微量元素錳對底棲甲藻熱帶庫里亞藻(Coolia tropicalis)生長及葉綠素?zé)晒馓匦缘挠绊?/h1>
2020-05-25 04:51:32劉莎莎陳亨黃凱旋呂頌輝張亮謝學(xué)東
熱帶海洋學(xué)報(bào) 2020年3期
劉莎莎, 陳亨, 黃凱旋, 呂頌輝, 張亮, 謝學(xué)東
海洋生物學(xué)
微量元素錳對底棲甲藻熱帶庫里亞藻()生長及葉綠素?zé)晒馓匦缘挠绊?/p>
劉莎莎1, 2, 陳亨1, 2, 黃凱旋1, 2, 呂頌輝1, 2, 張亮3, 謝學(xué)東3
1. 暨南大學(xué)赤潮與海洋生物學(xué)研究中心, 廣東 廣州 510632; 2. 水體富營養(yǎng)化與藻華防治廣東省普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣東 廣州 510632;3. 廣東省環(huán)境監(jiān)測中心, 廣東 廣州 510632
以熱帶庫里亞藻()為研究對象, 在不同錳濃度(0、1、5、10、50μmol·L–1)的人工海水培養(yǎng)15d, 利用葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)技術(shù)研究了其生長和光合作用對不同錳環(huán)境的響應(yīng)。結(jié)果表明: 1)比生長速率()和最大相對電子傳遞速率(rETRmax)與錳濃度均呈指數(shù)關(guān)系且對錳脅迫具有相同程度的響應(yīng); 2)錳濃度至少大于1μmol·L–1才能維持熱帶庫里亞藻正常的光合作用活性, 當(dāng)錳濃度低于該濃度時(shí), 光合作用活性(vm)在6d后開始下降, 而單位反應(yīng)中心吸收光能(ABS/RC)和熱能耗散(DI0/RC)升高; 兩個(gè)反應(yīng)中心之間的電子傳遞(E0)及生長并未受影響, 表明此階段錳缺乏只影響活性光反應(yīng)中心數(shù)量并提高熱耗散途徑; 當(dāng)錳缺乏延長至15d時(shí), 脅迫作用顯現(xiàn)(0上升)并且電子傳遞(E0)和生長受到抑制, 這階段錳缺乏使光反應(yīng)中心關(guān)閉且電子傳遞受阻; 3)錳缺乏的修復(fù)損傷比(/)并未降低, 表明錳缺乏并未影響熱帶庫里亞藻的光保護(hù)能力。
錳; 熱帶庫里亞藻; 底棲甲藻; 葉綠素?zé)晒? OJIP曲線
早在20世紀(jì)30年代, 錳就被證明是浮游植物生長所必須的元素(Hopkins, 1930)。20世紀(jì)50年代, Kessler(1955)進(jìn)一步指出在無錳條件下生長的綠藻缺乏放氧能力。后續(xù)的研究發(fā)現(xiàn), 光合放氧是由光系統(tǒng)Ⅱ (photosystem Ⅱ, PSⅡ)中的放氧復(fù)合體(oxygen-evolving complex, OEC)催化完成, 其核心部分是由4個(gè)錳原子組成的錳簇(Ferreira et al, 2004), 可以在一些輔助因子的協(xié)助下, 將水分子裂解成氧氣和氫離子, 并給P680提供電子。錳缺乏會導(dǎo)致細(xì)胞分裂減慢、類囊體結(jié)構(gòu)破壞、葉綠素的積累減少, 造成光系統(tǒng)功能缺陷(Allen et al, 2007; Hsieh et al, 2013; Schmidt et al, 2016 ); 一些研究還發(fā)現(xiàn), 赤潮發(fā)生時(shí)褐囊藻中Mn含量是水體中871倍, 直至赤潮消亡水體中Mn的質(zhì)量濃度才緩緩回升(楊秀環(huán)等, 2000), 其他研究也表明赤潮發(fā)生時(shí), 水體中錳含量增幅較大(梁舜華等, 1993; 沈竑等, 1995)。
葉綠素?zé)晒庥?984年被發(fā)現(xiàn), 作為一種利用植物體內(nèi)葉綠素作為天然探針, 快速、靈敏、準(zhǔn)確、無損害的監(jiān)測植物和藻類光合作用性能并分析其保護(hù)反應(yīng)的技術(shù), 其在對植物、藻類等的逆境生理研究中得到了廣泛應(yīng)用(Kumar et al, 2014; Kalaji et al, 2016;D?browski et al, 2016; Li et al, 2019)。近年來, 葉綠素a熒光誘導(dǎo)動(dòng)力學(xué)OJIP分析技術(shù)已經(jīng)成為光合研究領(lǐng)域一個(gè)普遍采用的工具(Strasser et al, 2004)。該技術(shù)已被應(yīng)用于錳對光合作用影響的研究中, 主要集中于高等植物, 在硅藻及浮游甲藻中也有所涉及(Strasser et al, 2000; 曹春暉等, 2010; 王木蘭等, 2018), 但極少應(yīng)用于錳對底棲甲藻光合生理的影響研究中。
底棲甲藻(benthic dinoflagellate)是一類生境復(fù)雜、生長位置相對固定, 多附著于大型藻類、海草、珊瑚、污泥、巖石等熱帶和亞熱帶淺層海洋生物和沉積物表面的甲藻生態(tài)類群, 多數(shù)具毒性或潛在毒性。它們在破壞海洋環(huán)境的同時(shí), 也對水產(chǎn)品食用安全產(chǎn)生了嚴(yán)重威脅, 使海洋漁業(yè)遭受損失。近年來, 我國海域赤潮優(yōu)勢種出現(xiàn)由硅藻向甲藻演替的現(xiàn)象(郭皓等, 2015)。作為甲藻生態(tài)類群的重要組成部分, 底棲甲藻的研究日益引起人們重視, 已經(jīng)成為國際有害藻華研究的重要領(lǐng)域之一。熱帶庫里亞藻在我國南海近海均有分布, 已有實(shí)驗(yàn)證明庫里亞藻產(chǎn)生的毒素對小鼠有毒害作用(梁計(jì)林等, 2011; Leung et al, 2017; Larsson et al, 2019)。由于室內(nèi)培養(yǎng)較為困難, 目前國內(nèi)對該藻的研究較少, 本研究選用采自海南島近海的底棲甲藻熱帶庫里亞藻()為研究對象, 通過短期高光損傷和修復(fù)實(shí)驗(yàn)以及15d的長期培養(yǎng), 利用葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力學(xué)技術(shù), 分析不同濃度錳對該藻種生長和光合作用的影響, 以期為錳在底棲甲藻中的影響研究提供基礎(chǔ)研究數(shù)據(jù)。
1 材料與方法
1.1 實(shí)驗(yàn)材料
實(shí)驗(yàn)所用藻種熱帶庫里亞藻分離自海南省瓊海市青葛灣培養(yǎng)于f/2培養(yǎng)基(Guillard et al, 1962)加富的天然海水中, 保存于暨南大學(xué)赤潮與海洋生物學(xué)研究中心恒溫培養(yǎng)室。培養(yǎng)溫度25℃(±1℃), 培養(yǎng)光強(qiáng)100μmol photons·m–2·s–1, 光暗周期為12h︰12h, 光照強(qiáng)度由照度儀(QSI2100, Biospherical Instrument Inc., USA)測定。
供試試劑為氯化錳(MnCl2·4H2O, 生工 A500331)溶液, 用超純水配置, 保存于4℃冰箱備用。
1.2 實(shí)驗(yàn)方法
將生長在天然海水中處于指數(shù)生長期的細(xì)胞離心(4000r·min–1)收集后, 重懸于缺乏錳元素的f/2微量元素加富的人工海水(Hutner et al, 1950)中, 反復(fù)三次后分裝于石英管中(內(nèi)徑70mm, 高度200mm), 每管200mL, 以分批培養(yǎng)方式, 參考硅藻威氏海鏈藻(王木蘭等, 2018)、浮游甲藻米氏凱輪藻(曹春暉等, 2010)等對錳的響應(yīng)研究中的濃度設(shè)計(jì), 隨即添加不同濃度的錳溶液使藻液中錳終濃度分別為: 0、1、5、10、50μmol·L–1, 每組設(shè)置三個(gè)平行樣, 置于上述恒溫培養(yǎng)室中培養(yǎng), 整個(gè)實(shí)驗(yàn)周期為15d, 每3d定時(shí)取樣, 進(jìn)行細(xì)胞密度、葉綠素?zé)晒飧黜?xiàng)參數(shù)的測定, 并于第15天取樣進(jìn)行快速光響應(yīng)曲線(rapid light curves, RLCs)以及高光下?lián)p傷和修復(fù)的測定。
1.3 測定方法
1.3.1 生長測定
藻細(xì)胞密度采用血球計(jì)數(shù)法。細(xì)胞比生長速率計(jì)算公式為:
式中:為時(shí)刻的細(xì)胞比生長速率;1和2分別表示1和2時(shí)刻的藻細(xì)胞密度。
1.3.2 葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測定
OJIP熒光曲線使用掌上水體葉綠素?zé)晒鈨x(AquaPen-C 100, PSI 公司, 捷克)進(jìn)行測定, 樣品黑暗15min后選取儀器OJIP模塊進(jìn)行測定, 儀器設(shè)置飽和光強(qiáng)為3000μmol photons·m–2?s–1, 每個(gè)樣品測定時(shí)間為1秒, 數(shù)據(jù)由軟件FluorPen導(dǎo)出。OJIP各項(xiàng)參數(shù)計(jì)算參考Strasser等(2000)的方法, 相關(guān)參數(shù)詳見表1。
表1 JIP-測定的相關(guān)參數(shù)
RLCs曲線使用Phyto-PAM (Walz, Germany)進(jìn)行測定。設(shè)置1、8、16、32、64、164、264、364、464、864、1264、1664、2064μmol photons·m–2?s–1共13個(gè)光化光梯度, 每個(gè)光化光照射30s, 由獲得的有效光化學(xué)效率[v′m′=(m′′)/m′]值, 根據(jù)公式(2)計(jì)算相對電子傳遞速率(relative electron transport rate, rETR)。
式中PAR (photosynthetically active radiation)為光化光強(qiáng)度。根據(jù)Platt等(1980)提出的公式(3)進(jìn)行擬合:
式中s是與最大相對電子傳遞速率(maximal relative electron transport rate, rETRmax)相關(guān)系數(shù);為光利用率,為光抑制率。當(dāng)=0時(shí), rETRmax=s; 當(dāng)>0時(shí),s>rETRmax則rETRmax根據(jù)公式(4)得出。
k為半飽和光強(qiáng), 由公式(5)得出。
非光化學(xué)淬滅(non-photochemical quench, NPQ)由公式(6)計(jì)算得出。
式中m為暗適應(yīng)下所得最大熒光,m′為每個(gè)光化光照射下的最大熒光。
1.3.3 損傷和修復(fù)的測定
將各濃度處理下的熱帶庫里亞藻分別暴露于1000μmol photons·m–2·s–1強(qiáng)光下60min, 每隔6~12min檢測v′m′, 隨后進(jìn)行6h弱光(15μmol photons·m–2·s–1)修復(fù), 每隔30~120min檢測v′m′的恢復(fù)情況(Guan et al, 2017)。損傷與修復(fù)速率根據(jù)公式(7)擬合得出(Lesser et al, 1994)。
式中為損傷時(shí)間;為修復(fù)速率;為損傷速率。
1.4 統(tǒng)計(jì)分析
2 結(jié)果與分析
2.1 不同濃度錳對熱帶庫里亞藻生長的影響
當(dāng)錳離子濃度低于5μmol·L–1時(shí),v′m′被顯著抑制(<0.05); 而當(dāng)錳離子濃度高于或等于5μmol·L–1時(shí),v′/m′無明顯的差異(>0.05), 表明錳離子濃度至少要大于1μmol·L–1才能維持熱帶庫里亞藻正常光合作用活性(圖1b)。當(dāng)錳濃度為0和1μmol·L–1時(shí), 0~6d的v′/m′出現(xiàn)了先降低后上升的趨勢, 但這期間并未影響細(xì)胞密度(>0.05); 6天之后的v′/m′快速下降, 與此同時(shí), 細(xì)胞密度顯著低于其他錳濃度組別(≥5μmol·L–1)。這表明熱帶庫里亞藻可能含有錳離子的儲藏庫, 在光合作用活性受抑制環(huán)境下仍能維持6天正常的比生長率。
選取細(xì)胞密度出現(xiàn)顯著性差異的第9天計(jì)算比生長率, 發(fā)現(xiàn)熱帶庫里亞藻的比生長率與錳離子濃度符合方程=0.15233–0.01838e–0.17616x,2=0.99(圖2)。錳濃度低于10μmol·L–1的顯著低于較高錳濃度組(≥10μmol·L–1)(<0.05), 被視為錳限制環(huán)境。
圖1 不同濃度錳處理下熱帶庫里亞藻細(xì)胞密度(a)及有效光化學(xué)效率變化(b)
圖2 不同濃度錳處理下熱帶庫里亞藻比生長率(μ)
2.2 錳濃度對熱帶庫里亞藻快速光響應(yīng)曲線(RLCs)的影響
由熱帶庫里亞藻的快速光響應(yīng)曲線(圖3)可以看出, 錳濃度小于5μmol·L–1的rETR在光化光高于8μmol photons·m–2·s–1時(shí)也顯著低于高錳處理組(≥5μmol·L–1)(<0.05)。與此同時(shí), 低錳濃度(<5μmol·L–1)的NPQ顯著高于高錳處理組(≥5μmol·L–1) (< 0.05)。反映細(xì)胞的光能利用效率, 其與錳濃度的關(guān)系可表示為=0.22–0.08e–0.63x,2=0.94。錳濃度低于5μmol·L–1條件限制細(xì)胞對光能的利用(圖4c)。rETRmax與錳濃度符合方程=287.78–162.96e–29478x,2=0.96, 代表最大電子傳遞能力, 低錳條件(<5μmol·L–1)下較低的rETRmax表明光能利用的受限進(jìn)一步限制了電子傳遞能力(圖4a)。k表示細(xì)胞忍受強(qiáng)光的能力, 與錳濃度的關(guān)系可由=1571.16–643.41e–0.07x,2=0.97表示, 其值隨錳濃度升高而升高, 表明錳添加提高了細(xì)胞對強(qiáng)光的耐受(圖4b)。
根據(jù)圖2、4, 計(jì)算并對比各項(xiàng)參數(shù)與錳濃度曲線的初始斜率和飽和錳濃度(表2), 可觀察到對錳濃度最為敏感, 其具有最高初始斜率和最低飽和錳濃度。和rETRmax具有相近的初始斜率, 說明熱帶庫里亞藻生長速率和相對電子傳遞速率對錳脅迫具有相同程度的響應(yīng)。但的飽和錳濃度高于rETRmax, 與k相近。這表明可能當(dāng)錳濃度對于電子傳遞達(dá)到飽和之后, 繼續(xù)添加的錳濃度可通過提高對光耐受進(jìn)而提高生長速率。
圖3 不同濃度錳處理下熱帶庫里亞藻的快速光響應(yīng)曲線(a)和NPQ(b)
圖4 不同濃度錳處理下RLCs中的最大電子傳遞rETRmax(a), 半光飽和光強(qiáng)Ek(b)和光利用率α(c)
表2 μ, rETRmax, Ek和α擬合曲線的初始斜率及各參數(shù)下的飽和錳濃度
2.3 錳對熱帶庫里亞藻OJIP曲線相關(guān)參數(shù)的影響
由結(jié)果可知, 在第6d, 錳濃度組(<5μmol·L–1)v0和v0顯著低于錳濃度≥5μmol·L–1組(圖5e、f,<0.05)。反應(yīng)中心供體側(cè)的電子傳遞并未表現(xiàn)出差異(圖5c、d; 圖6g), 而ABS/RC和DI0/RC在錳缺乏組均高于高錳組, 并且呈現(xiàn)出隨錳濃度上升而降低的趨勢。這表明錳缺乏首先降低活性光反應(yīng)中心的數(shù)量, 導(dǎo)致細(xì)胞每個(gè)反應(yīng)中心分配到的光能升高, 進(jìn)而導(dǎo)致熱耗散升高(圖5b)。
在第15d, 各組0、M0、ABS/RC和DI0/RC均上升且錳濃度<5μmol·L–1組高于其他高錳處理組(≥5μmol·L–1, 圖5a、h和圖6a、b), 該結(jié)果表明細(xì)胞的活性光反應(yīng)中心隨培養(yǎng)時(shí)間增長繼續(xù)降低甚至出現(xiàn)脅迫效應(yīng)(0和0上升)。此外, 錳濃度<5μmol·L–1的VJ和VI顯著高于其他高錳處理組(≥5μmol·L–1, 圖5c, d), 這表明錳缺乏使由PSII到QA和由QA到QB的電子傳遞受到抑制(圖5g)。
2.4 錳濃度對熱帶庫里亞藻高光下?lián)p傷修復(fù)的影響
熱帶庫里亞藻接受1h高光照射后, 各組有效光化學(xué)效率(圖7a)均下降, 后經(jīng)過6h的弱光修復(fù)(圖7b)至最終穩(wěn)定, 0和1μmol·L–1出現(xiàn)了過度修復(fù), 分別達(dá)到初始值的103.7%和103.6%, 而50μmol·L–1只恢復(fù)到初始的80.4%, 顯著低于其他各組(<0.05)。
由高光和弱光處理下的光化學(xué)效率擬合后, 得到修復(fù)率()和損傷率(), 通過計(jì)算修復(fù)與損傷比(圖8)可得, 5μmol·L–1組/最低, 50μmol·L–1最高, 但各組之間并沒有顯著性差異。
3 討論
3.1 錳濃度對熱帶庫里亞藻生長的影響
錳作為放氧復(fù)合體(OEC)的組分, 是藻類生長所必須的微量元素。本研究結(jié)果顯示, 第6天前高錳濃度組(錳濃度≥5μmol·L–1)與低錳濃度組(錳濃度<5μmol·L–1)v′m′差異顯著且低錳濃度組有先下降后上升的過程, 即由于錳缺乏而使熒光受到限制; 然而細(xì)胞生長在第6天前并未出現(xiàn)顯著性差異, 故而這種熒光受到限制時(shí)生長未受限制的情況, 推測是由于熱帶庫里亞藻中存在錳儲藏庫造成的, 且第6天后高錳組細(xì)胞生長顯著大于低錳組, 由此猜測, 庫里亞藻的錳庫在6天的時(shí)間里逐漸耗盡, 其后該藻密度隨著起始錳濃度的增大而增大。在威氏海鏈藻()對錳的響應(yīng)研究中同樣發(fā)現(xiàn), 高濃度Mn (9μmol·L–1)對其生長有顯著促進(jìn)作用(王木蘭等, 2018)。但也有研究表明錳濃度過高或過低都會導(dǎo)致光合速率降低, 抑制藻類生長, 例如, 赤潮藻米氏凱倫藻()細(xì)胞密度在錳濃度為10–6~10–2μmol·L–1之間時(shí)隨錳濃度增大而增大, 但在10–2~100μmol·L–1錳濃度間則隨錳濃度的增大而降低(曹春暉等, 2010)。由此可見不同藻對錳的敏感度不同。天然海水中錳濃度較低, 約為5.5×10–4~0.38μmol·L–1(Wang et al, 2019; Pausch 2019), 而本研究中錳濃度為1μmol·L–1時(shí), 生長還處于受限狀態(tài), 因而錳將會成為底棲甲藻生長的限制因子, 一旦由于污染等原因錳從外界輸入水體, 將極易引發(fā)底棲甲藻生長甚至形成赤潮。
圖5 第6和15d不同濃度錳處理下熱帶庫里亞藻的葉綠素?zé)晒鈪?shù)變化
a.最小熒光值; b.最大熒光值; c. 在 J 點(diǎn)的相對可變熒光強(qiáng)度; d. 在 I 點(diǎn)的相對可變熒光強(qiáng)度; e. PSⅡ 潛在活性; f. 最大光化學(xué)效率; g. 標(biāo)準(zhǔn)化后的在 OJIP 熒光誘導(dǎo)曲線和m之間的面積; h. OJIP 熒光誘導(dǎo)曲線的初始斜率; 圖中不同字母表示有顯著性差異
Fig. 5 Changes of chlorophyll fluorescence induction parameters ofunder different Mn treatment on days 6 and 15. a) minimal fluorescence intensity; b) maximal fluorescence intensity; c) relative variable fluorescence intensity at the J-step; d) relative variable fluorescence intensity at the I-step; e) potential activity of PSⅡ; f) maximal photochemical efficiency; g) normalised total complementary area above the O-J-I-P transie; h) approximated initial slope of the fluorescence transient
a. 單位反應(yīng)中心吸收的光能; b. 單位反應(yīng)中心的熱耗散; c. 單位反應(yīng)中心捕獲的用于電子傳遞的能量; d. 單位反應(yīng)中心捕獲的用于還原 QA的能量; e. 捕獲的激子將電子傳遞到電子傳遞鏈中超過 QA的其它電子受體的概率; f. 用于熱耗散的量子比率; g. 用于電子傳遞的量子產(chǎn)額; h. 以吸收光能為基礎(chǔ)的性能指數(shù); 圖中不同字母表示有顯著性差異
Fig. 6 Changes of ABS/RC, DI0/RC, ET0/RC, TR0/RC,0,D0,E0, and PIABSunder different Mn treatment on days 6 and 15. a) absorption flux per reaction center; b) dissipated energy flux per reaction center; c) electron transport flux per reaction center; d) trapped energy flux per reaction center; e) probability that a trapped exciton moves an electron into the electron transport chain beyond QA–; f) quantum yield for energy dissipation; g) quantum yield for electron transport; h) performance index on absorption basis
圖7 不同濃度錳處理后熱帶庫里亞藻接受高光照射1h(a)及6h弱光下恢復(fù)(b)后其光化學(xué)效率的變化
圖8 不同濃度錳處理后熱帶庫里亞藻接受高光照射及弱光恢復(fù)后的修復(fù)損傷比(r/k)
3.2 錳濃度對熱帶庫里亞藻葉綠素快速光響應(yīng)曲線的影響
錳的添加使rETRmax和k都得到了顯著提升, 說明長期的不同濃度錳適應(yīng)培養(yǎng)使熱帶庫里亞藻光合結(jié)構(gòu)對瞬間光強(qiáng)變化的響應(yīng)和利用能力產(chǎn)生了差異, 錳的添加更有利于使該藻株保持較高的瞬間光能利用率, 以此來適應(yīng)光環(huán)境的變化。此外隨著PAR的增加, 各組均出現(xiàn)捕獲激發(fā)能過剩的現(xiàn)象, 高NPQ與葉黃素循環(huán)密切相關(guān), 代表較為活躍的光保護(hù)(Bautista-Saraiva et al, 2018), 因此為保護(hù)光合機(jī)構(gòu)免受光破壞, 熱帶庫里亞藻以非光化學(xué)淬滅(NPQ)的方式將其耗散掉, 但錳濃度≥5μmol·L–1的各實(shí)驗(yàn)組NPQ顯著小于錳饑餓組, 曹春暉等(2010)研究了錳對米氏凱輪藻()葉綠素?zé)晒馓匦缘挠绊? 結(jié)果同樣出現(xiàn)了高錳濃度下NPQ降低的現(xiàn)象。
3.3 錳濃度對熱帶庫里亞藻PSⅡ反應(yīng)中心的影響
光強(qiáng)對葉綠素?zé)晒馇€的改變主要反映的是PSⅡ電子受體庫QA、QB及PQ庫的狀態(tài), 進(jìn)而直觀的表達(dá)藻類受到逆境傷害的程度, JI段熒光強(qiáng)度的上升主要和PQ庫的氧化還原狀態(tài)有關(guān)(Zhang et al, 2012), 結(jié)果顯示錳的添加使J、I均有顯著降低, 且由于J的降低,0降低, 意味著錳的添加使熱帶庫里亞藻的PSⅡ反應(yīng)中心更多處于有活性的打開狀態(tài), 進(jìn)而降低了QA的還原量和被還原的相對速率, 即光合電子傳遞鏈中電子從QA向QB的傳遞得到促進(jìn)。
DI0/RC的增加和ET0/RC的減少與vm(TR0/ABS)的減少可以更準(zhǔn)確地評價(jià)PSⅡ的光抑制(Force et al, 2003), 錳饑餓組較高錳濃度組DI0/RC(圖6b)增加、ET0/RC (圖6c)與vm(TR0/ABS)(圖5f)減少, 說明錳的缺乏使熱帶庫里亞藻PSⅡ受光抑制程度更大, 這是由于放氧復(fù)合體裂解水放出電子的過程受阻, 也即作為電子傳遞的起點(diǎn), 錳的缺乏可能限制了供給側(cè)電子輸出, 進(jìn)而導(dǎo)致缺錳條件下電子傳遞下降; 同時(shí),0為PSⅡ反應(yīng)中心全部開放即原初電子受體QA全部氧化時(shí)的熒光水平, 通常由于非光化學(xué)能量的耗散0會降低, 但當(dāng)PSⅡ反應(yīng)中心受到破壞或可逆失活時(shí), 將會導(dǎo)致0的增加(Demmig et al, 1987)。0在高溫干旱等脅迫條件下均會出現(xiàn)上升的現(xiàn)象(葉波等, 2014), 本實(shí)驗(yàn)中由于缺錳也導(dǎo)致了0的升高。由此可見, 錳的缺乏可能造成了熱帶庫里亞藻供體側(cè)可逆失活或者抑制, 進(jìn)而導(dǎo)致了后續(xù)受體測電子傳遞受阻。
PSⅡ發(fā)生損傷時(shí)首先是放氧復(fù)合體受到損傷使水的裂解受阻, 進(jìn)而使氧-錳絡(luò)合物失活, 電子傳遞到PSⅡ反應(yīng)中心P680過程受阻, 致使極具氧化活性的P680+不能正常還原, 因此引起PSⅡ反應(yīng)中心的損傷(Ohnishi et al, 2005)。強(qiáng)光下PSⅡ活性受損稱為光抑制, 主要是由于PSⅡ的光損傷率和修復(fù)率之間不平衡造成的(Ohad et al, 1992)。通過高光(1000μmol photons·m–2·s–1)對熱帶庫里亞藻的損傷修復(fù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn), 雖然錳濃度為50μmol·L–1組抑制率最大, 但各組/與錳饑餓組之間并未出現(xiàn)顯著性差異。有學(xué)者認(rèn)為盡管光化學(xué)淬滅降低了多余的能量, 但卻增強(qiáng)了P680+誘導(dǎo)的損傷(Hakala et al, 2005), 這也就解釋了為什么高濃度組高光損傷更為明顯。PSⅡ反應(yīng)中心的這種損傷能夠得到快速的修復(fù), 主要是由于其核心蛋白D1蛋白的從頭合成加速引起的(Andersson et al, 2001), 由于高濃度組在強(qiáng)光下的熱耗散(NPQ)能力較弱, 從而導(dǎo)致PSⅡ產(chǎn)生大量的自由基, 抑制了D1蛋白的合成, 使其PSⅡ損傷修復(fù)受阻, 因此, 錳的添加未能使損傷修復(fù)至初始值, 可能是增強(qiáng)P680+誘導(dǎo)的損傷的同時(shí)減弱了合成D1蛋白進(jìn)行修復(fù)的能力。
4 結(jié)論
錳濃度至少大于1μmol·L–1才能保障熱帶庫里亞藻的光合活性。當(dāng)錳濃度低于1μmol·L–1時(shí), 熱帶庫里亞藻首先降低活性光反應(yīng)中心并提高熱耗散途徑, 這一階段光合活性降低并不會影響其電子傳遞和生長; 當(dāng)延長錳缺乏時(shí)間時(shí), 熱帶庫里亞藻的電子傳遞受到抑制進(jìn)而影響其生長。但錳缺乏并未降低熱帶庫里亞藻對強(qiáng)光的耐受。
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Effect of manganese on the growth and chlorophyll fluorescence characteristics of benthic dinoflagellate
LIU Shasha1, 2, CHEN Heng1, 2, HUANG Kaixuan1, 2, Lü Songhui1, 2, ZHANG Liang3, XIE Xuedong3
1. Research Center for Harmful Algae and Marine Biology, Jinan University, Guangzhou 510362, China;2.Key Laboratory of Aquatic Eutrophication and Control of Harmful Algae Blooms of Guangdong Higher Education Institutes, Guangzhou 510632, China;3. Guangdong Environmental Monitoring Center, Guangzhou 510362, China
In this study, the effects of growth and chlorophyll fluorescence characteristics inunder different concentrations of manganese (Mn, 0, 1, 5, 10, and 50μmol·L–1) were investigated by using chlorophyll fluorescence kinetics technique. The results are as follows. The relationships of specific growth rate () and maximal relative electron transport rate (rETRmax) with the concentration of Mn were fitted by exponential functions; growth and electron transport had the same degree of response to manganese stress. The regular activity of photosynthesis can be maintained only when the concentration of manganese is at least 1μmol·L–1. when the Mn concentration was lower than that 1μmol·L–1, the photochemical efficiency (v/m) begins to decrease after 6 days, while the per reaction center of absorbed light energy (ABS/RC) and heat energy dissipation (DI0/RC) increase, and no influence to electron transport (E0) and the growth, which indicated Mn deficiency only decreased the number of active reaction center and increased the heat dissipation in this phase. While Mn deficiency extended to day 15, the rising of0and the decreases ofE0and growth indicated that Mn deficiency caused irreversible damage to the active reaction center and inhibited the electron transport in this phase. The repair rate to damage rate (/) under intense light was not affected by Mn deficiency, indicated Mn deficiency did not influence the photoprotection of.
manganese;; benthic dinoflagellate; chlorophyll fluorescence; OJIP curve
A
1009-5470(2020)03-0076-10
10.11978/2020003
http://www.jto.ac.cn
2020-01-08;
2020-01-29。
林強(qiáng)編輯
國家自然科學(xué)基金 (41706126、41876173); 科技基礎(chǔ)資源調(diào)查專項(xiàng) (2018FY100100、2018FY100200)
劉莎莎(1995—), 女, 安徽省亳州市人, 碩士研究生, 研究方向?yàn)樵孱惞夂仙? E-mail: shasha_icon@163.com
黃凱旋。E-mail: babyblue02@163.com
2020-01-08;
2020-01-29.
Editor: LIN Qiang
National Natural Science Fund ation of China (41706126, 41876173); Science & Technology Basic Resources Investigation Program of China (2018FY100200, 2018FY100100)
HUANG Kaixuan. E-mail: babyblue02@163.com
Q178.53; Q945.14
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劉莎莎, 陳亨, 黃凱旋, 呂頌輝, 張亮, 謝學(xué)東
海洋生物學(xué)
微量元素錳對底棲甲藻熱帶庫里亞藻()生長及葉綠素?zé)晒馓匦缘挠绊?/p>
劉莎莎1, 2, 陳亨1, 2, 黃凱旋1, 2, 呂頌輝1, 2, 張亮3, 謝學(xué)東3
1. 暨南大學(xué)赤潮與海洋生物學(xué)研究中心, 廣東 廣州 510632; 2. 水體富營養(yǎng)化與藻華防治廣東省普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣東 廣州 510632;3. 廣東省環(huán)境監(jiān)測中心, 廣東 廣州 510632
以熱帶庫里亞藻()為研究對象, 在不同錳濃度(0、1、5、10、50μmol·L–1)的人工海水培養(yǎng)15d, 利用葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)技術(shù)研究了其生長和光合作用對不同錳環(huán)境的響應(yīng)。結(jié)果表明: 1)比生長速率()和最大相對電子傳遞速率(rETRmax)與錳濃度均呈指數(shù)關(guān)系且對錳脅迫具有相同程度的響應(yīng); 2)錳濃度至少大于1μmol·L–1才能維持熱帶庫里亞藻正常的光合作用活性, 當(dāng)錳濃度低于該濃度時(shí), 光合作用活性(vm)在6d后開始下降, 而單位反應(yīng)中心吸收光能(ABS/RC)和熱能耗散(DI0/RC)升高; 兩個(gè)反應(yīng)中心之間的電子傳遞(E0)及生長并未受影響, 表明此階段錳缺乏只影響活性光反應(yīng)中心數(shù)量并提高熱耗散途徑; 當(dāng)錳缺乏延長至15d時(shí), 脅迫作用顯現(xiàn)(0上升)并且電子傳遞(E0)和生長受到抑制, 這階段錳缺乏使光反應(yīng)中心關(guān)閉且電子傳遞受阻; 3)錳缺乏的修復(fù)損傷比(/)并未降低, 表明錳缺乏并未影響熱帶庫里亞藻的光保護(hù)能力。
錳; 熱帶庫里亞藻; 底棲甲藻; 葉綠素?zé)晒? OJIP曲線
早在20世紀(jì)30年代, 錳就被證明是浮游植物生長所必須的元素(Hopkins, 1930)。20世紀(jì)50年代, Kessler(1955)進(jìn)一步指出在無錳條件下生長的綠藻缺乏放氧能力。后續(xù)的研究發(fā)現(xiàn), 光合放氧是由光系統(tǒng)Ⅱ (photosystem Ⅱ, PSⅡ)中的放氧復(fù)合體(oxygen-evolving complex, OEC)催化完成, 其核心部分是由4個(gè)錳原子組成的錳簇(Ferreira et al, 2004), 可以在一些輔助因子的協(xié)助下, 將水分子裂解成氧氣和氫離子, 并給P680提供電子。錳缺乏會導(dǎo)致細(xì)胞分裂減慢、類囊體結(jié)構(gòu)破壞、葉綠素的積累減少, 造成光系統(tǒng)功能缺陷(Allen et al, 2007; Hsieh et al, 2013; Schmidt et al, 2016 ); 一些研究還發(fā)現(xiàn), 赤潮發(fā)生時(shí)褐囊藻中Mn含量是水體中871倍, 直至赤潮消亡水體中Mn的質(zhì)量濃度才緩緩回升(楊秀環(huán)等, 2000), 其他研究也表明赤潮發(fā)生時(shí), 水體中錳含量增幅較大(梁舜華等, 1993; 沈竑等, 1995)。
葉綠素?zé)晒庥?984年被發(fā)現(xiàn), 作為一種利用植物體內(nèi)葉綠素作為天然探針, 快速、靈敏、準(zhǔn)確、無損害的監(jiān)測植物和藻類光合作用性能并分析其保護(hù)反應(yīng)的技術(shù), 其在對植物、藻類等的逆境生理研究中得到了廣泛應(yīng)用(Kumar et al, 2014; Kalaji et al, 2016;D?browski et al, 2016; Li et al, 2019)。近年來, 葉綠素a熒光誘導(dǎo)動(dòng)力學(xué)OJIP分析技術(shù)已經(jīng)成為光合研究領(lǐng)域一個(gè)普遍采用的工具(Strasser et al, 2004)。該技術(shù)已被應(yīng)用于錳對光合作用影響的研究中, 主要集中于高等植物, 在硅藻及浮游甲藻中也有所涉及(Strasser et al, 2000; 曹春暉等, 2010; 王木蘭等, 2018), 但極少應(yīng)用于錳對底棲甲藻光合生理的影響研究中。
底棲甲藻(benthic dinoflagellate)是一類生境復(fù)雜、生長位置相對固定, 多附著于大型藻類、海草、珊瑚、污泥、巖石等熱帶和亞熱帶淺層海洋生物和沉積物表面的甲藻生態(tài)類群, 多數(shù)具毒性或潛在毒性。它們在破壞海洋環(huán)境的同時(shí), 也對水產(chǎn)品食用安全產(chǎn)生了嚴(yán)重威脅, 使海洋漁業(yè)遭受損失。近年來, 我國海域赤潮優(yōu)勢種出現(xiàn)由硅藻向甲藻演替的現(xiàn)象(郭皓等, 2015)。作為甲藻生態(tài)類群的重要組成部分, 底棲甲藻的研究日益引起人們重視, 已經(jīng)成為國際有害藻華研究的重要領(lǐng)域之一。熱帶庫里亞藻在我國南海近海均有分布, 已有實(shí)驗(yàn)證明庫里亞藻產(chǎn)生的毒素對小鼠有毒害作用(梁計(jì)林等, 2011; Leung et al, 2017; Larsson et al, 2019)。由于室內(nèi)培養(yǎng)較為困難, 目前國內(nèi)對該藻的研究較少, 本研究選用采自海南島近海的底棲甲藻熱帶庫里亞藻()為研究對象, 通過短期高光損傷和修復(fù)實(shí)驗(yàn)以及15d的長期培養(yǎng), 利用葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力學(xué)技術(shù), 分析不同濃度錳對該藻種生長和光合作用的影響, 以期為錳在底棲甲藻中的影響研究提供基礎(chǔ)研究數(shù)據(jù)。
1 材料與方法
1.1 實(shí)驗(yàn)材料
實(shí)驗(yàn)所用藻種熱帶庫里亞藻分離自海南省瓊海市青葛灣培養(yǎng)于f/2培養(yǎng)基(Guillard et al, 1962)加富的天然海水中, 保存于暨南大學(xué)赤潮與海洋生物學(xué)研究中心恒溫培養(yǎng)室。培養(yǎng)溫度25℃(±1℃), 培養(yǎng)光強(qiáng)100μmol photons·m–2·s–1, 光暗周期為12h︰12h, 光照強(qiáng)度由照度儀(QSI2100, Biospherical Instrument Inc., USA)測定。
供試試劑為氯化錳(MnCl2·4H2O, 生工 A500331)溶液, 用超純水配置, 保存于4℃冰箱備用。
1.2 實(shí)驗(yàn)方法
將生長在天然海水中處于指數(shù)生長期的細(xì)胞離心(4000r·min–1)收集后, 重懸于缺乏錳元素的f/2微量元素加富的人工海水(Hutner et al, 1950)中, 反復(fù)三次后分裝于石英管中(內(nèi)徑70mm, 高度200mm), 每管200mL, 以分批培養(yǎng)方式, 參考硅藻威氏海鏈藻(王木蘭等, 2018)、浮游甲藻米氏凱輪藻(曹春暉等, 2010)等對錳的響應(yīng)研究中的濃度設(shè)計(jì), 隨即添加不同濃度的錳溶液使藻液中錳終濃度分別為: 0、1、5、10、50μmol·L–1, 每組設(shè)置三個(gè)平行樣, 置于上述恒溫培養(yǎng)室中培養(yǎng), 整個(gè)實(shí)驗(yàn)周期為15d, 每3d定時(shí)取樣, 進(jìn)行細(xì)胞密度、葉綠素?zé)晒飧黜?xiàng)參數(shù)的測定, 并于第15天取樣進(jìn)行快速光響應(yīng)曲線(rapid light curves, RLCs)以及高光下?lián)p傷和修復(fù)的測定。
1.3 測定方法
1.3.1 生長測定
藻細(xì)胞密度采用血球計(jì)數(shù)法。細(xì)胞比生長速率計(jì)算公式為:
式中:為時(shí)刻的細(xì)胞比生長速率;1和2分別表示1和2時(shí)刻的藻細(xì)胞密度。
1.3.2 葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測定
OJIP熒光曲線使用掌上水體葉綠素?zé)晒鈨x(AquaPen-C 100, PSI 公司, 捷克)進(jìn)行測定, 樣品黑暗15min后選取儀器OJIP模塊進(jìn)行測定, 儀器設(shè)置飽和光強(qiáng)為3000μmol photons·m–2?s–1, 每個(gè)樣品測定時(shí)間為1秒, 數(shù)據(jù)由軟件FluorPen導(dǎo)出。OJIP各項(xiàng)參數(shù)計(jì)算參考Strasser等(2000)的方法, 相關(guān)參數(shù)詳見表1。
表1 JIP-測定的相關(guān)參數(shù)
RLCs曲線使用Phyto-PAM (Walz, Germany)進(jìn)行測定。設(shè)置1、8、16、32、64、164、264、364、464、864、1264、1664、2064μmol photons·m–2?s–1共13個(gè)光化光梯度, 每個(gè)光化光照射30s, 由獲得的有效光化學(xué)效率[v′m′=(m′′)/m′]值, 根據(jù)公式(2)計(jì)算相對電子傳遞速率(relative electron transport rate, rETR)。
式中PAR (photosynthetically active radiation)為光化光強(qiáng)度。根據(jù)Platt等(1980)提出的公式(3)進(jìn)行擬合:
式中s是與最大相對電子傳遞速率(maximal relative electron transport rate, rETRmax)相關(guān)系數(shù);為光利用率,為光抑制率。當(dāng)=0時(shí), rETRmax=s; 當(dāng)>0時(shí),s>rETRmax則rETRmax根據(jù)公式(4)得出。
k為半飽和光強(qiáng), 由公式(5)得出。
非光化學(xué)淬滅(non-photochemical quench, NPQ)由公式(6)計(jì)算得出。
式中m為暗適應(yīng)下所得最大熒光,m′為每個(gè)光化光照射下的最大熒光。
1.3.3 損傷和修復(fù)的測定
將各濃度處理下的熱帶庫里亞藻分別暴露于1000μmol photons·m–2·s–1強(qiáng)光下60min, 每隔6~12min檢測v′m′, 隨后進(jìn)行6h弱光(15μmol photons·m–2·s–1)修復(fù), 每隔30~120min檢測v′m′的恢復(fù)情況(Guan et al, 2017)。損傷與修復(fù)速率根據(jù)公式(7)擬合得出(Lesser et al, 1994)。
式中為損傷時(shí)間;為修復(fù)速率;為損傷速率。
1.4 統(tǒng)計(jì)分析
2 結(jié)果與分析
2.1 不同濃度錳對熱帶庫里亞藻生長的影響
當(dāng)錳離子濃度低于5μmol·L–1時(shí),v′m′被顯著抑制(<0.05); 而當(dāng)錳離子濃度高于或等于5μmol·L–1時(shí),v′/m′無明顯的差異(>0.05), 表明錳離子濃度至少要大于1μmol·L–1才能維持熱帶庫里亞藻正常光合作用活性(圖1b)。當(dāng)錳濃度為0和1μmol·L–1時(shí), 0~6d的v′/m′出現(xiàn)了先降低后上升的趨勢, 但這期間并未影響細(xì)胞密度(>0.05); 6天之后的v′/m′快速下降, 與此同時(shí), 細(xì)胞密度顯著低于其他錳濃度組別(≥5μmol·L–1)。這表明熱帶庫里亞藻可能含有錳離子的儲藏庫, 在光合作用活性受抑制環(huán)境下仍能維持6天正常的比生長率。
選取細(xì)胞密度出現(xiàn)顯著性差異的第9天計(jì)算比生長率, 發(fā)現(xiàn)熱帶庫里亞藻的比生長率與錳離子濃度符合方程=0.15233–0.01838e–0.17616x,2=0.99(圖2)。錳濃度低于10μmol·L–1的顯著低于較高錳濃度組(≥10μmol·L–1)(<0.05), 被視為錳限制環(huán)境。
圖1 不同濃度錳處理下熱帶庫里亞藻細(xì)胞密度(a)及有效光化學(xué)效率變化(b)
圖2 不同濃度錳處理下熱帶庫里亞藻比生長率(μ)
2.2 錳濃度對熱帶庫里亞藻快速光響應(yīng)曲線(RLCs)的影響
由熱帶庫里亞藻的快速光響應(yīng)曲線(圖3)可以看出, 錳濃度小于5μmol·L–1的rETR在光化光高于8μmol photons·m–2·s–1時(shí)也顯著低于高錳處理組(≥5μmol·L–1)(<0.05)。與此同時(shí), 低錳濃度(<5μmol·L–1)的NPQ顯著高于高錳處理組(≥5μmol·L–1) (< 0.05)。反映細(xì)胞的光能利用效率, 其與錳濃度的關(guān)系可表示為=0.22–0.08e–0.63x,2=0.94。錳濃度低于5μmol·L–1條件限制細(xì)胞對光能的利用(圖4c)。rETRmax與錳濃度符合方程=287.78–162.96e–29478x,2=0.96, 代表最大電子傳遞能力, 低錳條件(<5μmol·L–1)下較低的rETRmax表明光能利用的受限進(jìn)一步限制了電子傳遞能力(圖4a)。k表示細(xì)胞忍受強(qiáng)光的能力, 與錳濃度的關(guān)系可由=1571.16–643.41e–0.07x,2=0.97表示, 其值隨錳濃度升高而升高, 表明錳添加提高了細(xì)胞對強(qiáng)光的耐受(圖4b)。
根據(jù)圖2、4, 計(jì)算并對比各項(xiàng)參數(shù)與錳濃度曲線的初始斜率和飽和錳濃度(表2), 可觀察到對錳濃度最為敏感, 其具有最高初始斜率和最低飽和錳濃度。和rETRmax具有相近的初始斜率, 說明熱帶庫里亞藻生長速率和相對電子傳遞速率對錳脅迫具有相同程度的響應(yīng)。但的飽和錳濃度高于rETRmax, 與k相近。這表明可能當(dāng)錳濃度對于電子傳遞達(dá)到飽和之后, 繼續(xù)添加的錳濃度可通過提高對光耐受進(jìn)而提高生長速率。
圖3 不同濃度錳處理下熱帶庫里亞藻的快速光響應(yīng)曲線(a)和NPQ(b)
圖4 不同濃度錳處理下RLCs中的最大電子傳遞rETRmax(a), 半光飽和光強(qiáng)Ek(b)和光利用率α(c)
表2 μ, rETRmax, Ek和α擬合曲線的初始斜率及各參數(shù)下的飽和錳濃度
2.3 錳對熱帶庫里亞藻OJIP曲線相關(guān)參數(shù)的影響
由結(jié)果可知, 在第6d, 錳濃度組(<5μmol·L–1)v0和v0顯著低于錳濃度≥5μmol·L–1組(圖5e、f,<0.05)。反應(yīng)中心供體側(cè)的電子傳遞并未表現(xiàn)出差異(圖5c、d; 圖6g), 而ABS/RC和DI0/RC在錳缺乏組均高于高錳組, 并且呈現(xiàn)出隨錳濃度上升而降低的趨勢。這表明錳缺乏首先降低活性光反應(yīng)中心的數(shù)量, 導(dǎo)致細(xì)胞每個(gè)反應(yīng)中心分配到的光能升高, 進(jìn)而導(dǎo)致熱耗散升高(圖5b)。
在第15d, 各組0、M0、ABS/RC和DI0/RC均上升且錳濃度<5μmol·L–1組高于其他高錳處理組(≥5μmol·L–1, 圖5a、h和圖6a、b), 該結(jié)果表明細(xì)胞的活性光反應(yīng)中心隨培養(yǎng)時(shí)間增長繼續(xù)降低甚至出現(xiàn)脅迫效應(yīng)(0和0上升)。此外, 錳濃度<5μmol·L–1的VJ和VI顯著高于其他高錳處理組(≥5μmol·L–1, 圖5c, d), 這表明錳缺乏使由PSII到QA和由QA到QB的電子傳遞受到抑制(圖5g)。
2.4 錳濃度對熱帶庫里亞藻高光下?lián)p傷修復(fù)的影響
熱帶庫里亞藻接受1h高光照射后, 各組有效光化學(xué)效率(圖7a)均下降, 后經(jīng)過6h的弱光修復(fù)(圖7b)至最終穩(wěn)定, 0和1μmol·L–1出現(xiàn)了過度修復(fù), 分別達(dá)到初始值的103.7%和103.6%, 而50μmol·L–1只恢復(fù)到初始的80.4%, 顯著低于其他各組(<0.05)。
由高光和弱光處理下的光化學(xué)效率擬合后, 得到修復(fù)率()和損傷率(), 通過計(jì)算修復(fù)與損傷比(圖8)可得, 5μmol·L–1組/最低, 50μmol·L–1最高, 但各組之間并沒有顯著性差異。
3 討論
3.1 錳濃度對熱帶庫里亞藻生長的影響
錳作為放氧復(fù)合體(OEC)的組分, 是藻類生長所必須的微量元素。本研究結(jié)果顯示, 第6天前高錳濃度組(錳濃度≥5μmol·L–1)與低錳濃度組(錳濃度<5μmol·L–1)v′m′差異顯著且低錳濃度組有先下降后上升的過程, 即由于錳缺乏而使熒光受到限制; 然而細(xì)胞生長在第6天前并未出現(xiàn)顯著性差異, 故而這種熒光受到限制時(shí)生長未受限制的情況, 推測是由于熱帶庫里亞藻中存在錳儲藏庫造成的, 且第6天后高錳組細(xì)胞生長顯著大于低錳組, 由此猜測, 庫里亞藻的錳庫在6天的時(shí)間里逐漸耗盡, 其后該藻密度隨著起始錳濃度的增大而增大。在威氏海鏈藻()對錳的響應(yīng)研究中同樣發(fā)現(xiàn), 高濃度Mn (9μmol·L–1)對其生長有顯著促進(jìn)作用(王木蘭等, 2018)。但也有研究表明錳濃度過高或過低都會導(dǎo)致光合速率降低, 抑制藻類生長, 例如, 赤潮藻米氏凱倫藻()細(xì)胞密度在錳濃度為10–6~10–2μmol·L–1之間時(shí)隨錳濃度增大而增大, 但在10–2~100μmol·L–1錳濃度間則隨錳濃度的增大而降低(曹春暉等, 2010)。由此可見不同藻對錳的敏感度不同。天然海水中錳濃度較低, 約為5.5×10–4~0.38μmol·L–1(Wang et al, 2019; Pausch 2019), 而本研究中錳濃度為1μmol·L–1時(shí), 生長還處于受限狀態(tài), 因而錳將會成為底棲甲藻生長的限制因子, 一旦由于污染等原因錳從外界輸入水體, 將極易引發(fā)底棲甲藻生長甚至形成赤潮。
圖5 第6和15d不同濃度錳處理下熱帶庫里亞藻的葉綠素?zé)晒鈪?shù)變化
a.最小熒光值; b.最大熒光值; c. 在 J 點(diǎn)的相對可變熒光強(qiáng)度; d. 在 I 點(diǎn)的相對可變熒光強(qiáng)度; e. PSⅡ 潛在活性; f. 最大光化學(xué)效率; g. 標(biāo)準(zhǔn)化后的在 OJIP 熒光誘導(dǎo)曲線和m之間的面積; h. OJIP 熒光誘導(dǎo)曲線的初始斜率; 圖中不同字母表示有顯著性差異
Fig. 5 Changes of chlorophyll fluorescence induction parameters ofunder different Mn treatment on days 6 and 15. a) minimal fluorescence intensity; b) maximal fluorescence intensity; c) relative variable fluorescence intensity at the J-step; d) relative variable fluorescence intensity at the I-step; e) potential activity of PSⅡ; f) maximal photochemical efficiency; g) normalised total complementary area above the O-J-I-P transie; h) approximated initial slope of the fluorescence transient
a. 單位反應(yīng)中心吸收的光能; b. 單位反應(yīng)中心的熱耗散; c. 單位反應(yīng)中心捕獲的用于電子傳遞的能量; d. 單位反應(yīng)中心捕獲的用于還原 QA的能量; e. 捕獲的激子將電子傳遞到電子傳遞鏈中超過 QA的其它電子受體的概率; f. 用于熱耗散的量子比率; g. 用于電子傳遞的量子產(chǎn)額; h. 以吸收光能為基礎(chǔ)的性能指數(shù); 圖中不同字母表示有顯著性差異
Fig. 6 Changes of ABS/RC, DI0/RC, ET0/RC, TR0/RC,0,D0,E0, and PIABSunder different Mn treatment on days 6 and 15. a) absorption flux per reaction center; b) dissipated energy flux per reaction center; c) electron transport flux per reaction center; d) trapped energy flux per reaction center; e) probability that a trapped exciton moves an electron into the electron transport chain beyond QA–; f) quantum yield for energy dissipation; g) quantum yield for electron transport; h) performance index on absorption basis
圖7 不同濃度錳處理后熱帶庫里亞藻接受高光照射1h(a)及6h弱光下恢復(fù)(b)后其光化學(xué)效率的變化
圖8 不同濃度錳處理后熱帶庫里亞藻接受高光照射及弱光恢復(fù)后的修復(fù)損傷比(r/k)
3.2 錳濃度對熱帶庫里亞藻葉綠素快速光響應(yīng)曲線的影響
錳的添加使rETRmax和k都得到了顯著提升, 說明長期的不同濃度錳適應(yīng)培養(yǎng)使熱帶庫里亞藻光合結(jié)構(gòu)對瞬間光強(qiáng)變化的響應(yīng)和利用能力產(chǎn)生了差異, 錳的添加更有利于使該藻株保持較高的瞬間光能利用率, 以此來適應(yīng)光環(huán)境的變化。此外隨著PAR的增加, 各組均出現(xiàn)捕獲激發(fā)能過剩的現(xiàn)象, 高NPQ與葉黃素循環(huán)密切相關(guān), 代表較為活躍的光保護(hù)(Bautista-Saraiva et al, 2018), 因此為保護(hù)光合機(jī)構(gòu)免受光破壞, 熱帶庫里亞藻以非光化學(xué)淬滅(NPQ)的方式將其耗散掉, 但錳濃度≥5μmol·L–1的各實(shí)驗(yàn)組NPQ顯著小于錳饑餓組, 曹春暉等(2010)研究了錳對米氏凱輪藻()葉綠素?zé)晒馓匦缘挠绊? 結(jié)果同樣出現(xiàn)了高錳濃度下NPQ降低的現(xiàn)象。
3.3 錳濃度對熱帶庫里亞藻PSⅡ反應(yīng)中心的影響
光強(qiáng)對葉綠素?zé)晒馇€的改變主要反映的是PSⅡ電子受體庫QA、QB及PQ庫的狀態(tài), 進(jìn)而直觀的表達(dá)藻類受到逆境傷害的程度, JI段熒光強(qiáng)度的上升主要和PQ庫的氧化還原狀態(tài)有關(guān)(Zhang et al, 2012), 結(jié)果顯示錳的添加使J、I均有顯著降低, 且由于J的降低,0降低, 意味著錳的添加使熱帶庫里亞藻的PSⅡ反應(yīng)中心更多處于有活性的打開狀態(tài), 進(jìn)而降低了QA的還原量和被還原的相對速率, 即光合電子傳遞鏈中電子從QA向QB的傳遞得到促進(jìn)。
DI0/RC的增加和ET0/RC的減少與vm(TR0/ABS)的減少可以更準(zhǔn)確地評價(jià)PSⅡ的光抑制(Force et al, 2003), 錳饑餓組較高錳濃度組DI0/RC(圖6b)增加、ET0/RC (圖6c)與vm(TR0/ABS)(圖5f)減少, 說明錳的缺乏使熱帶庫里亞藻PSⅡ受光抑制程度更大, 這是由于放氧復(fù)合體裂解水放出電子的過程受阻, 也即作為電子傳遞的起點(diǎn), 錳的缺乏可能限制了供給側(cè)電子輸出, 進(jìn)而導(dǎo)致缺錳條件下電子傳遞下降; 同時(shí),0為PSⅡ反應(yīng)中心全部開放即原初電子受體QA全部氧化時(shí)的熒光水平, 通常由于非光化學(xué)能量的耗散0會降低, 但當(dāng)PSⅡ反應(yīng)中心受到破壞或可逆失活時(shí), 將會導(dǎo)致0的增加(Demmig et al, 1987)。0在高溫干旱等脅迫條件下均會出現(xiàn)上升的現(xiàn)象(葉波等, 2014), 本實(shí)驗(yàn)中由于缺錳也導(dǎo)致了0的升高。由此可見, 錳的缺乏可能造成了熱帶庫里亞藻供體側(cè)可逆失活或者抑制, 進(jìn)而導(dǎo)致了后續(xù)受體測電子傳遞受阻。
PSⅡ發(fā)生損傷時(shí)首先是放氧復(fù)合體受到損傷使水的裂解受阻, 進(jìn)而使氧-錳絡(luò)合物失活, 電子傳遞到PSⅡ反應(yīng)中心P680過程受阻, 致使極具氧化活性的P680+不能正常還原, 因此引起PSⅡ反應(yīng)中心的損傷(Ohnishi et al, 2005)。強(qiáng)光下PSⅡ活性受損稱為光抑制, 主要是由于PSⅡ的光損傷率和修復(fù)率之間不平衡造成的(Ohad et al, 1992)。通過高光(1000μmol photons·m–2·s–1)對熱帶庫里亞藻的損傷修復(fù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn), 雖然錳濃度為50μmol·L–1組抑制率最大, 但各組/與錳饑餓組之間并未出現(xiàn)顯著性差異。有學(xué)者認(rèn)為盡管光化學(xué)淬滅降低了多余的能量, 但卻增強(qiáng)了P680+誘導(dǎo)的損傷(Hakala et al, 2005), 這也就解釋了為什么高濃度組高光損傷更為明顯。PSⅡ反應(yīng)中心的這種損傷能夠得到快速的修復(fù), 主要是由于其核心蛋白D1蛋白的從頭合成加速引起的(Andersson et al, 2001), 由于高濃度組在強(qiáng)光下的熱耗散(NPQ)能力較弱, 從而導(dǎo)致PSⅡ產(chǎn)生大量的自由基, 抑制了D1蛋白的合成, 使其PSⅡ損傷修復(fù)受阻, 因此, 錳的添加未能使損傷修復(fù)至初始值, 可能是增強(qiáng)P680+誘導(dǎo)的損傷的同時(shí)減弱了合成D1蛋白進(jìn)行修復(fù)的能力。
4 結(jié)論
錳濃度至少大于1μmol·L–1才能保障熱帶庫里亞藻的光合活性。當(dāng)錳濃度低于1μmol·L–1時(shí), 熱帶庫里亞藻首先降低活性光反應(yīng)中心并提高熱耗散途徑, 這一階段光合活性降低并不會影響其電子傳遞和生長; 當(dāng)延長錳缺乏時(shí)間時(shí), 熱帶庫里亞藻的電子傳遞受到抑制進(jìn)而影響其生長。但錳缺乏并未降低熱帶庫里亞藻對強(qiáng)光的耐受。
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Effect of manganese on the growth and chlorophyll fluorescence characteristics of benthic dinoflagellate
LIU Shasha1, 2, CHEN Heng1, 2, HUANG Kaixuan1, 2, Lü Songhui1, 2, ZHANG Liang3, XIE Xuedong3
1. Research Center for Harmful Algae and Marine Biology, Jinan University, Guangzhou 510362, China;2.Key Laboratory of Aquatic Eutrophication and Control of Harmful Algae Blooms of Guangdong Higher Education Institutes, Guangzhou 510632, China;3. Guangdong Environmental Monitoring Center, Guangzhou 510362, China
In this study, the effects of growth and chlorophyll fluorescence characteristics inunder different concentrations of manganese (Mn, 0, 1, 5, 10, and 50μmol·L–1) were investigated by using chlorophyll fluorescence kinetics technique. The results are as follows. The relationships of specific growth rate () and maximal relative electron transport rate (rETRmax) with the concentration of Mn were fitted by exponential functions; growth and electron transport had the same degree of response to manganese stress. The regular activity of photosynthesis can be maintained only when the concentration of manganese is at least 1μmol·L–1. when the Mn concentration was lower than that 1μmol·L–1, the photochemical efficiency (v/m) begins to decrease after 6 days, while the per reaction center of absorbed light energy (ABS/RC) and heat energy dissipation (DI0/RC) increase, and no influence to electron transport (E0) and the growth, which indicated Mn deficiency only decreased the number of active reaction center and increased the heat dissipation in this phase. While Mn deficiency extended to day 15, the rising of0and the decreases ofE0and growth indicated that Mn deficiency caused irreversible damage to the active reaction center and inhibited the electron transport in this phase. The repair rate to damage rate (/) under intense light was not affected by Mn deficiency, indicated Mn deficiency did not influence the photoprotection of.
manganese;; benthic dinoflagellate; chlorophyll fluorescence; OJIP curve
A
1009-5470(2020)03-0076-10
10.11978/2020003
http://www.jto.ac.cn
2020-01-08;
2020-01-29。
林強(qiáng)編輯
國家自然科學(xué)基金 (41706126、41876173); 科技基礎(chǔ)資源調(diào)查專項(xiàng) (2018FY100100、2018FY100200)
劉莎莎(1995—), 女, 安徽省亳州市人, 碩士研究生, 研究方向?yàn)樵孱惞夂仙? E-mail: shasha_icon@163.com
黃凱旋。E-mail: babyblue02@163.com
2020-01-08;
2020-01-29.
Editor: LIN Qiang
National Natural Science Fund ation of China (41706126, 41876173); Science & Technology Basic Resources Investigation Program of China (2018FY100200, 2018FY100100)
HUANG Kaixuan. E-mail: babyblue02@163.com
Q178.53; Q945.14
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