光照和基質(zhì)對布氏輪藻生長、色素組成及有性繁殖的影響

王和云，孫 彤，周 易，金 輝，陳俊格，易春龍

（1.湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院/河湖生態(tài)修復(fù)及藻類利用湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430068；2.中工武大設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，武漢 430223）

在湖泊、池塘和水庫等水域中，輪藻植物是沉水植被的重要組分之一。輪藻科約有400個(gè)種，遍布于各類水體中，包括淡水和咸水、臨時(shí)性和永久性的，從小池塘到大湖泊［1］。輪藻多占據(jù)被子植物不能利用的小生境，作為指示類群，能反映水體健康狀況［2］，是受損生態(tài)系統(tǒng)功能恢復(fù)的先鋒種［3，4］。

光照是輪藻生長的關(guān)鍵因子［5，6］。不同輪藻種類，光適應(yīng)機(jī)制不同，反映它們在湖泊中分布深度不同［7-9］。改變色素組成或含量，調(diào)整光合效率是自養(yǎng)生物在光合生理上最常采用的光適應(yīng)機(jī)制［10，11］。近年來，已經(jīng)有研究報(bào)道輪藻在弱光照［12］和強(qiáng)光照［8，9］條件下的光合色素含量以及組成。此外，沉水植物對光照的適應(yīng)在形態(tài)上包括低光下莖的伸長和形成更大而薄的葉片以使單位生物量上的光吸收量增大［13-15］。輪藻在強(qiáng)光照下產(chǎn)生的小枝密集、莖粗壯矮小，而在弱光照下小枝分散、莖纖細(xì)［14，16］。

沉水植物生長對光照和基質(zhì)的響應(yīng)和它們的生長型密切相關(guān)，冠層生長型植物如穗花狐尾藻受基質(zhì)的影響大，而底棲型植物如輪藻［17，18］和蓮座型植物如苦草受光的影響大［15］。布氏輪藻（Ch ar a b rauniiGmel.）曾廣布于世界各大洲［19］，但隨著水體環(huán)境的惡化，布氏輪藻在歐洲已成瀕危種［20，21］。水稻田和池塘曾是布氏輪藻的主要分布水體［22］，但隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和農(nóng)業(yè)環(huán)境改變，輪藻種群數(shù)量銳減，部分敏感種類已在原分布區(qū)域消失［23］。本研究以布氏輪藻為研究對象，選擇不同的基質(zhì)類型，模擬3種光環(huán)境，研究光照和基質(zhì)對輪藻形態(tài)、色素模式和有性繁殖的影響，以期為輪藻植物的修復(fù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

布氏輪藻（Ch ar a b r auniiGmel.），雌雄同株，被少量鈣質(zhì)，鮮綠色或者暗綠色。節(jié)間與小枝多等長，托葉單輪，與小枝數(shù)相等，二者互生，雌雄配子囊混生于小枝下部的1-3個(gè)節(jié)上。試驗(yàn)材料采自湖北省武漢市梁子湖。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2018年4月15日至5月22日，試驗(yàn)在湖北工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院室外溫室內(nèi)進(jìn)行，植株生長適應(yīng)時(shí)間（不加蓋遮陰網(wǎng)）為1周，試驗(yàn)時(shí)間為4周，共持續(xù)時(shí)間為5周。試驗(yàn)是光照和基質(zhì)的2因子9處理（3×3）交叉試驗(yàn)，基質(zhì)處理包括腐質(zhì)底泥（來自梁子湖），黏土（400目網(wǎng)篩過濾）和湖水沖洗后的細(xì)沙；光處理包括50%（N）、25%（M）和5%（D）自然光照，3種不同光照水平通過加蓋不同密度的同質(zhì)遮陰網(wǎng)來獲得。54個(gè)白色塑料桶（Φ=30 cm，h=35 cm）分別置于3種不同遮陰條件下，每種光照處理18個(gè)，桶中分別裝有底泥（S）、黏土（C）和細(xì)沙（s），每個(gè)桶種1株布氏輪藻，植株間差異極小。預(yù)試驗(yàn)處理的1周中，細(xì)沙中生長的植株迅速產(chǎn)生大量白色的雌雄配子，而植株本身沒有生長，有衰敗跡象。因此，株高、色素和生物量的數(shù)據(jù)不包括細(xì)沙基質(zhì)上各種光照處理，為3光照×2基質(zhì)的2因子6處理（NS、MS、DS、NC、MC和DC）的交叉試驗(yàn)。塑料桶中水溫通過循環(huán)換水保持在（25±1）℃。

1.3 指標(biāo)測定

植株色素測量參照Küster等［8］方法，取輪藻頂端鮮重60 mg，清洗干凈附著物，吸干水分，稱重，用N，N-二甲基甲酰胺（DMF）定容至6 mL（當(dāng)吸收值大于1時(shí)重新取樣定容至8 mL），避光放置過夜，用752分光光度計(jì)測定664 nm和647 nm處吸光度。葉綠素a和葉綠素b的計(jì)算公式如下所示：

總類胡蘿卜素含量需要利用萃取液470 nm處光吸收度，計(jì)算公式如下所示：

基質(zhì)營養(yǎng)TN采用半微量凱氏定氮法，TP測量采樣鉬銻比色法。每隔3～4 d利用自動(dòng)水質(zhì)監(jiān)測儀（YSI公司，American）測量水質(zhì)（包括pH、電導(dǎo)率、濁度、溶氧量和溫度）。

每隔1周記錄植株上雌雄配子和受精卵的出現(xiàn)時(shí)間及其顏色，5周后收獲，測量植株高度（假根到冠層的平均距離），測量植株干重（24 h、95℃）和灰分比率（3 h、450℃）。

1.4 數(shù)據(jù)分析

一元方差（ANOVA-one way）分別分析光照和基質(zhì)對植物生長的影響，二元方差（ANOVA-two way）分析2×3因子的交叉影響。多重比較運(yùn)用Tukey’s post-test。

2 結(jié)果與分析

2.1 水質(zhì)理化指標(biāo)

塑料桶中水質(zhì)指標(biāo)如表1。黏土基質(zhì)中水體pH比底泥基質(zhì)稍高，其他指標(biāo)差異不一致。

表1 水溫、酸堿度、電導(dǎo)和溶氧量

2.2 植株高度

二元方差分析（ANOVA-two way）表明，光照和基質(zhì)對植株的高度有顯著影響，交叉作用也極顯著（表2）。隨著光照度的減少，兩種基質(zhì)上生長的植株高度均明顯增加，黏土基質(zhì)上的株高小于底泥基質(zhì)上的株高（圖1）。

圖1 不同光照和基質(zhì)處理下布氏輪藻的株高

2.3 灰分比率和干重

灰分比率和光照強(qiáng)度正相關(guān)，黏土基質(zhì)下的灰分比率高于底泥基質(zhì)上的灰分比率（圖2A）。光照和基質(zhì)對植株的干重具有極顯著影響和顯著交叉影響（表2），兩種基質(zhì)條件下最大干重均出現(xiàn)在25%光處理?xiàng)l件下，最小干重在最低光條件下（圖2B）。

表2 光照和基質(zhì)對布氏輪藻高度、灰分比率和干重的二元方差分析

圖2 不同光照和基質(zhì)處理下布氏輪藻的灰分比率（A）和干重（B）

2.4 色素

隨著光照的減少，兩種基質(zhì)上生長的植株頂端單位鮮重基礎(chǔ)上的葉綠素a（Chla）、葉綠素b（Chlb）和類胡羅卜素（Caroten）含量均顯著增加，黏土基質(zhì)上的植株色素含量低于底泥基質(zhì)上的植株色素含量（表3）。二元方差分析（ANOVA-two way）結(jié)果顯示，光照和基質(zhì)對Chla、Chlb、Chl（a+b）和Caro含量均有極顯著影響，其交互作用也極顯著（表3）。就處理因子對色素比率的影響而言，Chla/Caroten受到光照、基質(zhì)及其交叉作用顯著影響，基質(zhì)對Chla/Chlb沒有顯著影響（表4）。隨著光照的減少，兩種基質(zhì)條件下的Chla/Caroten表現(xiàn)出極顯著的增加（圖3B），Chla/Chlb表現(xiàn)出不同的趨勢，在底泥基質(zhì)處理?xiàng)l件下，在光照降至5%時(shí)，Chla/Chlb顯著上升，而在黏土基質(zhì)處理?xiàng)l件下，隨著光照的減少，Chla/Chlb表現(xiàn)出遞減的趨勢（圖3A）。

表3 布氏輪藻在3種光照和兩種基質(zhì)處理下單位鮮重上的葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素含量

表4 不同光照和基質(zhì)對布氏輪藻色素含量和比例的二元方差分析

圖3 不同光照和基質(zhì)處理下布氏輪藻的Chla/Chlb（A）和Chla/Caroten（B）

2.5 有性繁殖

試驗(yàn)進(jìn)行2周后（5月7日），所有處理中都出現(xiàn)了雌雄配子，黏土基質(zhì)上的光照（NC）中已有受精卵出現(xiàn)。5月16日，所有處理中都出現(xiàn)了受精卵，其中底泥基質(zhì)的5%光照下（DS）也出現(xiàn)了零星的黑色受精卵。

3 討論

3.1 形態(tài)特征和色素

輪藻在強(qiáng)光照下產(chǎn)生莖粗壯小枝密集而在弱光下莖纖細(xì)小枝分散，前者是強(qiáng)光照下的自我保護(hù)［16］，后者則是對低光照的適應(yīng)［12］。由于Chlb屬于捕光色素，Chla/Chlb的降低通常被認(rèn)為是輪藻對低光條件的一種適應(yīng)［12，14］。該研究中黏土基壤上光照的降低導(dǎo)致Chla/Chlb的降低，輪藻表現(xiàn)出對低光條件的適應(yīng)；但其在底泥基壤上的Chla/Chlb變化不一致。隨著光照的降低，布氏輪藻植株頂端色素的Chla比Chlb增加的比率大得多。不是所有的輪藻種類都通過調(diào)整Chla/Chlb來適應(yīng)低光環(huán)境，如C.canes cens［8］和C.inter med iaBraun［16］在變動(dòng)的光強(qiáng)范圍內(nèi)Chla/Chlb沒有顯著性變化。

Chla/Caroten的比值通常與植物的光保護(hù)機(jī)制聯(lián)系在一起［11］。該研究中，輪藻植株頂端色素Chla/Caroten的比值隨著光照的減少而增加（圖4B），表明類胡蘿卜素的比率與光照正相關(guān)，已在一些其他關(guān)于輪藻研究中發(fā)現(xiàn)同樣的規(guī)律［8，12，16］，植株在高光照條件下，光保護(hù)能力增加和光保護(hù)色素增加的象征［24，25］。同一光照下黏土基質(zhì)上較低的Chla/Caroten，也是自我保護(hù)增強(qiáng)的象征，這可能表明當(dāng)植物處于強(qiáng)光照脅迫下時(shí)，底泥上生長的輪藻植株具有更高的耐強(qiáng)光抑制能力。

3.2 灰分比率和干重

對于植物體表面能富集鈣質(zhì)的輪藻種來說，其灰分比率通常是其在特殊生境中光合能力的一個(gè)指標(biāo)［26］。該研究中，在兩種基質(zhì)條件下，布氏輪藻的灰分比率均隨著光照的下降而降低，表明植株光合作用隨光照下降而降低。當(dāng)水體pH升高時(shí)，布氏輪藻通常在植株表面產(chǎn)生大量結(jié)晶［27］。該研究中，黏土基質(zhì)上生長的輪藻灰分比率高于底泥基壤上的輪藻，這可能與黏土基質(zhì)水體pH更高有關(guān)。輪藻的灰分成分中除了鈣鹽外，還含有輪藻莖上附著的懸浮粒子，主要是一些泥沙，是植物在強(qiáng)光照下的一種自我保護(hù)［28］。黏土基壤上的Chla/Caroten顯著小于底泥上的Chla/Caroten，也證明了相同光照條件下，黏土基質(zhì)要求植物投入更多的保護(hù)色素。

3.3 有性繁殖

光照對輪藻有性繁殖具有促進(jìn)作用，已被研究證明［14，29，30］。布氏輪藻可通過快速有性繁殖來適應(yīng)即將枯水的逆境［27］和延遲有性繁殖來適應(yīng)水深的增加［13］。本研究中不同光照下的布氏輪藻出現(xiàn)雌雄配子和受精卵的時(shí)間沒有差異，說明光照的差異并沒有影響有性繁殖的出現(xiàn)時(shí)間。這可能是因?yàn)樵撗芯恐懈鞣N光照處理下各個(gè)塑料桶中的水溫沒有顯著性差異，因?yàn)闇囟认鄬τ诠庹眨瑢喸逵行苑敝车陌l(fā)生時(shí)間的影響更大［31］。而黏土基質(zhì)上的受精卵比底泥上先出現(xiàn)是植物對光照脅迫的反應(yīng)。黏土基質(zhì)上更高的灰分含量和更高的保護(hù)色素都表明黏土基質(zhì)中自然光照對輪藻的生長有抑制作用。由于細(xì)沙、土壤和水比熱容不同，在相同水溫下，基質(zhì)中輪藻根系處的溫度可能存在顯著差異，這種差異最終影響植物的生長和繁殖。因此，黏土基質(zhì)中強(qiáng)光照對輪藻生長的抑制可能是通過基質(zhì)內(nèi)高溫對輪藻生長的脅迫來實(shí)現(xiàn)，這可能也是沙基質(zhì)上迅速產(chǎn)生大量受精卵的主要原因。

4 小結(jié)

布氏輪藻通過避離水表層、縮短株高和生成大量的類胡蘿卜素（Caroten）來適應(yīng)強(qiáng)光照環(huán)境，相反通過伸長至水表層的莖和大量的葉綠素b（Chlb）來適應(yīng)弱光照。與底泥基質(zhì)相比，黏土基質(zhì)株高更低，植株灰分比率更高，類胡蘿卜素比率增大，表明溫室高光熱條件下，黏土基質(zhì)需要投入更多的能量用于自我保護(hù)機(jī)制上，黏土基質(zhì)中植株上較早出現(xiàn)的受精卵可能也是對強(qiáng)光照脅迫的一種響應(yīng)。