不同強度光強脅迫對海帶(Saccharina japonica)幼苗光合生理的影響*

牛建峰 馮澤中 孫振杰 王偉偉 張曉雯 梁廣津 王立軍 李曉捷① 王廣策①

不同強度光強脅迫對海帶()幼苗光合生理的影響*

牛建峰1, 2, 6馮澤中1, 4孫振杰1, 4王偉偉3張曉雯5梁廣津3王立軍1, 2, 6李曉捷3①王廣策1, 2, 6①

(1. 中國科學院海洋研究所實驗海洋生物學重點實驗室 山東青島 266071; 2. 青島海洋科學與技術(shù)試點國家實驗室海洋生物學與生物技術(shù)功能實驗室 山東青島 266237; 3. 山東東方海洋科技股份有限公司 山東省海藻遺傳育種與栽培技術(shù)重點實驗室 山東煙臺 264003; 4. 青島農(nóng)業(yè)大學 山東青島 266109; 5. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部海洋漁業(yè)可持續(xù)發(fā)展重點實驗室 中國水產(chǎn)科學研究院黃海水產(chǎn)研究所 山東青島 266071; 6. 中國科學院海洋大科學研究中心 山東青島 266071)

海帶()是我國藻類生產(chǎn)的主要品種之一, 其栽培面積和產(chǎn)量均居世界首位。2021～2022年產(chǎn)季, 山東榮成海帶主產(chǎn)區(qū)先后暴發(fā)了大規(guī)模病爛災(zāi)害, 給當?shù)厮a(chǎn)經(jīng)濟造成了巨大損失。引起病爛的原因可能來自多方面, 其中藻體所受光照過強及水體營養(yǎng)鹽水平較低可能起到了一定作用, 為此, 基于海帶幼苗的最小飽和光強、煙臺高新區(qū)牟平自然海區(qū)海水氮磷濃度及不同海水深度下的光照強度測定結(jié)果, 研究了梯度強光在不同海水營養(yǎng)鹽水平下對海帶生理的影響, 以期為“爛菜”現(xiàn)象的病因分析提供一定的線索。結(jié)果顯示, 海帶幼苗在700～900 μE/(m2s)強光脅迫3 d后,v/m可恢復(fù)至對照水平, 光合色素合成活躍, 營養(yǎng)鹽含量較高的海水更有助于PSII的修復(fù), 但1 300～1 500 μE/(m2s)的強光輻射導(dǎo)致PSII不能恢復(fù), 巖藻黃素、葉綠素及β-胡蘿卜素含量顯著降低。整個脅迫實驗中, 藻體總抗氧化能力(T-AOC)及其他抗氧化酶比活力大體上在強光脅迫的起始至第3天上調(diào), 而在脅迫第5天時又出現(xiàn)下降趨勢, 且在營養(yǎng)鹽含量較高的處理組中, 各樣本活性均高于天然海水處理組樣本。抗氧化酶基因的表達也呈現(xiàn)類似的變化趨勢。在低于900 μE/(m2s)的光照條件下, 抗氧化酶活性可以得到較好的維持, 而海水中相對較為豐富的營養(yǎng)鹽則有利于藻體抗氧化能力的維持。研究結(jié)果為榮成海帶病爛暴發(fā)的原因分析提供了一定的借鑒。

強光脅迫; 活性氧清除; 光系統(tǒng)修復(fù); 海帶幼苗; 抗氧化酶; 巖藻黃素; β-胡蘿卜素

海帶()屬褐藻門(Phaeophyta), 褐藻綱(Phaeophyceae), 海帶目(Laminariales), 海帶科(Laminariaceae), 糖藻屬() (水產(chǎn)辭典編輯委員會, 2007), 由假根狀固著器、柄和葉片組成, 通過固著器附著于巖石、養(yǎng)殖筏架上生長。海帶是我國漁業(yè)生產(chǎn)的主要藻類之一, 栽培規(guī)模和產(chǎn)量均居世界首位, 據(jù)國家藻類產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系監(jiān)測調(diào)查情況及相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示, 2008～2018年, 全國海帶栽培面積呈上升趨勢, 2018年栽培面積相比于10年前增加了約34.63%, 占全國藻類栽培面積的31.29%。目前我國海帶主要分布在東南沿海和渤海灣地區(qū), 其中福建省占總栽培面積的45.23%, 山東省占比約為38.04%, 遼寧省占比13.47%; 浙江省、江蘇省和廣東省也有零星栽培, 占比不到4% (國家藻類產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系, 2021)。海帶不僅是海藻化工和農(nóng)業(yè)肥料等行業(yè)的重要原料, 也是一種營養(yǎng)豐富的海洋食蔬。我國已形成一個集海帶育種、育苗、栽培、加工、藻類化工為一體的產(chǎn)業(yè)鏈條, 海帶產(chǎn)業(yè)在促進就業(yè)、漁民增收, 為社會提供健康食品, 改善生態(tài)環(huán)境, 緩解水體富營養(yǎng)化等方面作出了重要貢獻(國家藻類產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系, 2021)。

在海帶的生長發(fā)育過程中, 不可避免地會受到眾多環(huán)境因子的影響, 光照就是其中一個重要因子。海水透明度可影響自然海區(qū)海帶的垂直分布, 隨海水透明度的提高, 其分布的深度會相應(yīng)增加。在海帶的人工栽培中, 水體透明度也是被考慮的重要環(huán)境因子, 在受江河入海口影響而水質(zhì)較渾濁的海區(qū), 海帶一般栽培于海水表層, 在海水透明度高的區(qū)域, 海帶則被栽培在較深層海水中(蘇麗, 2018)。有研究表明, 海帶對光照強度的需求存在一個適宜范圍(即光補償點與光飽和點之間), 在此范圍內(nèi), 隨光照強度增加海帶光合作用加快, 而當光照強度超過飽和點后, 光合作用則減弱甚至受到抑制(陳書秀等, 2021)。

長期生產(chǎn)實踐積累的經(jīng)驗表明, 過強或過弱的光照條件均可能抑制海帶的生長, 甚至引起海帶病變發(fā)生。在光強范圍300～10 000 lx內(nèi), 不同大小海帶的光合活性均隨光照強度增強而升高(姚南瑜等, 1981)。張起信(1994)通過總結(jié)經(jīng)驗數(shù)據(jù)提出海帶光補償點大約為345 lx, 在養(yǎng)殖前期(幼苗期和凹凸期), 光照強度不宜超過800 lx, 正常栽培時期比較合理的光照范圍為14 000～22 000 lx, 此光照條件下海帶生長正常, 且不易發(fā)病。這個光照強度所對應(yīng)的水層深度基本與透明度相當, 被稱為海帶的合理受光水層。程曉鵬等(2020)在測定養(yǎng)殖海域海帶孢子體生長參數(shù)的基礎(chǔ)上, 設(shè)置暫養(yǎng)實驗, 測定了在不同光合有效輻射(PAR)梯度下海帶的光合活性變化, 發(fā)現(xiàn)快速光曲線隨著光合有效輻射的增強呈先升后降的趨勢, 海域養(yǎng)殖海帶孢子體干重生長率變化與快速光曲線變化一致。

目前, 關(guān)于光照條件對海帶生長的影響, 主要集中在生長速率、形態(tài)變化及產(chǎn)量方面, 而從藻類生理生化角度的探討相對較少。在低于1 200 lx的不同光照條件下, 培養(yǎng)3 d后的海帶幼苗多酚、可溶性糖及可總?cè)苄缘鞍缀侩S光強降低而降低, 而葉綠素和β-胡蘿卜素含量則呈相反趨勢(黃健等, 2002)。程曉鵬等(2020)通過模擬實驗, 綜合分析了海帶孢子體對溫度和光照的生理響應(yīng)。梁洲瑞等(2019)研究了極北海帶()幼苗在不同光照條件下的抗氧化酶活性, 認為這些酶在響應(yīng)強光脅迫的過程中發(fā)揮作用。本文則通過設(shè)置營養(yǎng)鹽與光照強度組合的不同培養(yǎng)條件, 研究了強光對海帶幼苗光合作用及抗氧化酶的影響, 以期為海帶人工栽培提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材料

實驗用海帶()幼苗藻體長度為20～30 cm, 2022年2月17日從福建移栽青島即墨海區(qū)暫養(yǎng)3 d, 期間水溫5 °C, 苗繩捆墜石沉入水下2 m。后轉(zhuǎn)運至(山東東方海洋科技股份有限公司高新區(qū)分公司)暫養(yǎng)1 d后進行不同脅迫條件下的處理。暫養(yǎng)條件為: 溫度4 °C; 光照強度50 μE/(m2s); 光周期12L:12D。

1.2 方法

1.2.1 光響應(yīng)曲線測定 取暫養(yǎng)后的藻體, 暗適應(yīng)10 min后, 通過雙通道調(diào)制葉綠素熒光儀Dual-PAM-100 (Heinz Walz, Effeltrich, 德國)原位測定海帶光響應(yīng)曲線。光化光(PAR)強度設(shè)定為16、26、75、131、353、795、1 701和3 444 μE/(m2s), 每一PAR梯度下的照射時間為10 s, 2次光化光間隔為20 s, 記錄至少3組不同光化光下的ETR(II)值, 取平均值后通過軟件Origin 9.0, 利用Eilers等(1988)建立的方程進行光響應(yīng)曲線的耦合, 方程公式為: ETR=PAR/ (×PAR2+×PAR+), 計算得出PSII最大量子得率, 最大電子傳遞速率ETRmax, 以及半飽和光強或最小飽和光強Ik。

1.2.2 海區(qū)光照強度與海水深度關(guān)系測定 于2022年2月24日正午, 在煙臺高新區(qū)海區(qū)(37°28′N, 121°47′E)進行了不同深度水體中光照強度的測定。測定以水下光溫探頭(Pendant, HOBO, 美國)與透明度盤結(jié)合進行, 將探頭固定于透明度盤表面, 隨透明度盤逐漸下沉水下, 從水體表面開始至水下5 m, 每下降1 m保持1 min, 進行數(shù)據(jù)采集, 采集頻率設(shè)定為10次/min, 同時, 對海區(qū)透明度對應(yīng)的水體深度也進行1 min的光強數(shù)據(jù)采集。

1.2.3 不同光照強度及不同營養(yǎng)鹽濃度處理 以煙臺高新區(qū)自然海區(qū)抽取的海水, 經(jīng)沉淀、砂濾后作為本實驗低營養(yǎng)鹽培養(yǎng)用海水。同時, 在海水中添加硝酸鹽和磷酸鹽, 配制營養(yǎng)海水(氮終濃度10 mg/L, 磷終濃度1 mg/L)。分別在營養(yǎng)海水及自然海水中設(shè)置高強度[1 300～1 500 μE/(m2s)]、中等強度[700～900 μE/(m2s)]和低強度[約200 μE/(m2s)]脅迫光照條件, 對海帶幼苗進行處理, 不同強度的光照條件基于正午水面光照強度, 水下1 m處光照強度及水體透明度條件下對應(yīng)的光照強度設(shè)定。連續(xù)進行5 d脅迫處理, 每日處理時間為6 h。在強光處理的第1、3和5天, 光照處理結(jié)束后, 測定藻體光合作用參數(shù), 收集材料, 吸水紙吸干, 液氮速凍, –80 °C保存?zhèn)溆谩Ｍ瑫r, 在脅迫處理的第2天和第4天, 強光處理前對藻體光合參數(shù)進行測定。

本實驗以高亮度Led燈提供光照條件, 溫度監(jiān)測顯示整個實驗期間溫度維持在4～6 °C。

1.2.4 光合參數(shù)測定 藻體在不同營養(yǎng)鹽濃度、脅迫光照條件處理后暗適應(yīng)10 min, 使用調(diào)制葉綠素熒光儀Dual-PAM-100 (Heinz Walz, Effeltrich)測定其光合作用參數(shù)。具體測定程序: 初始熒光(o), 以12 μE/(m2s)的測量光測定獲得; 最大熒光參數(shù)(m), 使用飽和脈沖[SP, 強度6 000 μE/(m2s), 持續(xù)時間300 ms]測定; 可變熒光(v)由m和o的差值獲得。測定過程中光化光強度設(shè)定為57 μE/(m2s), 通過系統(tǒng)自帶程序, 測得光合作用各參數(shù), 利用Origin 9.0軟件進行數(shù)據(jù)處理并作圖。

1.2.5 色素提取和含量測定 參考Thayer和Enriquez等人建立的方法(Thayer, 1990; Enriquez, 2010), 將–80 °C儲存的藻體約100 mg, 置研磨管, 液氮預(yù)凍, 于研磨儀(JX-FSTPRP-24, 凈信科技, 中國上海) 60 Hz震蕩破碎50 s, 暫停10 s, 連續(xù)破碎三次, 懸浮于甲醇/丙酮(1/1,/)中, 冰浴30 min, 3 000離心5 min (4 °C), 沉淀再次加入一定體積甲醇/丙酮提取液, 離心、收集合并上清。色譜測定前, 上清液用0.22 μm濾膜過濾, 所有步驟在黑暗低溫狀態(tài)下進行。

色素測定采用高壓液相色譜系統(tǒng)(Agilent 1200,美國)進行, 色譜柱為C18反相柱(4.6×250 mm), 流動相包括A (水)、B (甲醇)、C (乙腈)和D (乙酸乙酯), 具體色譜程序為: 0～15 min, I (15% A, 30% B, 55% C, 0% D)到II (0% A, 15% B, 85% C, 0% D)線性梯度; 15～17 min, II到III (15% A, 15% B, 35% C, 35% D)線性梯度; 17～40 min, III到IV (0% A, 30% B, 0% C, 70% D)線性梯度。柱溫50 °C, 流速0.75 mL/min, 檢測波長443 nm。色素定量標準品巖藻黃素、葉綠素及β-胡蘿卜素購于Sigma (Sigma-Aldrich, 美國)。色素標準曲線通過不同濃度標準品的峰面積繪制, 樣本中色素濃度根據(jù)標準曲線計算獲得。

1.2.6 過氧化氫(H2O2)和丙二醛(MDA)含量測定 取適量–80 °C凍存樣品, 按上述方法磨碎, 加適量過氧化氫測定試劑盒(南京建成)提取液, 再次震蕩后, 12 000, 4 °C離心10 min, 收集上清。按試劑盒操作步驟加樣, 酶標儀(M1000Pro, Tecan Ifinite, 瑞士)測定吸光值, 計算各樣本中H2O2含量。

采用植物MDA試劑盒(南京建成), 材料研磨及樣本制備方法同前。按照說明書步驟, 以無水乙醇為空白對照, 以10 nmol/mL的MDA標準品作為標準管, 使用酶標儀(M1000Pro, Tecan Ifinite, 瑞士), 測定波長340 nm, 對樣本中MDA含量進行測定。

1.2.7 總抗氧化能力及抗氧化酶比活性測定 樣本研磨及酶提取液的制備方法同1.2.6。使用T-AOC試劑盒(南京建成)測定不同條件下樣本總抗氧化能力的強弱, 測定波長593 nm, 吸光度的大小反應(yīng)樣本中所含抗氧化物質(zhì)的總體的抗氧化能力。

樣本研磨及酶提取液的制備方法同前。各抗氧化酶測定試劑盒均購自南京建成。超氧化物歧化酶(SOD)的測定基于WST-8的顯色反應(yīng), 通過比色法對樣本中相應(yīng)的酶活進行測定; 過氧化氫酶(CAT)活性通過單位時間內(nèi)405吸光度的變化計算獲得; 過氧化物酶(POD)活性通過單位時間內(nèi)420吸光度的變化量測定獲得; 抗壞血酸過氧化物酶(APX)活性根據(jù)單位時間內(nèi)290吸光度的減少值計算。

1.2.8 抗氧化酶的實時熒光定量(qRT-PCR)檢測

(1) RNA提取 不同處理樣本的總RNA使用RNAprep Pure Plant Kit (中國北京天根)提取, 得到的RNA濃度通過Nanodrop Photometer分光光度計(IMPLEN, CA, 美國)測定。

(2) 反轉(zhuǎn)錄 依據(jù)TaKaRa反轉(zhuǎn)錄試劑盒操作說明書進行, 每個反應(yīng)含總RNA 200 ng, 用量據(jù)前述RNA濃度測定確定。具體操作步驟包括: 1) 基因組DNA去除。5′gDNA Eraser Buffer 2 μL, gDNA Eraser 1 μL, Total RNA (200 ng), 添加RNase Free dH2O至10 μL; 42 °C 2 min; 2) 反轉(zhuǎn)錄反應(yīng)。向步驟1)的反應(yīng)液中加入PrimeScript RT Enzyme Mix I 1 μL, RT Primer Mix 1 μL, 5′Primescript Buffer 4 μL, RNase Free dH2O 4 μL; 37 °C 15 min, 85 °C 5 s, 4 °C維持。cDNA模板置–20°C備用。

(3) 引物設(shè)計 以海帶脅迫條件下轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)為基礎(chǔ), 篩選每種抗氧化酶基因中表達上調(diào)最明顯的基因序列為轉(zhuǎn)錄研究對象, Tublin ()為內(nèi)參, 通過海帶基因組數(shù)據(jù)獲得目標分子核酸序列, Primer Premier 5.0設(shè)計引物。基因名稱及引物序列見表1。

表1 目標基因引物序列及PCR產(chǎn)物長度

(4) qRT-PCR條件優(yōu)化及基因表達量測定 通過調(diào)整PCR反應(yīng)參數(shù), 對各引物擴增條件進行優(yōu)化。擴增的片段連接PMD19-T載體, 轉(zhuǎn)化感受態(tài)細胞, 測序驗證。EZNATMplasmid mini kit質(zhì)粒提取試劑盒提取質(zhì)粒, 10倍梯度稀釋, 進行引物擴增效率檢測。選擇擴增效率在90%～110%的引物進行qRT-PCR實驗。

使用StepOne Plus Real-Time (ABI, Foster, 加州, 美國)多色實時熒光定量PCR儀, 2′SYBR Green Master Mix (Roche, 德國), 每個樣本設(shè)3個重復(fù), 進行抗氧化酶基因轉(zhuǎn)錄水平的測定。qRT-PCR反應(yīng)體系20 μL, 包括1 μL cDNA模板, 10 μL 2′SYBR Green Master Mix, 上下游引物各0.5 μL (濃度為10 μmol/L), 8 μL RNase-free水。反應(yīng)程序: 預(yù)變性: 95 °C 10 min; 變性: 95 °C 10 s、退火: 根據(jù)不同引物設(shè)定, 退火時間15 s, 延伸: 72 °C 25 s, 40個循環(huán); 65 °C 30 s, 61個循環(huán)。反應(yīng)結(jié)束后, 通過2–ΔΔCt的方法計算目標基因相對表達強度(Livak, 2001)。

2 結(jié)果

2.1 海帶幼苗快速光響應(yīng)曲線

如圖1所示, 隨光合有效輻射的增強, 海帶幼苗PSII電子傳遞速率[rETR(II)]呈先快速上升后緩慢下降的趨勢, 在光飽和點處達到最大相對電子傳遞速率。根據(jù)快速光曲線擬合結(jié)果, 計算得到PSII的最大量子得率α為0.394, 光飽和點下ETRmax約為64 μE/(m2s), 最小飽和光強Ik為163 μE/(m2s)。

2.2 海區(qū)光照強度與海水深度的對應(yīng)關(guān)系

光照強度監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示(圖2), 2月24日正午水面光照強度可達到1 500 μE/(m2s), 而在水下1 m時迅速下降到約600 μE/(m2s), 此時, 受表層海水流動及波動的影響, 監(jiān)測數(shù)據(jù)呈現(xiàn)鋸齒狀波動, 至水下2 m的區(qū)域, 光強下降到350 μE/(m2s), 隨著深度的增加, 光照強度的降低呈現(xiàn)減少的趨勢, 但在水下5 m的區(qū)域, 光強也可以達到約80 μE/(m2s)的水平。經(jīng)測定, 本次測量水體透明度約為2.8 m, 此條件下光照強度約為200 μE/(m2s)。

圖1 海帶幼苗飽和光強曲線

圖2 不同海水深度對應(yīng)的光照強度

2.3 強光脅迫對海帶幼苗光合作用參數(shù)的影響

如圖3所示, 在光照強度約200 μE/(m2s)條件下, 室內(nèi)連續(xù)培養(yǎng)過程中, 樣本v/m均呈現(xiàn)持續(xù)降低的趨勢, 其中自然海水條件下下降更為迅速, 至第5天時降為初始值的三分之一; 而營養(yǎng)海水條件下, 雖然v/m也逐漸降低, 但下降速率和程度均顯著低于自然海水條件, 至第5天時, 仍達到了實驗開始時一半的水平。在經(jīng)歷中等強光[700～900 μE/(m2s)]脅迫后, 與低強光[200 μE/(m2s)]培養(yǎng)條件相比, 藻體v/m呈現(xiàn)顯著降低的趨勢。在營養(yǎng)海水培養(yǎng)條件下, 樣本v/m在脅迫的第3～5天一直維持在0.3上下, 而自然海水培養(yǎng)條件下的藻體v/m持續(xù)降低, 直至第5天的0.2。高強光[1 300～1 500 μE/(m2s)]脅迫的藻體中, 無論營養(yǎng)海水還是自然海水培養(yǎng)條件下,v/m在脅迫的第1天就出現(xiàn)較強烈的下降, 而在后續(xù)高強光處理下, 雖然光合能力同樣持續(xù)下降, 但營養(yǎng)鹽條件對其影響不顯著,v/m基本均維持在0.1。

強光脅迫前, 海帶藻體v/m為0.72, 在不同強光脅迫1 d后, 高強光組及中等強光組, 無論在營養(yǎng)海水還是自然海水培養(yǎng)條件下, 藻體v/m均無法恢復(fù)至原初狀態(tài)(圖4); 而在低強光[200 μE/(m2s)]營養(yǎng)海水脅迫處理第4天后依舊可以恢復(fù)至原初水平, 低強光自然海水組在前3 d的強光處理下無明顯變化, 僅在第4天后降低至約0.6 (圖4)。另一方面, 在營養(yǎng)海水條件下, 中等強度高光處理1 d及3 d后,v/m恢復(fù)程度明顯高于自然海水條件下的樣本。

2.4 不同條件下海帶幼苗光合色素含量測定

如圖5所示, 除高強光導(dǎo)致的β-胡蘿卜素含量降低外, 其他強光處理各時間點β-胡蘿卜素含量均高于對照, 且在脅迫的第3天, β-胡蘿卜素含量相對較高。1 300～1 500 μE/(m2s)高強光處理下, 所有樣本中巖藻黃素含量均低于對照。同時發(fā)現(xiàn), 在脅迫的第5天, 無論哪種程度的強光脅迫下, 巖藻黃素含量亦均低于對照, 且隨光強的減弱而含量有所升高, 營養(yǎng)海水培養(yǎng)下的藻體巖藻黃素含量高于自然海水。葉綠素含量與巖藻黃素的變化趨勢一致, 1 300～1 500 μE/(m2s)強光處理下明顯降低, 而在脅迫的第5天, 所有樣本中葉綠素含量均低于對照, 且在營養(yǎng)海水培養(yǎng)下的藻體葉綠素含量明顯高于自然海水(圖5)。

圖3 不同光照強度、營養(yǎng)鹽條件下海帶幼苗Fv/Fm的變化

圖4 脅迫處理不同時間海帶幼苗Fv/Fm的恢復(fù)

圖5 不同光照強度、營養(yǎng)鹽條件下海帶幼苗光合色素含量的變化

注: a. β-胡蘿卜素; b.巖藻黃素; c.葉綠素

2.5 不同條件下海帶幼苗過氧化氫及丙二醛含量測定

如圖6所示, 自然海水培養(yǎng)條件下, 強光脅迫過程中, 過氧化氫(H2O2)含量在不同強度脅迫光下均表現(xiàn)出先升后降的趨勢; 營養(yǎng)海水培養(yǎng)條件下, H2O2含量變化趨勢大致相同, 且隨脅迫時間的延長, 各樣本H2O2含量上調(diào)程度變得更加明顯。在脅迫的第5天, 營養(yǎng)海水培養(yǎng)條件下H2O2含量顯著高于同條件下自然海水中培養(yǎng)的藻體。

無論在自然海水還是營養(yǎng)海水培養(yǎng)條件下, 高強度強光下MDA含量隨脅迫時間呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢, 中等及低等強光脅迫下, MDA含量呈現(xiàn)先上調(diào)再下降的趨勢, 但直至實驗結(jié)束, 藻體MDA含量均高于對照, 且營養(yǎng)海水培養(yǎng)條件下MDA含量高于自然海水培養(yǎng)下的含量(圖7)。

2.6 不同條件下海帶幼苗抗氧化酶比活力測定

整個強光脅迫實驗過程中, 各樣本總抗氧化能力(T-AOC)均高于對照, 且呈現(xiàn)隨脅迫時間延長先升高后降低的趨勢, 至實驗結(jié)束時, 藻體T-AOC已經(jīng)出現(xiàn)明顯降低。此外, 在營養(yǎng)海水培養(yǎng)條件下, 藻體T-AOC顯著高于自然海水培養(yǎng)條件下的總抗氧化能力(圖8)。

與T-AOC相比, 整個光強脅迫實驗過程中, SOD僅在個別樣本中出現(xiàn)上調(diào), 如在中等強光或低強光脅迫處理的中后期(圖8)。自然海水培養(yǎng)條件下, SOD比活性隨脅迫時間延長基本維持不變或略有下降; 營養(yǎng)海水培養(yǎng)條件下, 藻體SOD在中等強光脅迫下先上升再下降, 在低等強光照條件下, SOD比活性持續(xù)增加。自然海水條件下, POD比活性在強光脅迫下隨脅迫時間延長, 大體上呈現(xiàn)先上調(diào)再下降的趨勢; 而在營養(yǎng)海水條件下, POD活性在脅迫的起始和中間時段均略低于對照, 但在脅迫實驗結(jié)束時, 其活性出現(xiàn)顯著上調(diào), 且上調(diào)程度隨光照強度增加而增強。GR

活性因藻體不同差異較大, 大體上在營養(yǎng)海水培養(yǎng)條件下活性較高。在脅迫至第5天時, 低強光下藻體GR酶活高于中等強光處理藻體, 中等強光下藻體GR酶活又高于高強光處理藻體。

2.7 不同條件下海帶幼苗抗氧化酶基因的表達變化

實時熒光定量結(jié)果顯示, 強光脅迫條件下, SOD表達除個別樣本外, 在大多數(shù)樣本中均上調(diào), 且高強光組SOD表達隨脅迫時間延長而逐漸降低, 中等強度與低強度強光組表達大體上呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。同時, 營養(yǎng)海水培養(yǎng)條件下SOD表達量一般高于同光照下自然海水培養(yǎng)條件。在脅迫處理的中后期, SOD的表達呈現(xiàn)隨脅迫強光增加而其表達下調(diào)的趨勢。

圖6 不同光照強度、營養(yǎng)鹽條件下海帶幼苗H2O2的含量

圖7 不同光照強度、營養(yǎng)鹽條件下海帶幼苗MDA含量

圖8 海帶幼苗不同處理條件下抗氧化活性變化

注: a. 總抗氧化能力; b. SOD比活力; c. POD比活力; d. GR比活力

POD的表達變化較為劇烈, 自然海水培養(yǎng)條件下, 其表達在高強光下幾乎被抑制, 中等程度強光下, 其表達呈現(xiàn)先升后降的趨勢, 但上調(diào)程度基本與對照無明顯差別, 低強光下, 其表達在脅迫的起始階段明顯上調(diào), 后持續(xù)降低, 至實驗?zāi)┢诓荒軝z測到其mRNA的表達。營養(yǎng)海水條件下, 除低強光脅迫下POD呈現(xiàn)先上調(diào)再下降的趨勢外, 其他條件下POD表達變化趨勢與自然海水培養(yǎng)的類似, 且表達水平高于自然海水培養(yǎng)的POD表達。

不同營養(yǎng)鹽條件下, GR的表達均出現(xiàn)顯著上調(diào), 且在高強光條件下隨脅迫時間延長其表達持續(xù)降低, 而在低強度高光條件下, 自然海水培養(yǎng)藻體中, GR表達持續(xù)降低, 而營養(yǎng)海水培養(yǎng)下藻體GR表達呈現(xiàn)先升后降的趨勢。與未經(jīng)脅迫的對照相比, 高強光脅迫下, GPX表達呈逐漸下調(diào)趨勢, 只有低強度強光脅迫時, 藻體GPX表達明顯上調(diào), 且上調(diào)趨勢隨脅迫時間延長而逐漸降低, 同時發(fā)現(xiàn), 大多數(shù)情況下, 營養(yǎng)海水培養(yǎng)條件下GPX表達量高于自然海水培養(yǎng)條件下GPX的表達。

3 討論

3.1 海帶飽和光強與藻體大小及生長環(huán)境密切相關(guān)

植物對光照強度的適應(yīng)或需求存在一定的適宜范圍, 在合適的光照范圍內(nèi), 隨光照強度的增加, 光合效率增加, 但當超過飽和光強后, 光合作用反而會受到影響, 嚴重時還可能導(dǎo)致光合作用元件遭受損傷。關(guān)于海帶的飽和光強, 本實驗測定結(jié)果顯示其最小飽和光強(半飽和光強)為163 μE/(m2s), 明顯高于程曉鵬等(2020)的測定結(jié)果。研究表明, 海帶耐受的光照強度隨孢子體的變大而減弱(段德麟等, 2015), 我們使用的實驗材料為海帶幼苗, 長度在20～30 cm之間, 而程曉鵬等(2020)測定的海帶孢子體樣品葉長為(71.8±11.2) cm, 這可能是造成明顯差異的直接原因。而另據(jù)報道, 在海區(qū)分苗后的正常栽培時期, 海帶比較合理的光照范圍為14 000～22 000 lx, 約280～440 μE/(m2s) (張起信, 1994)。綜上, 關(guān)于海帶的飽和光強, 因藻體大小、生理狀態(tài)或測定方法, 抑或測定環(huán)境不同, 導(dǎo)致具體結(jié)果存在較大差異。但可以肯定的是, 其飽和光強相對較低。

圖9 海帶幼苗不同處理條件下抗氧化酶基因的表達變化

注: a. SOD基因相對表達量; b. POD基因相對表達量; c. GR基因相對表達量; d. GPX基因相對表達量

3.2 強光對海帶幼孢子體光合作用的影響

v/m是光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)最大光化學效率, 代表了PSⅡ反應(yīng)中心原初光能轉(zhuǎn)化效率, 是光化學反應(yīng)的重要參數(shù), 在正常環(huán)境條件下, 植物v/m極少變化, 而當v/m明顯下降時, 就表示植物受到了強烈脅迫(盧從明等, 1995)。本實驗中無論是較低的200 μE/(m2s)強光處理組, 還是中等或1 300～ 1 500 μE/(m2s)的高強光處理組,v/m值均出現(xiàn)逐漸下降的趨勢。在不同光照強度處理組間, 相同處理條件下, 200 μE/(m2s)組v/m高于700～900 μE/(m2s)處理組, 又明顯高于1 300～1 500 μE/(m2s)處理組。說明實驗中使用的光照強度確實對測試的海帶藻體產(chǎn)生了脅迫傷害, 導(dǎo)致其v/m隨處理時間增加而降低。另外, 導(dǎo)致藻體v/m值逐漸降低的可能原因還包括實驗材料較大, 水體體積相對較小, 無流水刺激等。

PSII對環(huán)境的變化非常敏感, 在不利或者脅迫環(huán)境條件下PSII的活性比其他生理活性下降更快(Demmig-Adams, 1992; Aro, 1993; Andersson, 1997)。PSII的修復(fù)循環(huán)是葉綠體適應(yīng)脅迫環(huán)境的重要機制之一, 但當PSII的損傷速率超過修復(fù)速率時, 就會導(dǎo)致藻體PSII無法被修復(fù)而降低(Tikkanen, 2014)。條斑紫菜中, Kang等(2022)認為酸處理后, 如果藻體v/m0.183, 則復(fù)蘇后光合作用可以得到恢復(fù), 但當脅迫后v/m低于0.183時, 藻體PSII就可能已經(jīng)遭受到了不可逆的損傷, 藻體光合作用會隨時間推移而持續(xù)下降。造成光合作用持續(xù)下降的原因可能是PSII的修復(fù)受到了影響。本研究中, 海帶在1 300～1 500 μE/(m2s)強光下脅迫6 h后, 自然海水培養(yǎng)下的藻體v/m降至0.2以下, 營養(yǎng)海水培養(yǎng)下的v/m降至約0.4, 但即使過夜復(fù)蘇, 也不能恢復(fù)至正常對照水平。但在700～900 μE/(m2s)光照強度下, 即使連續(xù)脅迫3 d,v/m已降至0.3, 過夜后也可恢復(fù)。由此可見, 海帶PSII能夠較長時間耐受700～900 μE/(m2s)的強光脅迫, 而且營養(yǎng)鹽含量較高的海水可能有助于PSII的修復(fù)。

對PSII造成破壞的最主要環(huán)境因素是強光, 強光導(dǎo)致的光抑制最顯著的結(jié)果是PSII光化學效率和光合碳同化量子效率的降低, 顯著特征之一是PSII的結(jié)構(gòu)和功能的破壞。而在強光條件下, 低溫脅迫又明顯地促進了PSII光抑制的發(fā)生(?quist, 1993)和PSII蛋白合成的抑制(Allakhverdiev, 2004)。因此, 低溫與強光共同作用下, 藻體光合作用更容易受到影響。植物光合作用是溫度、光照、營養(yǎng)鹽水平等諸多因素共同作用的結(jié)果(劉露等, 2013), PSII復(fù)合體中被破壞的蛋白質(zhì)的周轉(zhuǎn)對維持其功能狀態(tài)非常重要, 即高效的蛋白合成系統(tǒng)及營養(yǎng)鹽供應(yīng)可能也是影響植物適應(yīng)能力的重要因素。正如本研究所示, 在實驗進行的第3天開始, 營養(yǎng)海水培養(yǎng)條件下, 在強光處理及復(fù)蘇后的v/m值均高于天然海水培養(yǎng)的藻體, 這種差別在實驗進行的后期更為明顯(圖3和圖4)。據(jù)此推測, 水體營養(yǎng)鹽水平對海帶響應(yīng)逆境脅迫具有積極意義, 即在營養(yǎng)鹽相對較豐富的水體中, 藻體具有更高的逆境耐受能力。

3.3 海帶幼孢子體對波動光的適應(yīng)

本研究中, 我們采用了恒定強光對海帶進行了脅迫處理。雖然我們的研究結(jié)果表明, 200 μE/(m2s)的光照強度已經(jīng)構(gòu)成了海帶幼苗的脅迫光強, 但自然界中光合生物總是處在不斷變化的光照條件下的, 海水表面的飽和太陽光強可以達到2 000 μE/(m2s), 有時甚至更強(Long, 1994)。此外, 海洋因具有規(guī)律且連續(xù)的波浪、棱鏡效應(yīng), 從而產(chǎn)生亮帶或斑塊的水平波(Schubert, 2001), 導(dǎo)致海洋藻類頻繁地暴露在不斷波動的光環(huán)境中。由于海帶藻體在波浪作用下的相互遮擋造成的光強變化, 也導(dǎo)致海帶處在一種光照條件劇烈波動的環(huán)境中。據(jù)報道, 在翻滾培養(yǎng)(tumbled culture)模式下, 50 000 lx可見光及400 μW/cm2紫外光共同作用10～20 s的條件下, 海帶最大熒光得率未表現(xiàn)出明顯下降, 而且在此光照條件下, 對海帶處理50～60 s, 低溫復(fù)蘇24 h后, 其光合作用可以得到完全恢復(fù)(Pang, 2008)。這很好地解釋了為什么不同研究人員測定得到的海區(qū)栽培海帶飽和光強顯著低于海區(qū)實際光照強度, 而海帶仍可以正常生長的原因。即自然栽培的海帶在海浪的作用下, 藻體間通常會出現(xiàn)彼此的遮擋, 從而使得藻體不至于長時間處于脅迫強光照射下, 同時, 也可能因為海帶因具有適應(yīng)這種波動光照條件的能力, 故可正常生長發(fā)育。

海帶之所以能夠適應(yīng)波動光, 是因為其光能捕獲系統(tǒng)由葉綠素/-巖藻黃素-葉綠素蛋白復(fù)合物FCP (fucoxanthin-chlorophyll proteins)構(gòu)成。這種捕光色素系統(tǒng)不僅在弱光條件下能有效捕獲光能, 最大限度地吸收藍光和綠光, 在強光條件下還能耗散多余能量(Wang, 2019)。在此領(lǐng)域研究較多的是具有極高生理“柔性”, 可適應(yīng)復(fù)雜和動態(tài)環(huán)境的海洋硅藻(Kooistra, 2007)。研究證明, 硅藻中FCP復(fù)合物可通過巖藻黃素及其相關(guān)蛋白的相互作用的改變或修飾, 實現(xiàn)向光系統(tǒng)轉(zhuǎn)移多余能量(Tanabe, 2020), 從而發(fā)揮能量耗散的作用, 這種機制在藻類應(yīng)對光脅迫時至關(guān)重要(Derks, 2015; Wang, 2019)。

這種機制可能包括兩個過程, 分別為短期(S/min)的質(zhì)子梯度和光系統(tǒng)活性調(diào)節(jié), 以及長期(h/d)的光合色素和Rubisco等碳代謝酶(Long, 1994)的合成。質(zhì)體MEP途徑中的DXS (一種光誘導(dǎo)的酶, 通過促進類胡蘿卜素合成實現(xiàn)光保護)在劇烈的波動光下增加(Athanasakoglou, 2019), 光照條件的劇烈波動還可能會嚴重刺激這些依賴光的基因表達。本研究中, 我們雖僅使用了恒定強光開展了脅迫實驗, 結(jié)果顯示海帶中β-胡蘿卜素含量除在1 300～1 500 μE/(m2s)強光處理下降低外, 其他條件下均上調(diào), 說明β-胡蘿卜素的合成對海帶響應(yīng)強光脅迫具有重要作用, 而巖藻黃素與葉綠素的合成隨脅迫時間的延長出現(xiàn)明顯的降低, 尤其在實驗?zāi)┢? 說明強光降低了葉綠體中類囊體的數(shù)量, 并對葉綠素及巖藻黃素的合成產(chǎn)生負面影響(Lichtenthale, 1983), 這也暗示藻體狀態(tài)可能受到了較嚴重的影響, 導(dǎo)致各色素含量降低。同時發(fā)現(xiàn), 在脅迫的第3天, 雖然在自然海水培養(yǎng)條件下具有相對較高的色素含量, 但在脅迫實驗的末期, 營養(yǎng)海水中培養(yǎng)的藻體具有更強的強光耐受能力。

3.4 強光脅迫導(dǎo)致的抗氧化酶活性降低影響了海帶幼孢子體光合生理活性

光抑制條件下, PSII的原初電子受體被過度還原(Vass, 1992), 或者PSII的受體側(cè)及供體側(cè)之間的電荷發(fā)生重組而產(chǎn)生活性氧自由基(ROS) (Keren, 1997)。這些ROS如不能被及時清除, 就可能直接攻擊PSII的光化學反應(yīng)中心。研究發(fā)現(xiàn), 在外源H2O2添加或H2O2清除酶被抑制的條件下, PSII的修復(fù)受到了抑制(Nishiyama, 2001)。因此, 葉綠素吸收的過多的光能可能導(dǎo)致PSII光化學反應(yīng)中心失活(Ohnishi, 2005), 而胞間H2O2和1O2的水平的增加可明顯抑制PSII修復(fù), 增加光抑制的程度(Nishiyama, 2001, 2004; Allakhverdiev, 2004)。

逆境中藻體產(chǎn)生的ROS主要通過抗氧化系統(tǒng)被清除, 這包括酶促抗氧化系統(tǒng)和非酶促抗氧化系統(tǒng), 而總抗氧化能力是用來衡量機體抗氧化系統(tǒng)功能狀況的綜合性指標, 反映了機體對外來刺激的代償能力及機體自由基代謝的狀態(tài)。本文結(jié)果顯示, T-AOC在強光脅迫的第3天上調(diào), 而在脅迫第5天時又呈下降趨勢。同時發(fā)現(xiàn), 在營養(yǎng)鹽含量較高的處理組中, 各樣本T-AOC均高于天然海水處理組樣本(圖8), 說明在整個強光脅迫處理過程中, 海帶總抗氧化能力在一定程度上得到了誘導(dǎo), 尤其在營養(yǎng)鹽相對豐富的條件下。然而強光脅迫或?qū)嶒炛信囵B(yǎng)條件的限制, 最終影響了海帶正常生理過程, 導(dǎo)致末期T-AOC下調(diào)。

生物體酶促抗氧化系統(tǒng)包括SOD、POD、CAT及GR等多種抗氧化酶, 其中, SOD存在于所有需氧生物, 通過歧化作用將O2–轉(zhuǎn)化為O2和H2O2, 形成了植物在逆境中清除ROS的第一道防線。本研究結(jié)果顯示, 在強光脅迫6 h的條件下, 藻體內(nèi)SOD活性均受到了抑制, 而在脅迫處理的第3天, SOD比活性的微弱上調(diào)(圖8), 說明海帶細胞內(nèi)SOD在對強光脅迫的適應(yīng)過程中發(fā)揮重要作用, 而脅迫培養(yǎng)的末期, 高營養(yǎng)鹽條件下SOD活性相對較高, 也證明水體營養(yǎng)鹽含量對抗逆機制的維持確實具有一定意義。與酶活測定結(jié)果不同的是, SOD的表達除在1 300～1 500 μE/(m2s)高強光脅迫的第5天外, 其他營養(yǎng)海水培養(yǎng)條件下的表達均上調(diào), 且在脅迫的第3天, SOD表達最為活躍(圖9), 同樣證明海帶在強光脅迫的第3天具有最強的抗氧化響應(yīng)能力。而在處理的第5天, SOD的表達已受到抑制, 受影響程度隨光照強度增加而增加。

梁洲瑞等(2019)報道, 極北海帶幼苗中, SOD和POD可協(xié)同作用清除細胞內(nèi)由高光導(dǎo)致的ROS累積, 對高光逆境發(fā)生積極響應(yīng)。本研究也發(fā)現(xiàn)在天然海水處理組, 各強光處理的第3天, POD活性最高, 而營養(yǎng)鹽含量較高的海水中, POD活性上調(diào)時間出現(xiàn)后移, 因此, POD的活性與藻體的營養(yǎng)狀態(tài)存在較強的關(guān)聯(lián)。從POD基因的表達方面, 也得到類似結(jié)果。因此, 強光脅迫與營養(yǎng)缺乏的疊加, 最終會導(dǎo)致細胞受到越來越嚴重的氧化損傷, POD表達及比活下降。葉綠體中的H2O2主要是通過Halliwell-Asada途徑被清除, 極北海帶幼苗產(chǎn)生的H2O2主要通過抗壞血酸過氧化物酶(APX)和GR進行了清除(梁洲瑞等, 2019)。本研究發(fā)現(xiàn)GR比活性在脅迫處理的第5天, 強度大于700～900 μE/(m2s)的光照條件下, GR活性顯著降低, 因此, 在光照強度大于700～900 μE/(m2s)的條件下, 無論是天然海水還是營養(yǎng)鹽含量較高的海水中, 海帶幼體均受到了較為嚴重的氧化損傷。GR的轉(zhuǎn)錄結(jié)果也顯示, 在脅迫處理的第3天具有相對較強的脅迫響應(yīng)能力, 而在脅迫的第5天藻體表達GR的能力均受到了一定程度的抑制。

在脅迫條件下, 植物細胞中酶促和非酶促過程均會導(dǎo)致ROS產(chǎn)生的增強, 各種形式的ROS在抗氧化酶的作用下最終轉(zhuǎn)化成毒性較小的H2O2而被代謝。細胞內(nèi)H2O2的水平不僅與其清除有關(guān), 而且與其產(chǎn)生密切關(guān)聯(lián)。本實驗起始階段, 強光下H2O2的累積說明藻體可能已經(jīng)受到較為嚴重的損傷, 導(dǎo)致積累的H2O2不能被及時清除。這種累積效應(yīng)在低營養(yǎng)鹽培養(yǎng)的樣本中更為明顯, 因此導(dǎo)致H2O2在強光脅迫的第3天出現(xiàn)明顯的累積。相比較而言, 在高營養(yǎng)鹽處理組中, H2O2的積累在脅迫的第5天發(fā)生, 因此, 高營養(yǎng)鹽培養(yǎng)下的藻體具有更強的抗氧化能力。而此時海水處理組H2O2水平下調(diào), 說明藻體中合成H2O2的代謝可能已經(jīng)受到了抑制。形成的過氧化氫, 即使在低濃度下, 也會通過氧化酶蛋白的巰基來抑制酶的活性(Noctor, 1998)。通過Haber-Weiss反應(yīng), H2O2可以轉(zhuǎn)化為羥自由基而引起脂質(zhì)過氧化, 從而導(dǎo)致細胞膜的氧化損傷(Kehrer, 2000)。本實驗中, 不同強光脅迫下, 營養(yǎng)海水培養(yǎng)組中海帶藻體均具有較高的MDA含量, 但其光合活性及抗氧化能力均高于天然海水處理組, 其原因有待進一步研究。

4 結(jié)論

海帶光合捕光色素蛋白復(fù)合體由葉綠素/-巖藻黃素-葉綠素蛋白復(fù)合物(FCP)構(gòu)成, 這使得其對自然海區(qū)劇烈波動的光照條件具有較高的生理適應(yīng)“柔性”。在弱光條件下, 可以最大限度地吸收藍光和綠光, 而在瞬時強光條件下, 又可對過剩的能量吸收進行有效耗散。然而, 巖藻黃素屬于還原性分子, 容易被氧化失活, 持續(xù)強光照射對海帶捕光色素復(fù)合體可能造成較嚴重傷害。本研究證明海帶幼苗可較長時間耐受700～900 μE/(m2s)的強光脅迫, 而在海區(qū)栽培的現(xiàn)場條件下, 波浪引起的藻體擺動及藻體間相互遮擋等效應(yīng), 可較大幅度地提升藻體可耐受強光的能力。另一方面, 海帶抗氧化酶活性在強光脅迫時上調(diào), 抗氧化酶基因表達上調(diào), β-胡蘿卜素合成增加, 這也是海帶應(yīng)對強光脅迫的重要生理機制之一。同時,海水營養(yǎng)鹽水平對光系統(tǒng)的修復(fù)及抗氧化能力的維持均具有重要意義。因此, 在水流和波浪較大的栽培海區(qū), 海水交換充分, 營養(yǎng)供應(yīng)充足, 海帶接受的光照強度處于劇烈變動狀態(tài), 生長通常較好; 但當栽培海區(qū)長時間水流不暢, 波浪較小, 水質(zhì)太過清澈的時候, 海帶遭受持續(xù)的強光脅迫, 就可能導(dǎo)致其光系統(tǒng)損傷的發(fā)生, 并最終引發(fā)病爛發(fā)生。

致謝 特別感謝福建省國家級學會創(chuàng)新驅(qū)動服務(wù)站(中國海洋湖沼學會-福建一嘉海帶苗業(yè)有限公司)董志安提供實驗用海帶幼苗; 江蘇省啟東市連濤水產(chǎn)養(yǎng)殖專業(yè)合作社李平在山東青島即墨海區(qū)對材料的適應(yīng)性暫養(yǎng)。謹致謝忱。

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EFFECTS OF STRONG LIGHT STRESS ON PHOTOSYNTHESIS AND PHYSIOLOGY OFSEEDLINGS

NIU Jian-Feng1, 2, 6, FENG Ze-Zhong1, 4, SUN Zhen-Jie1, 4, WANG Wei-Wei3, ZHANG Xiao-Wen5, LIANG Guang-Jin3, WANG Li-Jun1, 2, 6, LI Xiao-Jie3, WANG Guang-Ce1, 2, 6

(1. Key Laboratory of Experimental Marine Biology, Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 2. Laboratory for Marine Biology and Biotechnology, Pilot National Laboratory for Marine Science and Technology (Qingdao), Qingdao 266237, China; 3. Provincial Key Laboratory of Algae Genetic Breeding and Cultivation Techniques of Shandong, Shandong Oriental Ocean Sci-tech Co. Ltd., Yantai 264003, China; 4. Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109, China; 5. Key Laboratory of Sustainable Development of Marine Fisheries, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Yellow Sea Fisheries Research Institute, Chinese Academy of Fishery Sciences, Qingdao 266071, China; 6. Center for Ocean Mega-Science, Chinese Academy of Sciences, Qingdao, 266071, China)

is one of the main species of algae cultivated in China, and its cultivation scale and yield rank first in the world. In the production season of 2021～2022, a large-scale disease disaster outbreak occurred in the area of Rongcheng, Shandong, causing huge losses to the local aquatic economy. The causes of the disease may come from many aspects. Among them, the excessive strong solar irradiance and the low nutrient level in the seawater could be accounted. Based on the results of the minimum saturated light intensity of, the concentrations of nitrogen and phosphorus in natural seawater, the effects of different strong light on the physiology ofat different seawater nutrient levels were studied. Results showed that the PSII of seedlings ofcould be well maintained under 700～900 μE/(m2s) for a long time and the relatively high nutrient level of seawater contributed to the repairment of PSII under high light stress conditions. However, under the light condition of 1 300～1 500 μE/(m2s), the recovery of PSII was damaged and the contents of fucoxanthin, chlorophylland β-carotene decreased significantly. Through the whole experiment of light stress, the total antioxidant capacity (T-AOC) and specific activities of antioxidant enzymes of the algae were generally up-regulated from the beginning of treatment to the third day, but decreased on the fifth day of experiment. Moreover, the enzyme activities of the algae incubated with nutrient seawater were higher than those incubated with the natural seawater. The expression of antioxidant enzyme genes also showed a similar trend. In summary, the antioxidant enzyme system was active for several days below 900 μE/(m2s) and the addition of exogenous nutrients could extend the activity maintenance period. This provided some clues to understanding of outbreak of disease disaster in Rongcheng.Key words high light stress; scavenging of reactive oxygen species; repairment of photosystem;seedlings; antioxidant enzymes; fucoxanthin; β-carotene

Q539; Q51

10.11693/hyhz20220500127

*國家重點研發(fā)計劃“藍色糧倉科技創(chuàng)新”重點專項項目, 2018YFD0901500號; 財政部和農(nóng)業(yè)農(nóng)村部: 國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系資助, CARS-50號。牛建峰, E-mail: jf_niu@qdio.ac.cn

李曉捷, 碩士生導(dǎo)師, 研究員, E-mail: yeslxj@sina.com; 王廣策, 博士生導(dǎo)師, 研究員, E-mail: gcwang@qdio.ac.cn

2022-05-11,

2022-07-04