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石莼属绿藻应答环境胁迫的生理特征与机制研究进展

张忠山 王晓梅 刘峰 杨志红 吴湘

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石莼属绿藻应答环境胁迫的生理特征与机制研究进展

    作者简介: 张忠山(1982-), 男, 山东肥城人, 博士, 副教授, 主要研究方向为应用藻类学, E-mail:01959@zjhu.edu.cn;
  • 基金项目: 国家自然科学基金项目(31700307,41876165);浙江省自然科学基金项目(LQ16D060005);中国科学院前沿科学重点研究项目(QYZDB-SSW-DQC023);中国科学院青年创新促进会基金(2015164);海洋赤潮灾害立体监测技术与应用国家海洋局重点实验室开放研究基金(MATHAB201701)
  • 中图分类号: Q945.79

Analysis of physiology and regulation mechanism of Ulva under stress

  • 摘要: 潮间带生理生态是海洋环境中最复杂和重要的领域之一。潮间带海藻在生长、发育、繁殖的过程中经常不可避免要遭受干出、温度、盐碱、辐射等不良生态环境因子的影响和胁迫,对于生长在潮间带的石莼属绿藻来说尤其严重。本文综述了近十年来重要石莼属种类在高温、干出、光照、营养盐与重金属等非生物胁迫因子影响下的生理特征及其抗逆机制等方面的主要研究进展,并提出和讨论了有关该领域有待进一步探讨的问题。
  • 图 1  石莼应答逆境胁迫的调控机制

    Figure 1.  Regulation Mechanism of Ulva under Stress

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出版历程
  • 收稿日期:  2018-09-27
  • 录用日期:  2019-01-22
  • 刊出日期:  2020-06-01

石莼属绿藻应答环境胁迫的生理特征与机制研究进展

    作者简介:张忠山(1982-), 男, 山东肥城人, 博士, 副教授, 主要研究方向为应用藻类学, E-mail:01959@zjhu.edu.cn
  • 1. 浙江省省媒介生物学与病原控制重点实验室, 湖州师范学院生命科学学院, 浙江 湖州 313000
  • 2. 中国科学院海洋研究所实验海洋生物学重点实验室, 山东 青岛 266071
  • 3. 青岛海洋科学与技术试点国家实验室海洋生物学与生物技术功能实验室, 山东 青岛 266237
基金项目: 国家自然科学基金项目(31700307,41876165);浙江省自然科学基金项目(LQ16D060005);中国科学院前沿科学重点研究项目(QYZDB-SSW-DQC023);中国科学院青年创新促进会基金(2015164);海洋赤潮灾害立体监测技术与应用国家海洋局重点实验室开放研究基金(MATHAB201701)

摘要: 潮间带生理生态是海洋环境中最复杂和重要的领域之一。潮间带海藻在生长、发育、繁殖的过程中经常不可避免要遭受干出、温度、盐碱、辐射等不良生态环境因子的影响和胁迫,对于生长在潮间带的石莼属绿藻来说尤其严重。本文综述了近十年来重要石莼属种类在高温、干出、光照、营养盐与重金属等非生物胁迫因子影响下的生理特征及其抗逆机制等方面的主要研究进展,并提出和讨论了有关该领域有待进一步探讨的问题。

English Abstract

  • 石莼属(Ulva)是绿藻门(Chlorophyta)石莼科(Ulvaceae)下的1个重要的属,全球约30余种,常见种类有孔石莼(U.pertusa)、石莼(U.lactuca)裂片石莼(U.fasciata)以及浒苔(U.prolifera)、缘管浒苔(U.linza)、条浒苔(U.clathrate)等[1]。主要生长在高潮带至低潮带和大干潮线附近岩石上或石沼中。鲜藻富含蛋白质、碳水化合物、维生素、粗纤维、矿物质等,可食用或做清凉饮料[2],老藻体还可作家畜或家禽的配合饲料等[3],另外还有净化水质的作用[4]。由于石莼主要生长在潮间带,所需环境条件简单,是潮间带藻床的主要贡献者,环境因子的变化对其生长代谢、光合作用和生化特征等产生了重要影响。

    藻类的逆境生理学一直是海洋生态环境的主要组成部分,研究大型重要藻类的逆境生理学对于探索藻类的适宜生长条件和内在调控机理具有重要意义,同时也为培育不同抗逆品种提供理论基础。浒苔是近年来中国沿海绿潮泛滥成灾的主要藻类,研究其抗逆生理学将为摸清其生长特点是非常有必要的。因此本文就主要的几种大型石莼属绿藻在不同环境因子胁迫下的生理生化特征变化及其可能的调控机制进行了综述,以期为近海海域环境的治理提供科学依据。

    • 光是藻类赖以生存的能量来源,是关乎藻类生长发育的重要影响因子。因此光照是研究藻类逆境生理的首要关注点,可分为可见光和紫外线的影响。

      光照对藻类的代谢物质的合成与积累具有重要影响。王巧晗等[5]发现孔石莼在光照强度为12500 lx时有最大的生物量积累,同时不同光照强度对孔石莼的叶绿素、可溶性糖和游离脯氨酸的含量具有明显的影响(P<0.05)。比如浒苔幼苗在高光高CO2处理下的可溶性蛋白含量最低[6]

      光合作用是光照的直接影响结果。研究发现浒苔孢子/配子萌发的适宜光照强度120 μmol/(m2·s)[7],其孢子附着率也是随光照变化而变化,较适附着光照强度2000~4000 lx[8]。而缘管浒苔叶状体则在72 μmol/(m2·s)的光照强度和25 ℃时光系统Ⅱ (photosystem Ⅱ, PSⅡ)各相关指标值最高,以此点做为该藻的光不饱和和光抑制的临界点[9]。合适范围内的光照强度下,随着光照强度增加,浒苔的生长速率均明显增强[10]。并且其叶绿素a/b含量与光照强度呈负相关。一旦超过某一强度,生长速率开始下降[11]

      不同光照条件对大型海藻营养盐吸收有显著影响。研究发现如果光照强度合适,海藻可以达到吸收营养盐的最适状态[12]。例如,有实验发现,如果光照持续增加,石莼对硝氮最大吸收速率也会增加到饱和状态[13]。而低光照条件硝酸还原酶活性下降,硝氮的吸收受到影响,组织只能以硝氮的形式进行储存。但是也有研究发现光照强度对浒苔碳氮比和碳氮含量影响不明显[11]

      紫外线对海洋生物尤其潮间带藻类的影响日益严峻,给藻类生长发育带来重要影响。研究发现,紫外辐射对浒苔生长有较强的抑制作用,2.3~4.7 KJ/m2剂量下浒苔藻体损伤严重,形体变散[14]。在较强太阳辐射下,石莼光化学效率急剧下降,在下午光强变弱时开始恢复,显示了一个明显的日变化模式。在紫外线胁迫下,孔石莼藻体的自由基离子比如超氧阴离子含量明显上升。并且H2O2含量以及丙二醛(MDA)的含量也出现明显增加,产生氧化胁迫。同时抗氧化酶体系中的超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)、过氧化氢酶(catalase,CAT)、过氧化物酶染色(peroxidase stain, POX)酶活性应激反应较为迅速;抗坏血酸过氧化物酶(ascorbate peroxidase,APX)活性始终保持较稳定水平;谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase,GPX)、谷胱甘肽还原酶(glutathione reductase,GR)酶应激表达启动稍晚。认为孔石莼可以通过提高酶促过氧化体系活性来应答UV-B导致的氧化胁迫,并且酶活性变化体现出剂量和时间效应[15]。从缘管浒苔中获得了四个编码光捕获蛋白家族的lhc-like编码基因,发现强光照射3 h后,几种基因表达量达到峰值,尤其是类胡萝卜素合成相关基因(Cbrx)表达尤其显著,认为该基因可能对缘管浒苔应答高光胁迫起到主要作用[16-17]

      大型海藻在CO2的回收利用方面具有巨大的潜力,因此研究大气CO2浓度升高对大型海藻的影响具有重要意义。付晚涛等发现高浓度CO2对孔石莼生长无显著影响(P>0.05),但降低了藻体中叶绿素a和类胡萝卜素的含量[18]。在高浓度CO2条件下,石莼的光合能力下降和一些光合参数均出现下降。但是石莼的pH补偿点没有明显改变,与以往研究中发现藻体在高浓度CO2下消耗较多能量HCO3-的利用受到抑制不一致,这说明石莼并没有丧失HCO3-利用的潜在能力。由CO2驱动带来的海洋酸化能显著提高缘管浒苔的生长速率,其呼吸作用和硝酸还原酶能力显著增加,同时海洋酸化下缘管浒苔能很好的适应温度骤变[19]

    • 同高等植物一样,在大型海藻生长所需要的元素中,需求量最多的前两位分别是氮和磷[20]。因此从氮、磷、碳、盐等四部分阐述石莼属的抗逆生理。

      各种无机态氮的浓度对大型海藻的生理能产生很大影响。张乃星等发现富营养化条件下孔石莼的无机碳利用机制是影响水体无机碳体系变化的重要因素。当无机氮浓度促进孔石莼的光合作用时,水体中溶解无机碳(dissolved inorganic carbon,DIC)浓度下降,孔石莼干重增加。反之,当营养盐过量时,则会对其产生毒性作用,抑制其对无机碳的吸收[21]。氨态氮(NH4-N)是水体中能被藻类直接吸收利用的无机氮。如有14NH4-N和15NH4-N同时存在时,孔石莼优先吸收14NH4-N,产生同位素分馏效应。同时,孔石莼新生组织的固碳能力高于老化的组织,出现对12C的竞争[22]。对于硝态氮的研究,发现孔石莼在高硝酸盐浓度(30 mg/L)下对硝酸盐的平均去除率均显著高于低硝酸盐浓度(10 mg/L)条件,并且此趋势还表现在藻体所含有的粗蛋白和粗脂肪含量也是显著高[23]。在水体富营养条件下,与磷相比,几种浒苔对氮的吸收更明显,其藻体的生长、光合色素和光合作用变化最大[24-26]。浒苔和条浒苔吸收NH4-N以被动扩散的方式为主,随着群体密度和时间的增加,两者吸收NH4-N的速率也逐渐增加[27]

      环境因子对海藻对氮的吸收影响明显。研究发现孔石莼吸收氨氮的最适温度20 ℃~30 ℃,其中25 ℃是最佳温度;但是光照影响作用较小,如果光照强度> 5000 lx时,对氨氮的吸收保持稳定不再增加;并且养殖水体的pH也有所影响,发现孔石莼对氨氮的吸收最佳pH范围是8.0~8.3[27]。高浓度营养盐能使石莼保持高的生长速率,当增加培养液中的营养盐浓度时,藻体中的类胡萝卜素含量迅速增加,可溶性蛋白质和叶绿素a含量则是先增加后下降。可溶性碳水化合物含量则表现出相反趋势[28]。UV-B辐射对孔石莼成体和幼苗生化指标的影响略有不同。UV-B辐射可以损伤光合系统Ⅱ,导致与氨基酸合成有直接关系的氮元素供应减少,从而孔石莼成体对NO3-N的吸收受到抑制[29]

      磷元素对大型海藻光合磷酸化过程产生影响,从而刺激藻体的生长,通常以磷酸盐的形式存在。研究发现培养孔石莼一段时间后,培养槽中磷酸盐浓度快速减少,但是持续一段时间后下降趋势变缓。PO4-P与铵态氮和硝态氮交互作用均能影响孔石莼对磷的吸收[23]。基于孔石莼对氮磷强的吸收能力,目前将其应用在鱼虾养殖中,起到一定净化能力。孙琼花等研究发现孔石莼对不同浓度养殖废水都具有明显的氮磷营养盐清除效果,对各类形态的氮磷移除率均可达到95%以上,而孔石莼本身则生长良好,状态甚佳[30]

      藻类能够耐受广泛的盐度。在一定盐度范围内,孔石莼短时间内能够耐受一定的盐度。经0.75倍到3倍盐度的海水胁迫2.5 h,再回到正常海水中能够恢复正常。藻体内可溶性糖含量和脯氨酸含量在0.5到2倍盐度范围内随盐度增加而增加[31]。缘管浒苔比浒苔对盐度的适应能力较差,两者的渗透调节能力(osmotic adjustment ability,OAA)分别在100%和50%海水处理下表现出最大值。另外相对电导率、叶绿素含量和荧光参数、SOD酶活性及可溶性蛋白含量等均可以作为浒苔类绿藻高盐适应能力的指标[32-33]。高盐胁迫下,浒苔的PSI驱动的电子传递链起到重要作用,其随着盐度增强而增强,同时与磷酸戊糖途径有密切关系[34]

      植物生长调节物质对于促进石莼生长具有一定作用。在浒苔培养液中加入低浓度2, 4-表油菜素内酯(EBR)或水杨酸,藻体相对电子传递速率、可溶性糖、蛋白质以及超氧化物歧化酶、植物过氧化物酶等均有促进作用,但是高浓度激素刺激下,藻体出现生长抑制[35-36]

    • 重金属和有机污染物对大型海藻的毒害作用主要表现在对大型海藻的生长、发育和生理生化功能两个方面的影响,具体表现在藻体生长、代谢物质合成、光合作用和营养盐的吸收等方面。

      藻体生长是大型海藻对重金属胁迫最敏感的指标。孔石莼对铅、铜和镉的积累量随着水相中的游离态浓度的增加而增加,铅和镉饱和结合量分别为:0.715 mg/g干重,Cd2+为0.037 mg/g干重。孔石莼能有效的吸收潜在的重金属,吸收过程符合Langmuir等温方程[37]。几种浒苔也对铅、铜、铝和镉具有较强的富集作用[38-39]

      重金属还能影响石莼吸收氮磷等营养盐。Pb(Ⅱ)、Zn(Ⅱ)对孔石莼吸收总氨氮初期阶段(0~1 h)的胁迫作用显著,抑制率达40%~70%;高浓度(1 mg/L)的Pb(Ⅱ)、Zn(Ⅱ)对孔石莼吸收总氨氮的胁迫作用大于低浓度(0.5 mg/L);Zn(Ⅱ)对孔石莼吸收总氨氮的抑制作用强于Pb(Ⅱ) [40]。较低浓度的Cu(Ⅱ)和Zn(Ⅱ)能促进浒苔对硝酸盐的吸收,但是当升高到一定浓度,则出现了抑制吸收硝酸盐的作用,认为两种重金属可能对春秋季浒苔绿潮爆发的发展起到间接的影响作用[41-42]

      有机污染物具有环境持久性、生物累积性、长距离迁移能力以及高毒性,是人类释放到海洋环境中的最危险的高毒污染物质。通过在孔石莼养殖海水中添加菲和芘两种多环芳烃类处理96 h,加入芳烃剂量越大,其抑制藻体生长效果越明显,尤其表现在叶绿素含量下降明显。两种有机物对孔石莼的毒性作用在酶(SOD和MDA)水平和分子水平(Mnsod和CAT)都产生相应的氧化胁迫反应[43]。对孔石莼进行不同浓度的得克隆(DP,一种人工合成的氯代添加型阻燃剂)暴露和清除实验,发现在105 ng/L浓度暴露下,孔石莼幼体和成体都选择性富集anti-DP。对两种异构体选择性富集的动力学参数也不同[44]。孔石莼可以在三种石油烃(航舶燃油、沙特阿拉伯轻质原油和船用润滑油)较低浓度下存活,一旦升高到一定浓度时,藻体生长即受到严重抑制,3 d内无成活。同前人研究类似,光合作用和呼吸作用均遭受抑制,下降趋势明显,叶绿素含量则呈波浪式,但总体趋势下降[45]

    • 诸多环境胁迫中,干出胁迫对海藻的生长发育以及代谢繁殖等生理影响最为复杂和多变,因为遭受低潮干出过程中的海藻除了要忍受干出时藻体自身水分的流失外,同时还受到了光照强度、温度、盐度和值等环境因子改变的综合影响。

      干出失水首先对光合作用和呼吸作用产生影响。研究发现,石莼类和浒苔类干出时间越长,光合速率下降越明显,而呼吸速率则具有一定的促进作用。如果干出时间较短,藻体生长会有促进作用,比如特定生长率(specific growth rate, SGR)和叶绿素a含量均有所增加,但是随着干出时间增长,前述指标出现下降,同时其他指标叶绿素b和可溶性糖含量增加;通过上述推论,采用叶绿素a/b比值变化可以衡量干出胁迫的临界点[46]。其他渗透因子比如丙二醛含量缓慢升高,脯氨酸和过氧化物酶活性则显著增加[47]。浒苔抗干出和高渗能力极强,其在极端失水条件下,PSI活性仍非常高,由此驱动的环式电子传递仍起到主导作用,并且复水后会迅速恢复电子传递,推测还原型辅酶Ⅱ (nicotinamide adenine dinucleotide phosphate, NADPH)在抗干出失水和复水中起到重要作用[48-49]。同时有学者还发现了浒苔在随着失水胁迫条件加剧时,两个光保护必须的蛋白含量增加,认为这两种蛋白在抗失水中作用不可忽视[50-51]

      温度对藻类的生长发育和种群密度等的影响非常显著。如果温度适度变化,将对促进藻类的光合速率具有重要意义[52],同时还能对藻体的化学成分比如蛋白质和二十碳五烯酸等产物的合成影响很大[53]。与相应的恒温相比,变温对孔石莼的生长有促进作用,且随变温持续时间发生变化。研究发现,如果升高温度超过孔石莼最适温度25 ℃,藻体的叶绿素ab含量会减少,而可溶性糖则出现降低的趋势[54]。变温虽然对孔石莼的生长有不同程度的促进作用,但不利于其叶绿素ab合成及可溶性糖积累和蛋白质合成。这可能是藻类为适应环境因子变化而做出的积极生理调节。潘光华发现孔石莼在温度相对较低的10 ℃和20 ℃下光合活性较强,而在较高的30 ℃下,光合作用受到抑制[55]

      随着近年来浒苔绿潮的爆发泛滥,专家们逐渐认识到浒苔生长爆发的基本规律,其中温度是一个重要的影响因素。浒苔对温度的适应性较强。一般认为,浒苔孢子/配子萌发的适宜温度范围15 ℃~25 ℃[9],但也有学者发现32 ℃温度下浒苔的湿重最大[56]。温度对浒苔利用无机碳的能力影响较大,且浒苔比缘管浒苔的温度依赖性较小,在30 ℃高温下仍能表现出较少的最大光合能力,同时发现碳酸酐酶在此浒苔高温生长过程中起到重要作用[57]。温度大幅度上升能显著刺激浒苔的孢子释放,尤其在28 ℃也可以集中释放8 h,这也是浒苔高温爆发非常有利的因素[58]。在适应高温胁迫机制方面,范美华等克隆了浒苔锰超氧化物歧化酶和过氧化氢酶,发现35 ℃高温下,上述两种酶基因表达非常显著,两者可以作为浒苔对高温胁迫的响应的监测指标[59]

    • 石莼对逆境的应答调控主要包括应答逆境胁迫的分子调控、蛋白组学和转录组学机制。前两者同时受到相应的基因调控,也是基因转录调控的外在表现形式(图 1)。在非生物逆境条件下,石莼为了调节细胞内离子平衡,细胞质会积累一些组分作为合适的溶质。这些溶质包括:蛋白质、糖类、脂类、氨基酸、多元醇以及其他抗氧化物质、酶等。前面这些分子物质的调控在前面几部分已经详述,不再赘述。

      图  1  石莼应答逆境胁迫的调控机制

      Figure 1.  Regulation Mechanism of Ulva under Stress

      目前在石莼属中,对浒苔的逆境胁迫转录组调控机制研究较多,也取得了一些进展。采用高通量测序的方法,将测序得到浒苔的scaffold-genes功能进行注释和分类,发现可能参与的代谢种类有7种,包括参与C3、C4循环以及二氧化碳浓缩机制(CO2-concentrating mechanism, CCM)相关的基因表达,发现了脯氨酸、海藻糖合成的关键酶,渗透压调节蛋白以及抵抗高光胁迫的高光诱导蛋白和抗氧化系统与非生物胁迫表达相关的基因[60]

      浒苔高光胁迫转录调控研究比较多。在光保护中LhcSR不同于PsbS的关键作用,为LhcSR蛋白功能的研究提供了新的方向。通过转录组学方法对实验结果进行了验证,并且发现钙离子相关代谢通路在FR信号转导中起到重要作用[61-62]。在转录组数据中发现远红光受体基因的存在,并据此构建了相对完整的远红光信号通路。同时在高盐胁迫下,上述蛋白也存在上调,说明浒苔进化出多种非光化学淬灭(non-photochemical quenching, NPQ)机制共同帮助浒苔抵抗胁迫,适应潮间带的环境。通过实时荧光定量PCR法对浒苔中C3途径和C4途径关键酶基因rbcLPPDK的研究发现,在浒苔受到一些非生物胁迫时rbc LPPDK基因表达量都会升高,但是PPDK基因表达量升高的幅度更大[63]。在高光胁迫条件下,伴随高水平的NPQElipL1,ElipL2,CbrXOHP蛋白表达量基本与基因表达趋势相符。这些结果表明这些蛋白可能通过参与荧光猝灭降低过剩光能来起到光保护的作用。而且Cbrx在干出和强光条件下表达量相比较其他三个基因更大,推测 Cbrx在缘管浒苔中可能起到主要的光保护作用[64]

      热休克蛋白(HSP)是目前藻类逆境胁迫中研究较多的一类保守蛋白。在25 ℃处理条件下,浒苔hsp70 mRNA表达量最低。在不同盐度(0~56)处理中,低盐(0)和高盐(56)都引起hsp70 mRNA的大量表达。在紫外照射(0~4 h)条件下,浒苔hsp70 mRNA表达量在2.5 h达到最高[65]。说明了hsp70在浒苔应答逆境胁迫中起着重要作用。

    • 近年来,专家学者在石莼属绿藻高值化利用方面做了大量工作,在医药、食品、饲料、肥料、环境、能源、化妆品等方面成果显著。同时石莼抗逆境生理的研究也已达到一定的深度,国内外许多学者从细胞水平和生理生化水平等不同层面对石莼抗逆机制进行了探究,但抗逆仍是一个极其复杂的生理生化过程,石莼的抗逆基因研究仍是处在初级阶段,很多与逆境相关的基因结构与功能不清楚。石莼在潮间带常受到多种环境因子的胁迫,它们的发生还有时间上的先后性和同时性,因此由于多因素导致的表观遗传改变还需深入探讨,比如石莼在逆境胁迫下DNA甲基化水平的变化模式还知之甚少。逆境生理学的重要意义是抗逆育种,但是与海带和紫菜等经济海藻相比,石莼抗逆育种还有一定的差距。下一步,随着石莼经济药用价值的开发,通过抗逆生理与机制的理论研究开展抗逆育种也将是重要的研究方向。

      国内外学者应在其他藻类抗逆机制的成果基础上,加大对石莼基因组的解析和抗逆基因的发掘。另外,由于近年来沿海浒苔连续爆发,给我国海洋生态环境带来极大压力。虽然海水富营养化是浒苔爆发的关键因素,但是浒苔爆发是多因素综合产生的结果,对其抗逆生理研究需综合考虑多条件因子,既要考虑社会和人类因素,还要考虑浒苔本身的生理特征。除了非生物胁迫方面的研究外,石莼生物胁迫的研究也有少许报道,也有浒苔生物抑藻剂应用的报道,但是此方面仍需加强研究,为浒苔爆发形成绿潮的解析和治理提供理论基础。总之学者们需加强石莼类绿藻的环境应答机制的全面研究,清晰阐释石莼环境胁迫生理生化响应规律,为石莼应用开发和绿潮的防控治理打下基础。

参考文献 (65)

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