孫 平,宋宛霖,李晶晶,莊龍傳,劉正一*,鐘志海*

(1.中國科學(xué)院煙臺海岸帶研究所,山東 煙臺 264003;2.中國科學(xué)院大學(xué),北京101407;3.河海大學(xué),江蘇 南京 210098)

引 言

綠潮最早發(fā)生于20世紀(jì)70年代[1]。歐洲(丹麥、荷蘭、英國和法國)、亞洲(韓國、日本和中國)、美洲、澳大利亞等地相繼報(bào)道了由大型綠藻引發(fā)的綠潮現(xiàn)象[2-5]。自2007年滸苔綠潮在我國南黃海海域爆發(fā)以來,以滸苔(Ulvaprolifera)為優(yōu)勢種的綠潮已成為我國主要的海洋災(zāi)害類型之一[6]。滸苔在分類學(xué)上屬綠藻門、綠藻綱、石莼目、滸苔屬,廣泛分布于世界各地潮間帶[7-9]。2019年中國海洋災(zāi)害公報(bào)顯示,滸苔最大覆蓋面積790 km2,最大分布面積57 500 km2。目前,綠潮已嚴(yán)重影響到海域生態(tài)和經(jīng)濟(jì)功能,同時給周圍海陸區(qū)域帶來不利影響[10-11]。也有研究表明,滸苔的爆發(fā)可能對近岸海域的有機(jī)污染物(多環(huán)芳香烴)的清除有積極意義[12]。

我國南黃海發(fā)生的綠潮是滸苔的一種新的生態(tài)型,即滸苔漂浮生態(tài)型。目前針對該生態(tài)型的起源頗具爭議,但是不可否認(rèn),漂浮生態(tài)型與定生滸苔相比具有多級分枝和氣囊等特點(diǎn),是其迅速、大面積爆發(fā)的原因之一[13-15]。滸苔在漂浮過程中,主要面臨高溫、高光、高鹽、強(qiáng)紫外線、失水等逆境的綜合影響。目前,國內(nèi)外對滸苔的研究主要集中逆境中的光保護(hù)機(jī)制、滲透調(diào)節(jié)機(jī)制、抗氧化機(jī)制等生理響應(yīng)及其遺傳特性。本文在綜述上述機(jī)制基礎(chǔ)上,總結(jié)漂浮滸苔在逆境下機(jī)制之間的能量調(diào)節(jié)機(jī)制,旨在為漂浮滸苔對逆境的適應(yīng)機(jī)制研究提供借鑒。

1 光保護(hù)機(jī)制

滸苔在漂浮過程中,高溫、高鹽、高光照、強(qiáng)紫外線、低pH、富營養(yǎng)化、重金屬等環(huán)境因子脅迫會導(dǎo)致光抑制[16]。光抑制會影響PSII中蛋白質(zhì)的合成,降低暗反應(yīng)中Rubisco酶活性,減少色素含量,降低滸苔的光合作用效率,嚴(yán)重時會造成DNA損傷,對光合系統(tǒng)造成不可逆的破壞,導(dǎo)致滸苔死亡[17-19]。研究表明,在酸性(pH 4.0)和強(qiáng)光(1 200 μmol photons m-2s-1)共同作用下,會導(dǎo)致滸苔的光合作用被嚴(yán)重抑制,這是由于在這種情況下H+可能會滲透到滸苔細(xì)胞內(nèi)部,破壞Rieske FeS蛋白(PetC),使細(xì)胞色素(Cytf)降解,阻礙電子傳輸,降低光系統(tǒng)I(PSI)活性[20-21]。為減少光抑制的影響,漂浮滸苔在長期進(jìn)化過程中,已具備一系列光保護(hù)機(jī)制來維持滸苔的正常生長。

1.1 非光化學(xué)淬滅(NPQ)

NPQ反映植物PSII反應(yīng)中心非輻射能量耗散能力及植物光保護(hù)能力[22]。NPQ可以通過熱量的形式有效耗散高光等脅迫下積累在捕光復(fù)合體(LHCs)中的能量[23]。高光照能夠使?jié)G苔的NPQ被快速激活以減少過量激發(fā)能對PSII的傷害,除此之外,激活的NPQ還可以確保在低光條件下對滸苔光合系統(tǒng)裝置提供足夠保護(hù)。

研究表明,NPQ一般是基于天線蛋白中的光調(diào)控和葉黃素依賴的過程,這些過程則由特定的蛋白質(zhì)激發(fā)。如在藍(lán)藻和紅藻中,NPQ由類胡蘿卜素蛋白(OCP)的光激活觸發(fā),而滸苔等綠藻則依賴于PsbS蛋白和LHCs蛋白[24]。此外,綠藻中含有LHCs蛋白除參與NPQ過程,還可以結(jié)合葉綠素(Chl)和類胡蘿卜素,參與光能的捕獲過程[24-26]。

漂浮滸苔中的NPQ觸發(fā)蛋白是綠藻LHCs超家族的另一個成員—胡蘿卜素生物合成相關(guān)蛋白(CBR)。在高鹽或過度光照脅迫下,CBR表達(dá)上調(diào),且上調(diào)幅度大于捕光色素蛋白復(fù)合體(LHCs)和光保護(hù)蛋白(PsbS),其結(jié)果表明,CBR對PSII保護(hù)能力高于LHCs和PsbS,但該機(jī)制需要進(jìn)一步探究[27]。漂浮滸苔中NPQ的產(chǎn)生除了由特定蛋白激發(fā)以外,還與類囊體內(nèi)外的pH梯度形成有關(guān),過多的光能在電子傳遞過程中,產(chǎn)生質(zhì)子梯度,使類囊體產(chǎn)生低pH,而引起葉黃素循環(huán)等一系列反應(yīng)。這些反應(yīng),在一定程度上降低電子傳遞的壓力并避免活性氧自由基(ROS)對細(xì)胞的損傷[26,28]。

從蛋白質(zhì)水平上分析滸苔在脅迫下蛋白表達(dá)情況發(fā)現(xiàn),當(dāng)滸苔受到高光脅迫時,LHCSR和PsbS蛋白會在滸苔細(xì)胞內(nèi)快速積累,即滸苔可以通過調(diào)節(jié)LHCSR和/或PsbS蛋白的濃度來調(diào)節(jié)NPQ水平[24]。此外,滸苔在長期暴露于高光后,藻體內(nèi)部的高水平的LHCSR和PsbS蛋白可為其在黑暗和低光條件下提供最佳的光保護(hù)[29]。因此,相較于其他藻類,滸苔可能屬于LHCSR和PsbS蛋白依賴型海藻。

滸苔中PsbS蛋白依賴機(jī)制取決于葉黃素循環(huán)的玉米黃質(zhì)和類囊體內(nèi)腔的pH變化,葉黃素循環(huán)中的色素轉(zhuǎn)化依賴質(zhì)子梯度的變化,該過程是十分迅速的,這就保證了滸苔能夠在環(huán)境脅迫下快速響應(yīng)[30]。葉黃素循環(huán)中玉米黃質(zhì)和紫黃質(zhì)在玉米黃質(zhì)環(huán)氧酶(ZEP)、紫黃質(zhì)脫氫環(huán)氧酶(VDE)催化下相互轉(zhuǎn)化可以消耗過剩的能量[31]。二硫蘇糖醇(DDT)能夠阻斷紫黃質(zhì)的轉(zhuǎn)化。因此,有研究發(fā)現(xiàn)與高光滸苔處理樣品相比,DDT處理后的滸苔NPQ明顯降低從而表明葉黃素循環(huán)參與滸苔NPQ過程[29]。

1.2 循環(huán)電子流(CEF)

光合作用中電子以線性電子流(LEF)和循環(huán)電子流(CEF)的形式流動,并在這兩種形式之間切換,該過程取決于PSI和PSII兩個光系統(tǒng)之間激發(fā)能量的平衡和分配[32-33]。由于PSI周圍循環(huán)電子流的作用,PSI中電子傳遞速率高于PSII中的電子傳遞速率,激發(fā)的能量能夠以循環(huán)電子流的形式被消耗,從而使PSII承受較少的激發(fā)能傷害[34]。大型海藻為抵抗復(fù)雜環(huán)境帶來的傷害,會通過循環(huán)電子流“分擔(dān)”線性電子流的產(chǎn)能作用,并保護(hù)藻體的光合器官免受傷害[35]。研究發(fā)現(xiàn),循環(huán)電子流在海藻響應(yīng)環(huán)境脅迫中扮演重要角色,它能夠提高海藻對極端環(huán)境的適應(yīng)能力,如CEF使條斑紫菜(Porphyrayezoensis)PSI失水后復(fù)水速度更快,并且使羊棲菜(Sargassumfusiforme)PSI對鹽脅迫的耐受能力也高于PSII[36-37]。

CEF是PSI的電子傳遞到Fd之后,通過細(xì)胞色素b6f、PC又重新回到PSI的過程,該過程可增加PSI的作用而減少過多激發(fā)能量對PSII的傷害,并可以作為電子供體促進(jìn)質(zhì)子梯度產(chǎn)生,以合成ATP。循環(huán)電子流使?jié)G苔PSII受到抑制時,依然有光合作用以維持生長,并且在環(huán)境恢復(fù)時快速恢復(fù)自身的活性[38-39]。因此,圍繞PSI的循環(huán)電子流是滸苔抗逆的自我保護(hù)機(jī)制。研究表明,滸苔在高鹽和干出脅迫下,會加強(qiáng)磷酸戊糖途徑以通過合成NADPH驅(qū)動循環(huán)電子流和合成核酸前體(5-磷酸核糖)來參與光合電子傳遞和脅迫解除后的復(fù)蘇過程[40]。

1.3 狀態(tài)轉(zhuǎn)換機(jī)制

狀態(tài)轉(zhuǎn)換(state transition)是植物對短期環(huán)境脅迫的適應(yīng)機(jī)制之一。狀態(tài)轉(zhuǎn)換機(jī)制是在環(huán)境脅迫下的光保護(hù)過程,是滸苔對復(fù)雜逆境的自我調(diào)節(jié)的過程,通過該機(jī)制,可達(dá)到優(yōu)化光合效率的作用[41]。

滸苔的狀態(tài)轉(zhuǎn)換機(jī)制是通過PSII和PSI之間能量轉(zhuǎn)換完成的。由于滸苔內(nèi)部光系統(tǒng)結(jié)合的光合色素不同,不同波長的光對PSI和PSII的激發(fā)不同。通過77K葉綠素?zé)晒鉁y量發(fā)現(xiàn),適應(yīng)了復(fù)雜環(huán)境變化的滸苔會發(fā)生狀態(tài)的轉(zhuǎn)變,即峰值的位移[42]。在高溫、高光脅迫下,滸苔PSII被過度激發(fā),光合傳遞鏈電子量過多,使LHCII磷酸化。磷酸化的LHCII從PSII轉(zhuǎn)移到PSI,導(dǎo)致PSII捕獲光能的能力下降,而PSI增強(qiáng),使過量光能分配給PSI,增加PSI的光吸收。PSI對脅迫具有較強(qiáng)的耐受力,以保證滸苔在逆境中的生命力。因此,滸苔在漂浮過程中通過LHCII磷酸化和去磷酸化來調(diào)節(jié)兩個光系統(tǒng)之間的能量平衡[43]。

2 滲透調(diào)節(jié)

鹽度主要影響海水的滲透壓力,并進(jìn)一步影響藻類細(xì)胞的滲透平衡和電化學(xué)梯度流[44]。不同海藻對鹽度的響應(yīng)存在共性和特性。與陸地植物相比,海藻廣泛分布在鹽度不同的區(qū)域,因而對海水鹽度的響應(yīng)存在著更復(fù)雜的機(jī)制。高鹽對海藻的影響主要是使細(xì)胞脫水和產(chǎn)生毒副作用。因此為響應(yīng)鹽度的變化,海藻進(jìn)行雙向調(diào)控,第一階段隨著滲透梯度的變化,生物體內(nèi)或生物體外的大量水引起的膨脹壓迅速變化。第二階段代表滲透適應(yīng)的過程,即調(diào)節(jié)滲透活性無機(jī)離子和有機(jī)滲透調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)濃度,直到達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)。滸苔比緣管滸苔(Ulvalinza)對海水鹽度的適應(yīng)范圍要廣一些,在不損傷細(xì)胞膜的前提下,滸苔細(xì)胞可反復(fù)進(jìn)行質(zhì)壁分離,以適應(yīng)高鹽、低鹽的環(huán)境。因此,滸苔在近海、偏內(nèi)地的河口(鹽度低而不穩(wěn)定),甚至是在內(nèi)地的江河中均有分布生長[45]。

滸苔除了周期性遭受高溫、高鹽、高光等環(huán)境脅迫以外,還會遭受由局部強(qiáng)降雨導(dǎo)致的低鹽脅迫的影響[46-48]。研究表明,滸苔漂浮生態(tài)型對高鹽有較好的耐受性,而對低鹽較為敏感[49]。低鹽脅迫顯著降低了其光合作用、暗呼吸速率、細(xì)胞離子含量和菌體細(xì)胞的活力,但滸苔可通過滲透調(diào)節(jié)體系增強(qiáng)滲透調(diào)節(jié)能力[50-51]。環(huán)境脅迫因子影響滸苔內(nèi)部滲透壓的方式不同,如高溫會改變滸苔細(xì)胞膜的流動性和使磷脂雙分子層解體,而導(dǎo)致更大量內(nèi)含物外流,進(jìn)而改變滸苔內(nèi)部滲透壓[52-53];高鹽則會使?jié)G苔細(xì)胞失水皺縮,造成生理性失水,并伴隨大量Cl-等離子涌入,導(dǎo)致離子濃度過高[54]。滸苔為了調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)的離子平衡,需要積累一些物質(zhì)作為來維持細(xì)胞滲透壓平衡,如可溶性糖、脯氨酸和Na+等[55]。

3 抗氧化體系

為了降低ROS帶來的損傷,滸苔等光合生物通過產(chǎn)生與光呼吸有關(guān)的過氧化氫酶和PSI有關(guān)的抗壞血酸來進(jìn)行解毒。除此之外,滸苔含有的多種抗氧化劑,如,谷胱甘肽(GSH)、α-生育酚(GST)以及防御系統(tǒng)(即超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)等也可用于進(jìn)行清除自由基的傷害[57-61]。

研究表明,硫醇酶參與葉綠體中固碳途徑的代謝調(diào)節(jié),在固碳途徑中的硫醇酶通過還原硫-鐵氧還蛋白系統(tǒng)中的光化學(xué)生成的量來激活[62]。1,6-果糖二磷酸在硫醇酶中具有最低的活性,且是H2O2攻擊的主要目標(biāo),因此,滸苔的固碳途徑的順利進(jìn)行與硫醇酶密切相關(guān)[63]。抗氧化系統(tǒng)的順利進(jìn)行是保證滸苔固碳途徑有序進(jìn)行的基礎(chǔ)。滸苔的抗氧化機(jī)制還包含磷酸戊糖途徑中6-磷酸葡萄糖脫氫酶產(chǎn)生的NADPH,NADPH具有還原性,可降低活性氧對細(xì)胞的氧化傷害[39]。

4 能量調(diào)節(jié)機(jī)制

滸苔能量調(diào)節(jié)適應(yīng)過程的有序進(jìn)行是滸苔保持正常生長的前提。能量調(diào)節(jié)機(jī)制是調(diào)節(jié)光合作用電子傳遞鏈中ATP和NADPH的產(chǎn)生速率與它們在新陳代謝中的利用速率相協(xié)調(diào)的短期和長期機(jī)制。其中,光合作用中涉及能量的利用轉(zhuǎn)換對研究滸苔的生長、發(fā)育過程尤為重要。滸苔根據(jù)需求通過一系列復(fù)雜的控制進(jìn)行精細(xì)調(diào)整ATP和NADPH的生產(chǎn),以防止積累高的NAD(P)H/NAD(P)比率和ATP/ADP比率,對光合電子傳遞鏈組分過度還原和失活[64]。

高溫、高光、高鹽等復(fù)雜環(huán)境會使?jié)G苔積累過量的激發(fā)能,引起能量失衡而對PSII造成損傷。滸苔的能量調(diào)節(jié)適應(yīng)是在極端環(huán)境下對獲取的能量重新適應(yīng)的過程,如在高光環(huán)境下,首先,通過調(diào)整光合作用中的光反應(yīng)階段即通過降低光合作用效率(α)以降低捕獲(輸入較低的光能)和轉(zhuǎn)移(非光化學(xué)淬滅)光能的效率,從而重新建立能量平衡[65]。其次,通過增加光呼吸或者碳同化途徑以促進(jìn)能量的利用。暗反應(yīng)和光呼吸的能量消耗與產(chǎn)生存在數(shù)量關(guān)系,從能量代謝途徑分析,卡爾文循環(huán)消耗ATP與NADPH的比例為3∶2,而光呼吸則為13∶6,在不同CO2和O2狀態(tài)下滸苔需要調(diào)節(jié)能量平衡以維持正常生長狀態(tài)[66]。最后通過影響滲透調(diào)節(jié)系統(tǒng)、抗氧化系統(tǒng)中的能量分配,共同使?jié)G苔內(nèi)部的能量達(dá)到平衡狀態(tài)。這一系列的反應(yīng)是滸苔對逆境做出的能量調(diào)節(jié)適應(yīng),以保證滸苔能夠正常生長。

滸苔逆境的能量調(diào)節(jié)適應(yīng),主要涉及激發(fā)能的分配、能量產(chǎn)生以及能量利用等過程。滸苔在獲取光能后,轉(zhuǎn)換為激發(fā)能,激發(fā)能以熒光、熱量以及光化學(xué)耗散的形式轉(zhuǎn)移,其中,熒光耗散占據(jù)一小部分,極大部分能量以光化學(xué)耗散形式被利用,但是當(dāng)光照過多時,滸苔吸收的光能大于光化學(xué)途徑時,會產(chǎn)生活性氧對光系統(tǒng)造成傷害,因此葉黃素循環(huán)成為另一種耗散能量的主要方式,以實(shí)現(xiàn)激發(fā)能的有效分配。

能量即ATP通過ATP合酶產(chǎn)生,該過程與線性電子傳遞鏈和環(huán)式電子傳遞鏈形成的質(zhì)子梯度有關(guān)。研究表明,滸苔之所以可以快速大量繁殖,環(huán)式電子傳遞和固碳方式起重要作用。在正常生長過程中,卡爾文循環(huán)消耗的ATP/NADPH為1.5,而線性電子傳遞產(chǎn)生的則約為1.3,環(huán)式電子傳遞可作為線性電子傳遞產(chǎn)能的補(bǔ)充[67]。因此,循環(huán)電子流在極端環(huán)境下能夠形成跨越類囊體膜的質(zhì)子梯度,通過ATP酶合成ATP提高ATP/NADPH比例和引發(fā)熱耗散保護(hù)光合系統(tǒng)免受因葉綠體過度還原而造成的傷害[68-69]。Rubisco酶是滸苔固碳途徑中的關(guān)鍵限速酶,是一種既參與光合作用又參與光呼吸作用的雙功能酶。在嚴(yán)重脫水狀態(tài)下,rbcL基因作為Rubisco酶的大亞基,其表達(dá)量和CO2補(bǔ)償點(diǎn)的急劇增高,表明在極端環(huán)境下,滸苔可能存在嚴(yán)重的光呼吸。研究發(fā)現(xiàn),干旱和強(qiáng)光脅迫可導(dǎo)致Rubisco酶活性降低,ATP合成過量,光呼吸增加有利于消耗過量的能量對光系統(tǒng)的傷害[70]。因此rbcL基因的表達(dá)是滸苔應(yīng)對環(huán)境脅迫的關(guān)鍵,在嚴(yán)重脫水的情況下,Rubisco酶可以調(diào)節(jié)光合作用和光呼吸之間的能量關(guān)系,從而調(diào)節(jié)滸苔的凈光合能力[71-72]。

除了光合系統(tǒng)外,還有其他生理代謝的能量調(diào)節(jié),如在滲透調(diào)節(jié)機(jī)制和抗氧化機(jī)制中,滸苔通過能量調(diào)節(jié)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑控制抗逆物質(zhì)的輸入和輸出過程。Ca2+通道是植物響應(yīng)滲透脅迫的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路,有研究表明,滸苔Ca2+的受體蛋白CaM在高鹽脅迫下,具有較高表達(dá)量,從而激活下游靶蛋白活性,以達(dá)到較高的耐鹽能力[73-74]。信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑是通過能量狀態(tài)的轉(zhuǎn)變實(shí)現(xiàn)的,滸苔在極端環(huán)境下,將能量用于信號轉(zhuǎn)導(dǎo),一方面減少光合系統(tǒng)消耗能量的壓力,另一方面可以提高滸苔信號傳導(dǎo)能力,提高滸苔對逆境的耐受能力。

漂浮滸苔的光化學(xué)能量轉(zhuǎn)換和適應(yīng)調(diào)節(jié)機(jī)制使PSII沒有因?yàn)榄h(huán)境脅迫而受到嚴(yán)重破壞[75]。在高光、高溫、高鹽等復(fù)雜環(huán)境下,PSII過量能量一方面被NPQ和熒光消散,一方面以電子傳遞鏈的形式傳遞給PSI并進(jìn)一步被光呼吸等耗能過程利用。NPQ的增加不僅帶走激發(fā)的過量能量,還可激發(fā)抗氧化系統(tǒng)以抵御活性氧的侵害。當(dāng)ATP合成不足時,循環(huán)電子流和水-水循環(huán)會提升△pH促進(jìn)合成ATP。水-水循環(huán)不僅參與能量調(diào)節(jié),還可以清除活性氧,參與滸苔的抗氧化過程。雖然滸苔在漂浮過程中面臨極端復(fù)雜的外界環(huán)境,但是空氣中的CO2可使?jié)G苔光合固碳能力升高,從而降低碳濃縮機(jī)制,達(dá)到節(jié)省能量的目的。這使漂浮滸苔能夠?qū)⒐?jié)省的能量用于其他生命過程[76]。這種在逆境下建立的新平衡是滸苔適應(yīng)極端環(huán)境的前提條件。

滸苔在漂浮過程中,為了適應(yīng)外界環(huán)境的變化(溫度、鹽度、光照等),會發(fā)生形態(tài)的改變,以便更好的適應(yīng)環(huán)境的變化[77]。滸苔外部形態(tài)的變化,是對自身產(chǎn)生能量的合理分配。漂浮滸苔的不同生態(tài)位呈現(xiàn)不同的形態(tài),上層是漂浮氣囊,下層則是懸掛分枝。漂浮氣囊處于脅迫狀態(tài)而懸掛分枝處于健康狀態(tài)。在高光脅迫下,漂浮氣囊纏繞在一起為懸掛分枝遮擋一部分光照,以保證滸苔的生長[78]。這種漂浮——懸掛模式大大節(jié)省了能量,將能量進(jìn)行合理地分配,從而提高滸苔的生存能力。

5 結(jié)論

以滸苔為優(yōu)勢種的綠潮快速爆發(fā)是內(nèi)因和外因共同作用的結(jié)果,即滸苔自身的生理特性和外部環(huán)境共同作用。相比于其他大型海藻,滸苔具有較高光合作用能力和生長速率,這使其在綠潮爆發(fā)中具有較大的生存優(yōu)勢。近年來,對滸苔抗逆機(jī)制的研究已經(jīng)達(dá)到一定深度,國內(nèi)外學(xué)者分別從細(xì)胞、分子等層面進(jìn)行研究,但仍然存在差距。首先滸苔漂浮生態(tài)型的適應(yīng)機(jī)制是一個復(fù)雜的過程,各種機(jī)制之間存在的關(guān)系(并行、因果等關(guān)系)并未完全理清;其次漂浮滸苔生態(tài)型對雙因素、多因素的環(huán)境脅迫因子的響應(yīng)并非線性的關(guān)系,各種環(huán)境脅迫因子的作用順序和效果還需進(jìn)一步探究;最后作為一種新的生態(tài)型,滸苔漂浮生態(tài)型的研究處于基礎(chǔ)階段,與環(huán)境脅迫相關(guān)的物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能并不清楚,其起源也眾說紛紜。因此,在目前研究的基礎(chǔ)上,還需進(jìn)一步對滸苔漂浮生態(tài)型的發(fā)生和發(fā)展等過程進(jìn)行研究,并結(jié)合不斷出現(xiàn)的生態(tài)問題,加深對滸苔的深刻理解。