有害赤潮藻赤潮異彎藻Heterosigma akashiwo 研究進(jìn)展

姬南京 , 張珍珍 黃金旺 申 欣

(1. 江蘇海洋大學(xué) 江蘇省海洋生物資源與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/江蘇省海洋生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 連云港222005; 2. 江蘇海洋大學(xué) 江蘇省海洋生物產(chǎn)業(yè)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心, 江蘇 連云港 222005; 3. 江蘇省海洋資源開發(fā)研究院, 江蘇 連云港 222005; 4. 中國科學(xué)院海洋研究所 海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266071)

赤潮通常是指一些海洋微藻、原生動(dòng)物或細(xì)菌在水體中過度繁殖或聚集造成水體變色的現(xiàn)象[1]。在海洋系統(tǒng)中, 微型藻類不僅在食物鏈底端為其他水生生物提供食物, 而且在全球碳循環(huán)中也扮演著重要角色, 它們通過光合作用吸收大氣中的二氧化碳(CO2), 從而起到固碳作用。然而, 在特定條件下, 某些種類暴發(fā)性增殖并聚集或產(chǎn)毒會(huì)形成有危害的藻華, 因這類藻華通常會(huì)造成水體呈紅色(主要由甲藻引起), 所以最早被泛稱為赤潮。由于不同物種(滸苔、馬尾藻、抑食金球藻等)導(dǎo)致的海水變色不同, 而后又分為綠潮、金潮、褐潮等。近年來, 國際科學(xué)界將上述這些造成危害的生態(tài)現(xiàn)象統(tǒng)稱為有害藻華(Harmful algal bloom, HAB)[2-3]。

赤潮異彎藻(Heterosigma akashiwo)是形成有害藻華的主要物種, 在世界多個(gè)海域均有該物種的分布,該物種之所以引起高度關(guān)注, 主要因?yàn)槠湓迦A發(fā)生時(shí)會(huì)造成鮭魚、黃尾魚等養(yǎng)殖魚類大面積死亡[4]。近年來, 隨著CO2水平升高、全球氣候變暖、水體富營養(yǎng)化程度日趨嚴(yán)重, 有害藻華的發(fā)生規(guī)模和頻次總體呈逐年增加的趨勢(shì), 且相關(guān)研究表明赤潮異彎藻在全球氣候變化的大背景下可能成為赤潮優(yōu)勢(shì)種[5]。鑒于赤潮異彎藻的危害性及其藻華的發(fā)生趨勢(shì), 開展該物種藻華發(fā)生機(jī)制研究變得尤為重要。本文針對(duì)赤潮異彎藻物種鑒定、基礎(chǔ)生物學(xué)研究、生態(tài)學(xué)研究等幾個(gè)方面的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述, 以期為該物種的藻華發(fā)生機(jī)制研究、藻華防治等工作提供參考。

1 赤潮異彎藻的發(fā)現(xiàn)和地理分布

赤潮異彎藻屬于針胞藻綱、異彎藻屬, 個(gè)體較小,長10～25 μm, 寬8～15 μm, 形狀多變, 呈卵圓形或橢圓形, 有兩根鞭毛, 細(xì)胞內(nèi)含有巖藻黃素(fucoxanthin)和紫黃質(zhì)(violaxanthin), 含有10～15 個(gè)葉綠體, 在顯微鏡下為金褐色[6]。該藻為廣溫性、廣鹽性生物, 在鹽度2‰～50‰范圍內(nèi)均可存活, 在溫度14～30 ℃之間有較高的生長率(不同株系之間存在差異), 在美國、日本、新西蘭、澳大利亞、新加坡、中國等世界多個(gè)海域均有該物種的分布。1985—1987 年(6—8 月)在我國大連灣首次報(bào)道赤潮異彎藻藻華, 其后該物種形成的藻華在我國膠州灣、東海等多個(gè)海域均曾被發(fā)現(xiàn)[7]。2017 年在我國南黃海35°N 斷面甚至出現(xiàn)了綠潮、金潮和赤潮三類有害藻華共發(fā)現(xiàn)象, 其中赤潮主要由米氏凱倫藻(Karenia mikimotoi)和赤潮異彎藻形成[8]。

幾十年來, 有關(guān)赤潮異彎藻的命名和分類地位爭議不斷, 該物種曾被誤以為是金色滑盤藻(Olisthodicusluteus)。根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)記載, 1965 年Huiburt 首次在美國馬薩諸薩州發(fā)現(xiàn)了赤潮異彎藻, 將其命名為Olisthodicus carterae, 兩年后研究者Hada在日本也發(fā)現(xiàn)了類似的物種, 先后將其命名為Entomosigma akashiwo和H.akashiwo。但根據(jù)國際植物命名法, 這一系列名字均屬無效, 因?yàn)镠uiburt 和Hada 都沒有提供該物種的主模式標(biāo)本(holotype), 直到1987 年, 該物種才獲得有效的命名H. akashiwo[9]。2016 年, 有研究者在已鑒定的赤潮異彎藻24 個(gè)株系中發(fā)現(xiàn)了另一個(gè)新物種, 并將其命名為Heterosigma minor[6]。

2 赤潮異彎藻的鑒定和監(jiān)測

鑒于赤潮異彎藻藻華的危害性, 建立該物種準(zhǔn)確、快速的鑒定方法對(duì)其藻華監(jiān)測非常重要。傳統(tǒng)的浮游植物鑒定, 主要利用普通光學(xué)顯微鏡對(duì)固定的藻細(xì)胞進(jìn)行形態(tài)學(xué)觀察[10], 然而常規(guī)浮游植物樣品保存方法并不適用于赤潮異彎藻, 主要由于該物種形態(tài)多變, 且沒有細(xì)胞壁, 在魯哥氏等固定液中極易破碎。近年來, 分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展為赤潮藻類的監(jiān)測提供了新的思路[11]。相比于傳統(tǒng)的顯微鏡觀察, 分子生物學(xué)檢測方法具有簡單、準(zhǔn)確、特異性高等特點(diǎn), 且一些方法可用于大規(guī)模樣品檢測。目前有關(guān)赤潮異彎藻的分子檢測方法均基于核酸特征建立, 即分子標(biāo)記選擇、引物或探針設(shè)計(jì)、物種檢測或計(jì)數(shù)。在分子標(biāo)記選擇方面盡管有多種選擇, 但核糖體RNA 標(biāo)記仍是諸多研究的首選, 主要是由于該段序列由保守區(qū)和變異區(qū)鑲嵌組成, 有利于設(shè)計(jì)不同分類水平的引物或探針。Tyrrell 等曾嘗試將熒光原位雜交技術(shù)(Fluorescent in situ hybridization, FISH)用于赤潮異彎藻的檢測, 但由于該物種細(xì)胞形態(tài)多變、不易固定等因素影響了該方法的建立[12]; 盡管Chen 等表明FISH 方法可對(duì)樣品中70%～80%的赤潮異彎藻進(jìn)行檢測[13], 但筆者認(rèn)為該方法操作繁瑣、耗時(shí), 不適宜赤潮異彎藻的環(huán)境樣品監(jiān)測; 三明治雜交(Sandwich hybridization assay, SHA)技術(shù)和實(shí)時(shí)熒光定量PCR 技術(shù)(Quantitative real-time PCR, qPCR)無需細(xì)胞固定和顯微鏡觀察, 在一定程度上克服了FISH 方法的諸多缺點(diǎn)[14]。Tyrrell 等首次將SHA 方法應(yīng)用到赤潮異彎藻的監(jiān)測, 盡管SHA 在建立之初無法對(duì)樣品中的細(xì)胞進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)數(shù), 但可實(shí)現(xiàn)對(duì)該物種的藻華預(yù)警, 取得了良好的實(shí)際應(yīng)用效果[12,15]。qPCR 是基于核酸提取的檢測技術(shù), Coyne 等利用Taqman 熒光探針法, 建立了赤潮異彎藻標(biāo)準(zhǔn)檢測方法, 為了優(yōu)化檢測過程, 作者通過在DNA 裂解液中添加標(biāo)準(zhǔn)DNA, 以去除核酸提取、PCR 反應(yīng)等過程帶來的實(shí)驗(yàn)誤差, 其結(jié)果表明該方法的檢測極限為3.5 拷貝每反應(yīng), 且適用于環(huán)境樣品檢測[16]。為了比較SHA 和qPCR 檢測方法在不同生理狀態(tài)、不同培養(yǎng)條件和不同樣品保存方法等情況下的細(xì)胞計(jì)數(shù)的準(zhǔn)確性, 一系列比較實(shí)驗(yàn)陸續(xù)被展開, 為之后分子檢測方法的選擇提供了參考依據(jù)[17]。近年來, 環(huán)介導(dǎo)等溫?cái)U(kuò)增技術(shù)(Loop-mediated isothermal amplification,LAMP)和超支化滾環(huán)擴(kuò)增技術(shù)(Hyperbranched rolling circle amplification, HRCA)因其檢測靈敏度高,也被應(yīng)用于赤潮藻類檢測, Zhang 等分別利用LAMP和HRCA 方法對(duì)赤潮異彎藻進(jìn)行比較檢測分析, 研究結(jié)果表明這兩種方法均優(yōu)于傳統(tǒng)PCR, 且反應(yīng)結(jié)束后可通過直接添加核酸熒光染料實(shí)現(xiàn)檢測結(jié)果可視化[18]。

3 赤潮異彎藻藻華引起魚類死亡的機(jī)制研究

諸多研究表明赤潮異彎藻藻華可造成養(yǎng)殖魚類大面積死亡, 但其引起魚類死亡的機(jī)制卻一直存在爭議[19-20]。目前為止, 關(guān)于赤潮異彎藻引起魚類死亡的機(jī)制主要有三種: (1) 赤潮異彎藻產(chǎn)生超氧化物(Reactive oxygen species, ROS), 如超氧自由基、羥基自由基、過氧化氫等, 引起魚類鰓損傷, 導(dǎo)致窒息死亡[21]; (2) 產(chǎn)生類似于裸藻毒素的有機(jī)神經(jīng)毒素,引起魚類心臟或者鰓部致病[22]; (3) 藻體分泌的粘液覆蓋在魚的鰓上, 導(dǎo)致鰓部病變, 引起魚類窒息而死[23]。然而, 上述三種解釋都尚存缺陷: (1) 盡管目前很多研究認(rèn)為赤潮異彎藻的魚毒性由該物種釋放的ROS 引起, 但培養(yǎng)條件下該物種產(chǎn)生的過氧化氫濃度遠(yuǎn)未達(dá)引起脊椎動(dòng)物細(xì)胞系和無脊椎動(dòng)物死亡的濃度[20,24]。(2) 目前只在赤潮異彎藻中鑒定到裸藻毒素類似的有機(jī)物, 而不是通過毒素的作用機(jī)理來解釋該藻的魚毒性[22]; (3) 盡管魚的鰓部黏液會(huì)引起窒息, 但無法確定黏液來自藻體還是魚類, 且Chang 等認(rèn)為致病魚類鰓部的黏液量不至于引起魚類鰓部嚴(yán)重病變[23]。此外, 有研究表明魚類鰓部的黏液可能刺激赤潮異彎藻產(chǎn)生更多的ROS[25]。Twiner 等則認(rèn)為赤潮異彎藻導(dǎo)致魚類死亡原因可能是ROS 和有機(jī)毒素共同作用的結(jié)果, 首先藻細(xì)胞通過釋放ROS 破壞魚類細(xì)胞的免疫力, 然后利用產(chǎn)生的有機(jī)毒素改變細(xì)胞的離子平衡, 最后引起細(xì)胞凋亡[26-27]。綜上, 赤潮異彎藻導(dǎo)致魚類死亡的機(jī)制研究雖然已取得一定進(jìn)展, 但尚存爭議, 有待今后加強(qiáng)研究。

4 環(huán)境因子對(duì)赤潮異彎藻生長的影響

有害藻華的形成通常是赤潮生物本身(內(nèi)因)和外界環(huán)境因子(外因)共同作用的結(jié)果。正常情況下,不同浮游植物通過相互協(xié)作或競爭, 構(gòu)成相對(duì)穩(wěn)定的生物群落結(jié)構(gòu), 當(dāng)環(huán)境因子適宜特定生物生長時(shí),則有利于該物種藻華形成。

營養(yǎng)鹽(氮、磷等)是浮游植物賴以生存的基本元素, 其在海水中的濃度、存在形式等均會(huì)對(duì)赤潮生物的生長產(chǎn)生影響。在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)條件下, Wang 等比較赤潮異彎藻、中肋骨條藻等5 種赤潮藻對(duì)9 種有機(jī)磷的利用情況, 結(jié)果表明赤潮異彎藻相對(duì)于中肋骨條藻可以利用更多形式的有機(jī)磷, 且在磷限制條件下(48 h), 赤潮異彎藻的堿性磷酸酶活性升高2.5倍[28]; Herndon 等研究發(fā)現(xiàn)赤潮異彎藻可有效利用三種常見氮源(硝酸鹽、銨鹽和尿素), 且在利用銨態(tài)氮時(shí)該物種生長率最高[29]。因此, 在營養(yǎng)鹽匱乏的海域, 赤潮異彎藻對(duì)有機(jī)磷和多種氮源的利用能力可能有利于該物種獲得種間競爭優(yōu)勢(shì)。

溫度、光照以及鹽度三個(gè)環(huán)境因子對(duì)浮游植物生長也起著重要作用。顏天等研究表明, 溫度對(duì)赤潮異彎藻生長有顯著影響, 鹽度對(duì)該物種生長影響較小,且該物種的生長速率隨著光照強(qiáng)度增強(qiáng)而增加[30]。Hennige 等研究結(jié)果顯示在光強(qiáng)1 200 μmol·m–2·s–1條件下, 赤潮異彎藻仍未出現(xiàn)光抑制現(xiàn)象, 表明該物種擁有光保護(hù)機(jī)制[31]。除此之外, 有研究表明溫度和光照在赤潮異彎藻孢囊萌發(fā)和赤潮起始階段也起著重要作用[32-33]。

5 赤潮異彎藻基礎(chǔ)生物學(xué)研究

Jeong 等基于赤潮藻的自身遷移行為、營養(yǎng)獲取方式以及生物間的相互作用形式等, 將藻華生成機(jī)制(Generation Mechanisms, GM1-GM4)歸納為四個(gè)不同層次, GM1: 光合自養(yǎng)型; GM2: 具有晝夜垂直遷移行為; GM3: 混合營養(yǎng)型; GM4: 直接或間接抑制其它生物生長[34]。目前, 根據(jù)赤潮異彎藻的研究狀況, 初步判斷該物種可能屬于上述分類的最高層次GM4(圖1)。

圖1 基于營養(yǎng)獲取方式、晝夜遷移行為、生物間互作和群體結(jié)構(gòu)示意赤潮異彎藻藻華發(fā)生機(jī)制(根據(jù)Jeong等圖1 繪改[34])Fig. 1 Illustration of the mechanisms of bloom formation categorized based on nutrition, behaviors, and biological interactions of Heterosigma akashiwo and its community (Modified from Jeong et al. Fig. 1[34])

5.1 赤潮異彎藻晝夜垂直遷移行為

晝夜垂直遷移(Diurnal vertical migrations, DVMs)行為是一種廣泛存在于浮游植物中的生物學(xué)現(xiàn)象,即黎明時(shí)藻細(xì)胞上浮至表層水體, 黃昏時(shí)下潛至底層。細(xì)胞通過向上遷移, 在水體表面聚集, 不僅加劇了藻華的形成, 而且垂直遷移還有利于浮游植物充分利用上層的光能和底層的營養(yǎng)鹽。Shikata 等研究表明赤潮異彎藻等4 種鞭毛藻的DVM 行為主要受光周期調(diào)控, 且藍(lán)光在保持和調(diào)節(jié)DVM 行為過程中起著重要作用[35]。Watanabe 等利用1.5 m 高的玻璃箱,在實(shí)驗(yàn)室條件下模擬表層低鹽度、低磷酸鹽, 底層高鹽度、高磷酸鹽垂直分層環(huán)境, 以期模擬水體混合較弱的夏季海區(qū)環(huán)境, 結(jié)果表明赤潮異彎藻夜間通過下移行為從底層水體獲取磷, 并以多聚磷的形式進(jìn)行儲(chǔ)存, 而光照期間通過光合磷酸化利用夜間儲(chǔ)存的磷[36]。因此, 相比較于硅藻等非鞭毛藻, 具有DVM行為的赤潮異彎藻在光能利用、營養(yǎng)鹽攝取以及躲避浮游動(dòng)物捕食方面具有一定的種間競爭優(yōu)勢(shì), 這一特征在其藻華形成過程中可能起著重要作用。

5.2 赤潮異彎藻混合營養(yǎng)型生態(tài)特征研究

根據(jù)營養(yǎng)獲取方式, 可將原生生物分為自養(yǎng)型、混合營養(yǎng)型和異養(yǎng)型。在研究之初, 赤潮異彎藻等針胞藻被歸類為自養(yǎng)型浮游植物, 但Nygaard 等研究發(fā)現(xiàn)在磷限制條件下赤潮異彎藻可通過細(xì)菌吞噬(Bacterivory)作用獲取磷[37], 其后Jeong 等利用熒光標(biāo)記和掃描電鏡技術(shù)再次確認(rèn)了赤潮異彎藻屬于混合營養(yǎng)型這個(gè)結(jié)論, 且該物種的捕食率也隨著培養(yǎng)體系中被捕食者濃度增加而提高[38]。海洋浮游生物混合營養(yǎng)型是指這類生物既能進(jìn)行光合作用, 又能進(jìn)行營養(yǎng)攝取。因此, 相對(duì)于自養(yǎng)型浮游植物, 赤潮異彎藻混合營養(yǎng)型這一生物學(xué)特征不僅在一定程度上擴(kuò)大了其營養(yǎng)來源范圍, 更有利于該物種在營養(yǎng)限制條件下快速增殖, 取得種間競爭優(yōu)勢(shì), 加劇藻華形成。

5.3 赤潮異彎藻化感作用抑制共發(fā)生微藻生長的研究

“化感作用”(allelopathy)一詞最初由德國科學(xué)家Molisch 于1937 年提出。1996 年, 國際化感作用研究協(xié)會(huì)將化感作用定義為植物、藻類、細(xì)菌和真菌等產(chǎn)生的次級(jí)代謝產(chǎn)物(化感物質(zhì))對(duì)生物生長發(fā)育和農(nóng)業(yè)體系產(chǎn)生的影響。在水生生態(tài)系統(tǒng)中, 化感作用作為浮游植物種間相互競爭的方式之一, 在赤潮物種取得競爭優(yōu)勢(shì)的過程中發(fā)揮著重要作用[39]。早在1966 年, 研究者就曾發(fā)現(xiàn)赤潮異彎藻和另一常見赤潮藻中肋骨條藻(Skeletonema costatum)之間存在種間競爭關(guān)系, 當(dāng)赤潮異彎藻藻華發(fā)生時(shí), 環(huán)境中中肋骨條藻的細(xì)胞豐度顯著降低, 隨著赤潮異彎藻藻華消亡, 中肋骨條藻的細(xì)胞密度才逐漸升高[40]。相對(duì)于中肋骨條藻, 赤潮異彎藻的細(xì)胞生長率較低,因此赤潮異彎藻藻華的發(fā)生不應(yīng)歸因于該物種的自身生長率優(yōu)勢(shì), 這也表明赤潮異彎藻在赤潮發(fā)生時(shí)可能通過某種機(jī)制抑制環(huán)境中中肋骨條藻的生長。2007 年, Yamasaki 等基于共培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)證明赤潮異彎藻與中肋骨條藻之間存在化感作用, 兩年后該研究團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室和環(huán)境樣品均分離到赤潮異彎藻分泌的一種潛在的化感物質(zhì), 多糖-蛋白復(fù)合物(Polysaccharideprotein Complexes, APPCs), 且這種復(fù)合物可以專一性抑制中肋骨條藻的生長[41-42], 然而該物種化感作用抑制中肋骨條藻生長的機(jī)制目前卻并不清楚。筆者利用宏轉(zhuǎn)錄組方法對(duì)赤潮異彎藻藻華發(fā)生時(shí)的環(huán)境樣品進(jìn)行了分析, 發(fā)現(xiàn)藻華發(fā)生時(shí)赤潮異彎藻可通過多種途徑從環(huán)境中獲取資源以促進(jìn)自身快速增殖, 而中肋骨條藻的葉綠體核糖體蛋白、ATP 合成酶和光合作用相關(guān)基因表達(dá)水平卻顯著下調(diào)表達(dá)[43]。上述研究結(jié)果表明, 赤潮異彎藻可通過化感作用抑制中肋骨條藻的生長, 而且化感作用的機(jī)制可能也是復(fù)雜多樣的。

6 赤潮異彎藻的分子生物學(xué)研究

分子生物學(xué)技術(shù)不僅在HAB 生物監(jiān)測中廣泛應(yīng)用, 還促進(jìn)了赤潮藻類的生物學(xué)、生態(tài)學(xué)研究, 如傳統(tǒng)的生態(tài)學(xué)主要分析該物種在不同環(huán)境下的生理反應(yīng)、與其他微生物的相生相克以及其行為學(xué)等方面,而分子生態(tài)學(xué)則從微觀角度研究生態(tài)學(xué)現(xiàn)象的具體分子機(jī)制。

6.1 赤潮異彎藻DNA 分子標(biāo)記的應(yīng)用

為了研究全世界范圍內(nèi)赤潮異彎藻的分布情況,Ki 等基于DNA 測序技術(shù), 對(duì)來自日本、韓國及北美等不同株系的多個(gè)分子標(biāo)記(約26.7 kbp)進(jìn)行測序,并結(jié)合NCBI 數(shù)據(jù)庫中已知序列進(jìn)行比對(duì)分析, 結(jié)果表明該研究所涉及的赤潮異彎藻株系基因型一致[44];Engesmo 等綜合利用DNA 測序、掃描電鏡和核糖體轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)(ITS)二級(jí)結(jié)構(gòu)分析, 在已鑒定的赤潮異彎藻中發(fā)現(xiàn)一個(gè)新種[6]。此外, 13 個(gè)多態(tài)性豐富的微衛(wèi)星分子標(biāo)記在赤潮異彎藻中也被開發(fā), 并應(yīng)用于該物種的遺傳結(jié)構(gòu)分析[45-46]。

葉綠體與線粒體是植物細(xì)胞內(nèi)的重要細(xì)胞器,作為半自主性細(xì)胞器, 它們可以編碼與自身功能相關(guān)的部分基因, 并參與光合作用、能量生成等重要生命活動(dòng)。關(guān)于葉綠體和線粒體的起源, 目前“內(nèi)共生”理論是普遍被大家認(rèn)可的, 即葉綠體起源于內(nèi)共生的藍(lán)藻, 而線粒體起源于內(nèi)共生的細(xì)菌, 因此分析葉綠體及線粒體基因組序列信息在揭示物種起源和分析不同物種之間的進(jìn)化關(guān)系等方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值。Cattolico 等利用Fosmid 克隆技術(shù)成功的對(duì)西太平洋和西大西洋兩株赤潮異彎藻的葉綠體基因組進(jìn)行了測序分析, 結(jié)果表明該物種的葉綠體大小為160 kbp, 編碼197 個(gè)基因, 且均存在22 kbp 的反向重復(fù)序列, 在基因編碼區(qū)和間隔區(qū)均發(fā)現(xiàn)核苷酸多態(tài)性[47]; Masuda 等利用兼并引物成功的對(duì)針胞藻中的赤潮異彎藻和海洋卡盾藻(Chattonella marinavar.marina)線粒體基因組進(jìn)行了測序分析, 結(jié)果表明赤潮異彎藻的線粒體全長38.7 kbp, 編碼62 個(gè)已知功能和7 個(gè)未知功能基因, 且兩個(gè)物種均含有重復(fù)基因組序列(Partial genome duplication)[48], 基于海洋卡盾藻的重復(fù)序列分析表明, 該重復(fù)區(qū)域序列變異較大, 可用于研究該物種的遺傳多樣性分析。

6.2 赤潮異彎藻分子生態(tài)學(xué)研究

分析不同代謝通路或典型基因?qū)Σ煌h(huán)境變化的響應(yīng)是目前分子生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn), 而赤潮異彎藻的相關(guān)分子調(diào)控機(jī)制研究卻鮮有報(bào)道。Coyne 等發(fā)現(xiàn)赤潮異彎藻可通過快速調(diào)控硝酸還原酶基因(Nitrate reductase, NR)表達(dá)應(yīng)對(duì)環(huán)境中氮營養(yǎng)鹽的變化, 在18～28℃范圍內(nèi)該基因的表達(dá)水平未見明顯波動(dòng), 且在硝酸鹽缺失和銨鹽存在情況下, NR 基因仍可以持續(xù)表達(dá), 該結(jié)果表明赤潮異彎藻可通過快速調(diào)控NR 表達(dá)應(yīng)對(duì)環(huán)境氮水平變化[49]; 為準(zhǔn)確分析赤潮異彎藻功能基因在不同環(huán)境下的調(diào)控規(guī)律, 筆者在實(shí)驗(yàn)室條件對(duì)該物種在不同培養(yǎng)條件下的qPCR最適內(nèi)參基因進(jìn)行了系統(tǒng)篩選[50]。隨后, 利用篩選的內(nèi)參基因, 對(duì)赤潮異彎藻藍(lán)光受體基因、減數(shù)分裂相關(guān)基因等功能基因進(jìn)行了深入研究[51-52]。此外, 有研究發(fā)現(xiàn)赤潮異彎藻銨態(tài)氮轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的晝夜調(diào)控節(jié)律與細(xì)胞的晝夜垂直遷移行為可能協(xié)同促進(jìn)了該物種對(duì)銨態(tài)氮的利用[53]。

隨著高通量測序成本的降低、通量的提高, 多組學(xué)分析逐漸被應(yīng)用于浮游植物生態(tài)學(xué)研究。2014 年海洋真核微生物轉(zhuǎn)錄組項(xiàng)目(MMETSP)公布了近680 個(gè)轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù), 其中針對(duì)赤潮異彎藻的4 個(gè)不同株系就設(shè)計(jì)了14 個(gè)處理組(表1), 涵蓋不同營養(yǎng)鹽、不同鹽度等培養(yǎng)條件[54]。Haley 等轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析表明赤潮異彎藻在氮和磷限制條件下分別有31%和16%的轉(zhuǎn)錄本顯著差異表達(dá), 其中氮轉(zhuǎn)運(yùn)、代謝相關(guān)基因在氮限制條件下顯著上調(diào)表達(dá), 而磷轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和有機(jī)磷利用相關(guān)基因的表達(dá)水平在磷限制條件下顯著上調(diào)[55]。此外, Hennon 等研究表明CO2水平的升高在生理和分子水平均會(huì)對(duì)赤潮異彎藻產(chǎn)生影響, 且生理反應(yīng)和基因表達(dá)調(diào)控并非呈線性[56]。針對(duì)環(huán)境樣品, 筆者利用18S rDNA 條形碼和宏轉(zhuǎn)錄組(Metatranscritpome)方法對(duì)赤潮異彎藻藻華形成過程的浮游植物多樣性和代表種的代謝通路進(jìn)行分析,研究結(jié)果表明藻華形成過程中環(huán)境浮游植物群落結(jié)構(gòu)明顯變化, 且赤潮異彎藻可通過多種途徑從環(huán)境中獲得營養(yǎng)物質(zhì)[43]。比較宏蛋白組(Metaproteomics)原位樣品分析結(jié)果顯示, 與甲藻東海原甲藻(Prorocentrum dongdaiense, 現(xiàn)更名P. shikokuense)相比, 赤潮異彎藻在渾濁度高、無機(jī)營養(yǎng)鹽充足的水體中, 可通過上調(diào)一系列基因表達(dá)實(shí)現(xiàn)對(duì)磷、氮、無機(jī)碳等利用, 進(jìn)而加速藻華形成[57]。

綜上所述, 盡管赤潮異彎藻分子生態(tài)學(xué)研究已取得一定進(jìn)展, 但相對(duì)于其他赤潮藻類研究仍處于落后水平, 很多生理學(xué)現(xiàn)象及藻華形成機(jī)制未能從分子水平上得到闡述。

表1 MMETSP 項(xiàng)目中赤潮異彎藻轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)信息[54]Table. 1 Information of H. akashiwo transcriptomes in MMETSP[54]

7 全球氣候變化下赤潮異彎藻藻華的發(fā)生趨勢(shì)

許多研究表明全球氣候變暖等現(xiàn)象導(dǎo)致浮游植物的群落結(jié)構(gòu)逐漸趨于不穩(wěn)定, 加劇了赤潮暴發(fā)[58]。溫度對(duì)浮游植物個(gè)體的直接作用主要表現(xiàn)在影響細(xì)胞新陳代謝、孢子萌發(fā)、營養(yǎng)攝取和光合作用等生理過程[32-33,58]。不僅如此, 溫度變化還可以改變生物間的相互作用以及營養(yǎng)物質(zhì)輸運(yùn)等過程, 如溫度升高不利于底層營養(yǎng)鹽的上行輸入, 進(jìn)而增強(qiáng)了具有遷移行為的浮游植物競爭優(yōu)勢(shì)[58]。2018 年10 月政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)在韓國仁川發(fā)布最新報(bào)告稱, 與工業(yè)化前相比, 目前全球平均氣溫已升高了約1.0℃。研究者預(yù)測, 在不進(jìn)行調(diào)控的情況下, 到2030—2052 年全球平均氣溫將升高約1.5℃[59], 因此海水升溫對(duì)浮游植物群落結(jié)構(gòu)的影響在未來幾十年有可能繼續(xù)加劇。此外, CO2作為光合作用的原料, 其水平高低在一定程度上也影響著浮游植物的群落結(jié)構(gòu)。Fu 等研究結(jié)果顯示相對(duì)于微小原甲藻(Prorocentrum minimum), 溫度和CO2水平升高均能刺激赤潮異彎藻生長, 表明在全球氣候變化的大背景下, 赤潮異彎藻具有一定的種間競爭優(yōu)勢(shì)[5]。此外,研究表明隨著CO2水平升高赤潮異彎藻的向下游泳行為將增強(qiáng), 且該物種運(yùn)動(dòng)相關(guān)基因的表達(dá)水平也顯著上調(diào), 進(jìn)而影響赤潮異彎藻的藻華形成[56,60]。盡管上述研究從宏觀水平說明了溫度和CO2變化對(duì)赤潮異彎藻的藻華形成會(huì)有一定影響, 但其影響機(jī)制研究仍有待深入, 且在未來研究中應(yīng)加強(qiáng)原位觀測、綜合模擬等分析。

8 赤潮異彎藻藻華防治方法研究現(xiàn)狀

有害藻華頻發(fā)對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)和人類健康持續(xù)造成威脅, 因此對(duì)其治理和減災(zāi)是目前亟待解決的生態(tài)學(xué)問題。目前, 有害藻華防治主要從物理、化學(xué)、生物等方面展開, 其中改性黏土在治理赤潮和褐潮方面已取得重大突破。Sengco 等研究表明, 0.5 g/L的IMC-P2 磷黏土可以有效去除赤潮異彎藻, 且去除效果隨著細(xì)胞濃度升高而增強(qiáng)[61]; 2006 年, 吳萍等研究發(fā)現(xiàn)0.03 g/L 的新型陽離子表面活性劑雙烷基聚氧乙烯基三季銨鹽改良后的黏土在24 h 內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)100%去除赤潮異彎藻, 且這種改性劑對(duì)養(yǎng)殖生物毒性較小[62]?；瘜W(xué)法是指利用化學(xué)物質(zhì)殺死赤潮藻,研究表明噻唑烷二酮衍生物(thiazolidinedione derivative) TD49 和靈菌紅素(prodigiosin)在一定濃度下可有效殺死赤潮異彎藻[63-64]。相對(duì)于物理和化學(xué)方法,生物控藻是一種最為環(huán)保的方法, Kim 等研究表明溶藻菌在赤潮異彎藻凋亡期起著重要作用[65], 同樣Zhang 等研究中使用的靈菌紅素就是從赤潮異彎藻溶藻菌Hahellasp. KA22 分泌物中篩選得到的一種殺藻化合物[64]。綜上, 目前已報(bào)道的赤潮異彎藻防治方法大多停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段, 其中改性黏土在治理赤潮異彎藻藻華治理方面可能有一定的應(yīng)用前景。

9 總結(jié)與展望

近年來, 在全球氣候變化和人類活動(dòng)的雙重作用下, 有害藻華造成的生態(tài)災(zāi)害日趨嚴(yán)重。赤潮異彎藻作為典型的赤潮生物, 其生物學(xué)和生態(tài)學(xué)研究一直備受關(guān)注。盡管本文從不同角度對(duì)赤潮異彎藻的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述, 但該物種仍有多個(gè)問題待進(jìn)一步解決: (1) 早期一些研究由于受實(shí)驗(yàn)方法和條件限制,赤潮異彎藻魚毒性機(jī)制研究僅從宏觀水平對(duì)生物學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行了描述。利用生態(tài)組學(xué)從分子水平深入研究毒性來源和作用機(jī)制有待進(jìn)一步展開; (2) 針對(duì)赤潮異彎藻化感作用抑制環(huán)境中中肋骨條藻等浮游植物生長機(jī)制的研究不夠深入, 如綜合轉(zhuǎn)錄組、宏轉(zhuǎn)錄組、代謝組等多組學(xué)手段, 并結(jié)合傳統(tǒng)生理學(xué)方法開展研究, 將有利于我們從不同水平全面闡釋化感作用的機(jī)制; (3) 目前有關(guān)赤潮異彎藻的研究主要在實(shí)驗(yàn)室模擬條件下展開, 且多數(shù)研究僅聚焦于單因子影響分析,不能全面反映藻華發(fā)生時(shí)的實(shí)際情況, 因此在后期研究中應(yīng)加強(qiáng)原位實(shí)驗(yàn); (4) 盡管目前已針對(duì)赤潮異彎藻建立多個(gè)分子檢測方法, 但大多局限于實(shí)驗(yàn)室分析,無法實(shí)現(xiàn)原位觀測, 因此應(yīng)推進(jìn)該物種的藻華監(jiān)測預(yù)警平臺(tái)建立; (5) 有關(guān)氣候變化對(duì)浮游植物群落結(jié)構(gòu)以及赤潮異彎藻藻華發(fā)生趨勢(shì)影響研究, 大多是基于單一物種模擬培養(yǎng), 不能全面反應(yīng)不同藻類之間的競爭關(guān)系, 因此應(yīng)加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和長時(shí)間的原位調(diào)查,并輔以多組學(xué)研究闡明內(nèi)在機(jī)制。綜上, 從微觀水平對(duì)宏觀現(xiàn)象進(jìn)行闡釋將有助于我們認(rèn)識(shí)赤潮異彎藻,有益于解析其藻華形成機(jī)制, 也將為該物種的藻華防控提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。