我国微囊藻多样性分析及其种群优势的生理学机制研究

Abstract

微囊藻是国内外水体常见的水华种类，由于某些种类能产生一种已被认为能诱发人类原发性肝癌的环状肝肽－微囊藻毒素，因此微囊藻水华产生机理及其危害引起科学界和社会各界长期和广泛的关注。在长期的进化过程中，水华蓝藻，特别是微囊藻发展了一套独特的生理学机制和适应特性，形成了极强的生态竞争优势。由于微囊藻主要以群体形式存在于微囊藻水华中，近几十年来对群体微囊藻在微囊藻水华的形成和保持中的作用已经开展了一些研究。然而，由于缺乏可比对的资料和数据，这种群体形式存在的竞争机制仍然存在较大的空白。我们实验室先前的研究表明群体和单细胞形态的微囊藻在生理适应方面有明显不同。为了进一步研究群体种群优势的机制和微囊藻的多样性，本文主要针对以下几个问题进行研究：1、群体微囊藻形成水华优势的生理基础是什么？2、在水华形成过程中，单细胞形态的微囊藻如何转化为群体形态微囊藻，这种转化的机制是什么？3、我国水体常见微囊藻水华，这些种类的亲缘关系、多样性和产毒特性如何？针对上述问题，本文开展了系统深入的研究，主要的研究结果归纳如下： 1. 与单细胞微囊藻相比，群体微囊藻比生长率和叶绿素含量较低，但在整个生长阶段的光合放氧、ETRmax和高效的无机碳吸收能力（K0.5DIC≤8.395±0.701 μM）均较高。此外，群体微囊藻的PC在整个藻蓝蛋白组分中的百分含量明显高于单细胞微囊藻，AP∶PE的比值（1.7∶1）较单细胞微囊藻稳定； 2. 比较了群体和单细胞微囊藻的外源无机磷和胞外产物积累，结果表明了单细胞微囊藻的Km高于群体微囊藻，但是群体和单细胞微囊藻在Vmax/Km和Vmax并没有显著性的差异，这暗示了在形成水华过程中群体和单细胞微囊藻对磷的竞争能力大致相似，单细胞微囊藻略优于群体微囊藻。然而，群体微囊藻的胞外多糖（EPS）和总糖含量均高于单细胞微囊藻； 3. 群体和单细胞微囊藻的最大光合效率（Pm）和最适饱和光强(Ik)随着微囊藻群体直径大小的增加而增大。但两者的光合作用效率（α）、光补偿点（Ic）和暗呼吸（Rd）无显著的差异； 4. 在高光强胁迫下，微囊藻Fv/Fm、ETRmax、光合效率（α）和最适光强（Ik）都有所降低，但群体微囊藻降幅低于单细胞微囊藻；此外，群体微囊藻能通过增加SOD和CAT酶活性来减少光氧化造成的伤害，而单细胞只增加CAT酶活性； 5. 在高浓度CuSO4胁迫24 h后，微囊藻的光合系统PSⅡ受到不同程度的伤害，Fv/Fm，光合放氧活性、ETRmax降低。单细胞微囊藻细胞迅速处于不健康或死亡的状态，并向胞外释放出大量的微囊藻毒素；相比之下，群体微囊藻PSⅡ受伤害程度较小，大部分细胞仍处于健康状态，并产生大量的抗氧化酶SOD、CAT来减少CuSO4的毒性； 6. 首次发现金藻Poterioochromonas sp.能诱导单细胞微囊藻形成群体。对其机制进行研究表明，微囊藻群体的形成不是由于金藻释放的化学信号物质诱导产生的，推测可能是由于摄食压力改变了微囊藻的某些生理特征，从而诱导微囊藻群体形成； 7. 首次报道了微囊藻形态受Ca2+浓度控制。其形成群体的原因可能是Ca2+引起了微囊藻细胞生理特征（C-PC、Ik和ETRmax）发生改变，从而增加了光合作用，进一步引起了光合产物EPS和酸性多糖的积累和释放，导致了微囊藻群体的形成。此外，钙桥和离子相互间的作用力进一步加剧了细胞聚集的速度，导致群体直径变大； 8. 从中科院淡水藻种库中选取了代表我国不同区域水体的20株微囊藻藻株，利用分子生物学技术分析了我国微囊藻的多样性。cpcBA-IGS序列构建的NJ系统树结果表明，20株微囊藻可按照地理位置分为4个类群，这说明了我国微囊藻属具有较高的多样性。同时对我国和南北半球其他国家和地区的微囊藻藻株的进化关系进行比较，结果显示我国微囊藻与北半球的微囊藻具有较高的同源性(97.2-100%)。此外，研究也表明在我国微囊藻水华中，产毒微囊藻占优势； 综上所述，群体微囊藻高效的光合活性、高无机碳吸收能力以及高耐受胁迫和水体污染的能力可能是群体微囊藻形成水华优势的重要原因