹的原理和方法分別對(duì)藻體PS II的最大光合量子產(chǎn)量(Fv/Fm)、實(shí)際光合量子產(chǎn)量Y(II)以及調(diào)節(jié)性能量耗散量子產(chǎn)量Y(NPQ)進(jìn)行測定;PSⅠ反應(yīng)中心的光合活性采用Schreiber等[13]介紹的方法在遠(yuǎn)紅光存在的條件下對(duì)藻體施以飽和脈沖進(jìn)行測定,參數(shù)包括光化學(xué)量子產(chǎn)量Y(I)和非光化學(xué)量子產(chǎn)量Y(ND)、Y(NA),其中Y(ND)和Y(NA)分別對(duì)應(yīng)供體側(cè)和受體側(cè)電子傳遞受限而產(chǎn)生的非光化學(xué)量子產(chǎn)量。

光照實(shí)驗(yàn)同樣采用該葉綠素?zé)晒鈨x對(duì)新鮮采集的健康藻體在不同光照強(qiáng)度下的光合活性進(jìn)行測定,測定方法和參數(shù)同上。

2 結(jié)果

2.1 溫度對(duì)孔石莼光合作用的影響

由圖1可知孔石莼 PSII的實(shí)際光合量子產(chǎn)量Y(II)在 10℃和 20℃條件下較為接近(以 10℃條件下略高),并且在整個(gè)實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)相對(duì)穩(wěn)定,始終處于0.6～0.65范圍內(nèi),顯示較強(qiáng)的光合活性。30℃條件下的Y(II)隨時(shí)間的延長下降明顯,至第15天僅為0.45左右。

圖1 不同溫度下孔石莼光系統(tǒng)II的實(shí)際量子產(chǎn)量Y(II)Fig.1 Variation in effective PSII quantum yield (YII) of Ulva pertusa at different temperatures

光合作用過程中PS II調(diào)節(jié)性能量耗散Y(NPQ)在不同溫度下隨時(shí)間的變化趨勢與實(shí)際量子產(chǎn)量Y(II)完全相反(圖2)。30℃條件下Y(NPQ)持續(xù)升高,至第15天已達(dá)到0.21,而在10℃和20℃條件下保持相對(duì)恒定,基本處于0.07～0.1范圍內(nèi),30℃條件下較高的光合作用熱耗散量反映了藻體較強(qiáng)的光保護(hù)能力。

圖2 不同溫度下孔石莼光系統(tǒng)II的調(diào)節(jié)性能量耗散量子產(chǎn)量Y(NPQ)Fig.2 Variation in PSII quantum yield of regulated energy dissipation (Y NPQ) of Ulva pertusa at different temperatures

反映植物最大光和作用能力的最大光合量子產(chǎn)量Fv/Fm在三種溫度條件下變化均不明顯(表1)。15 d后,30℃下的Fv/Fm為 0.78,略低于其他兩種溫度,但該結(jié)果依然表明藻體處于較正常的生理狀態(tài)。

表1 經(jīng)過 15 d的培養(yǎng)后,孔石莼在不同溫度下的 PSII最大光合量子產(chǎn)量(Fv/Fm)以及 PSI兩種非光化學(xué)量子產(chǎn)量Y(ND)和Y(NA)的比較Tab.1 Comparison of maximum PSII quantum yield(Fv/Fm) or nonphotochemical PSI quantum yield caused by donor side limitatiion (Y ND) and acceptor side limitation (Y NA) among individuals of Ulva pertusa at different temperatures after 15-day culture

PSⅠ的實(shí)際量子產(chǎn)量Y(I)在10℃和20℃條件下的變化趨勢與Y(II)類似,即隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長,兩種溫度下的Y(I)值上升和下降的趨勢均不明顯,以 10℃條件下略高。30℃條件下的Y(I)在培養(yǎng)前期呈現(xiàn)完全下降趨勢,并且明顯低于其他兩種溫度,而在后期又呈現(xiàn)快速上升趨勢,至第15天Y(I)值達(dá)到0.89,為三種溫度下最高(圖3)。

圖3 不同溫度下孔石莼光系統(tǒng)I的光化學(xué)量子產(chǎn)量Y(I)Fig.3 Variation in effective PSI quantum yield (YI) of Ulva pertusa at different temperatures

培養(yǎng) 15d后,光系統(tǒng)Ⅰ的兩種非光化學(xué)能量耗散量子產(chǎn)量Y(ND)和Y(NA)的測定結(jié)果見表1。由表中可知,Y(ND)隨著溫度的上升而升高,在30℃條件下上升尤為明顯,而Y(NA)隨溫度的變化趨勢不明顯,且量子產(chǎn)量始終處于較低水平。在三種溫度條件下,Y(ND)始終大于Y(NA),由供體一側(cè)電子流受限而產(chǎn)生的非光化學(xué)能量耗散量子產(chǎn)量占主導(dǎo)地位。

2.2 光照強(qiáng)度對(duì)孔石莼光合作用的影響

由圖4可以看出兩個(gè)光系統(tǒng)的實(shí)際量子產(chǎn)量Y(I)和Y(II)隨著光照強(qiáng)度的增加體現(xiàn)出大體相同的變化趨勢,當(dāng)光照強(qiáng)度較低時(shí),Y(II)隨著光照強(qiáng)度的增加而上升,Y(I)基本維持恒定;當(dāng)光照強(qiáng)度超過 60 μmol/(m2·s)時(shí),Y(I)和Y(II)隨著光照強(qiáng)度的繼續(xù)增加而持續(xù)下降。當(dāng)光照強(qiáng)度達(dá)到 1 000 μmol/(m2·s)時(shí),Y(I)和Y(II)分別僅為0.15和0.10,顯示微弱的光合作用,說明兩個(gè)光系統(tǒng)的光合活性同時(shí)受到抑制。與此呈相反變化趨勢的是Y(ND)和Y(NPQ),二者均隨著光照強(qiáng)度的增加而持續(xù)上升,當(dāng)光強(qiáng)達(dá)到 1300 μmol/(m2·s)時(shí),Y(ND)接近 0.90,非光化學(xué)能量耗散的不斷上升表明孔石莼在較高的光強(qiáng)下仍能夠通過熱耗散的形式有效地進(jìn)行光保護(hù)。反映受體側(cè)受限導(dǎo)致的非光化學(xué)能量耗散量子產(chǎn)量值Y(NA)始終處于極低水平,僅在 30～220 μmol/(m2·s)的光強(qiáng)范圍內(nèi)表現(xiàn)出先升高后降低的趨勢,Y(NA)的變化表明藻體在對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)范圍內(nèi)存在不同程度的光損傷。

圖4 孔石莼的PSII實(shí)際光合量子產(chǎn)量Y(II)、調(diào)節(jié)性能量耗散Y(NPQ)、PSI光化學(xué)量子產(chǎn)量Y(I)以及兩種非光化學(xué)量子產(chǎn)量Y(ND)和Y(NA)的光照強(qiáng)度響應(yīng)曲線Fig.4 Light response curve of effective PSII quantum yield(YII),Quantum yield of regulated energy dissipation(Y NPQ),Effective PSI quantum yield (YI),nonphotochemical PSI quantum yield (Y ND),and (Y NA) of Ulva pertusa

3 討論

孔石莼作為一種溫帶性大型綠藻,廣泛分布于北太平洋西部沿岸的潮間帶水域,以往的研究表明該種對(duì)環(huán)境溫度的變化具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力[16-17],本實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步印證了這一點(diǎn),主要體現(xiàn)在孔石莼光系統(tǒng)II在三種溫度下都具有較高的實(shí)際光合量子產(chǎn)量Y(II)且相互間差異較小。盡管如此,30℃下藻體的Y(II)值在后期呈現(xiàn)較為明顯下降趨勢,并伴隨著光系統(tǒng) II調(diào)節(jié)性能量耗散量子產(chǎn)量Y(NPQ)和光系統(tǒng)I量子產(chǎn)量Y(I)的上升。我們認(rèn)為這一系列光合參數(shù)的變化趨勢是藻體在高溫逆境下進(jìn)行的熱耗散和狀態(tài)轉(zhuǎn)換兩種保護(hù)性調(diào)節(jié)過程的反映。藻體熱耗散過程的啟動(dòng)可以將過剩的光能以熱量的形式釋放,避免高溫引起的光損傷,反映于30℃高溫下Y(NPQ)的持續(xù)上升;與此同時(shí)啟動(dòng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程對(duì)兩個(gè)光系統(tǒng)的激發(fā)能起到進(jìn)一步平衡作用,以此避免光抑制并更加有效地利用光能[18-19]。本實(shí)驗(yàn)中藻體在高溫下狀態(tài)轉(zhuǎn)換的結(jié)果導(dǎo)致光系統(tǒng) I循環(huán)電子傳遞的增強(qiáng)和跨膜質(zhì)子梯度的上升,反映于30℃下Y(I)的上升。狀態(tài)轉(zhuǎn)換機(jī)制已經(jīng)在其他藻類、高等植物以及藍(lán)細(xì)菌中陸續(xù)被發(fā)現(xiàn),并被認(rèn)為在適應(yīng)脅迫環(huán)境方面起到重要作用[20-22]。我們通過本實(shí)驗(yàn)首次在孔石莼中發(fā)現(xiàn)類似的保護(hù)機(jī)制,結(jié)合野生孔石莼的生態(tài)特征,我們認(rèn)為該機(jī)制極有可能在其渡夏過程中對(duì)高溫環(huán)境的適應(yīng)起到重要作用,以青島海域四季生長的野生孔石莼為例,該種在夏季高達(dá) 28℃的海水溫度環(huán)境下依然能夠存活。值得注意的是,上述光保護(hù)機(jī)制往往是在犧牲部分實(shí)際光合效率的基礎(chǔ)上進(jìn)行的,并由此導(dǎo)致生物量的下降,這也是野生孔石莼的生物量在初夏時(shí)達(dá)到最高,而進(jìn)入盛夏后大量減少的主要原因之一[17]。

孔石莼對(duì)光照的依賴性較低,當(dāng)光照強(qiáng)度超過100 μmol/(m2·s)時(shí)即達(dá)到光飽和,這與鄒定輝等[23]對(duì)10℃下石莼光飽和點(diǎn)的測定結(jié)果非常接近,其可能的原因是用于本次光合作用測定的野生孔石莼采集于秋季,海水溫度同樣為 10℃左右,相近的溫度環(huán)境造成了二者對(duì)光照強(qiáng)度的近似響應(yīng)。在遠(yuǎn)高于光飽和點(diǎn)的光強(qiáng)下,孔石莼同樣表現(xiàn)很強(qiáng)的光保護(hù)能力,反映于在所設(shè)置的光照強(qiáng)度范圍內(nèi),藻體的一類調(diào)節(jié)性熱量耗散Y(NPQ)和Y(ND)隨著光照的增強(qiáng)而上升,而反映光損傷的Y(NA)卻始終保持在極低的水平。孔石莼對(duì)光照較低的依賴性和較強(qiáng)的光保護(hù)能力對(duì)于適應(yīng)潮間帶干出和浸沒交替過程中光照強(qiáng)度的劇烈變化起到重要作用。

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