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  热带亚热带植物学报  2018, Vol. 26 Issue (2): 133-140  DOI: 10.11926/jtsb.3788
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引用本文  

阮紫曦, 于婷, 雷腊梅, 等. 光照-温度交互作用及不同氮源对拟柱孢藻生长的影响[J]. 热带亚热带植物学报, 2018, 26(2): 133-140. DOI: 10.11926/jtsb.3788.
RUAN Zi-xi, YU Ting, LEI La-mei, et al. Effects of Temperature-irradiance Interactions and Three Nitrogen Sources on Growth of Cylindrospermopsis raciborskii[J]. Journal of Tropical and Subtropical Botany, 2018, 26(2): 133-140. DOI: 10.11926/jtsb.3788.

基金项目

广东省水利科技创新项目(2016-29);广东省科技计划项目(2013B091300015)资助

通信作者

雷腊梅, E-mail:tleilam@jnu.edu.cn

作者简介

阮紫曦(1992~), 女, 硕士研究生。E-mail:ruan-zi-xi@163.com

文章历史

收稿日期:2017-07-06
接受日期:2017-09-29
光照-温度交互作用及不同氮源对拟柱孢藻生长的影响
阮紫曦 , 于婷 , 雷腊梅 , 彭亮 , 韩博平     
暨南大学生命科学技术学院生态学系, 广州 510632
摘要:为探讨不同环境因子对拟柱孢藻(Cylindrospermopsis raciborskii)生长的影响,对从广东省镇海水库分离的2株拟柱孢藻在不同的温度和光照组合,及不同氮源条件下的生长进行了研究。结果表明,在3种光强下,拟柱孢藻N1和N8藻株的生长随温度的上升而增加,均在28℃高光强下达到最大比生长速率,而N8藻株对低温的适应能力要高于N1藻株。拟柱孢藻N1和N8在各硝态氮浓度下均能正常生长,但仅能在中低浓度的铵态氮和尿素氮中生长,高浓度(128~247 mg L-1)的铵态氮和尿素氮会显著抑制藻细胞生长;在3种氮源下,N1藻株的比生长速率均显著大于N8藻株,这说明N1藻株对不同氮源的利用能力要高于N8藻株。因此,广东省的拟柱孢藻具株系多样性,喜好高温,适应较宽的光照范围,并可利用多种氮源用于生长,这可能是该地区拟柱孢藻水华频发的原因。
关键词拟柱孢藻    温度    光照    氮源    比生长速率    
Effects of Temperature-irradiance Interactions and Three Nitrogen Sources on Growth of Cylindrospermopsis raciborskii
RUAN Zi-xi , YU Ting , LEI La-mei , PENG Liang , HAN Bo-ping     
Department of Ecology, Jinan University, Guangzhou 510632, China
Foundation item: This work was supported by the Program for Water Resource Science and Technology Innovation in Guangdong (Grant No. 2016-29), and the Program for Science and Technology in Guangdong (Grant No. 2013B091300015)
Abstract: In order to evaluate the effects of critical environmental factors on growth of Cylindrospermopsis raciborskii, the growth of two strains isolated from Zhenhai Reservoir in Guangdong Province was studied under combining temperature from 12℃ to 32℃ and irradiance (from 30 to 120 µmol m-2s-1) and three nitrogen sources (nitrate-N, ammonium-N and urea-N). The result showed that the growth of N1 and N8 strains of C. raciborskii increased with temperature under three light conditions and their growth rate was the biggest at 28℃ with high irradiance. Cylindrospermopsis raciborskii N1 strain was not able to grow at both 12℃ and 16℃, while N8 strain only could not be at 12℃. These suggested that the strain N8 had higher tolerance to low temperature than N1. The strains N1 and N8 grew well under nitrate-N (2-247 mg L-1), but only at a low level of ammonium-N and urea-N. Moreover, the growth of both strains completely inhibited under high ammonium-N and urea-N (128-247 mg L-1). The specific growth rates of N1 strain under three nitrogen sources were always higher than those of N8 strain, which indicated that the capability for strain N1 to utilize nitrogen was stronger than strain N8. In conclusion, Cylindrospermopsis raciborskii isolated from Guangdong Province has high strain diversity and adapt to high temperatures and a wide range of light intensities, and is able to use multisource of nitrogen. This may be the reason for frequent occurrence of C. raciborskii in the studied region.
Key words: Cylindrospermopsis raciborskii    Temperature    Light intensity    Nitrogen source    Specific growth rate    

全球气候变暖和水体富营养化不但显著增加有害蓝藻水华的发生规模和频率,还会导致新的蓝藻水华类型的出现,拟柱孢藻(Cylindrospermopsis raciborskii)是近20年来备受全球关注的新型水华蓝藻种类[1]。拟柱孢藻可产生包括拟柱孢藻毒素(cylindrospermopsin, CYN)在内的多种蓝藻毒素, CYN可抑制细胞蛋白合成,损伤DNA,是一种较强的致癌剂,严重危害人类健康[2]。拟柱孢藻属于热带亚热带特征性种类,目前已在全球的湖泊、水库、河流等各种水体广泛分布,这种向温带地区的入侵行为使拟柱孢藻的生理生态策略成为研究热点[3]

拟柱孢藻能在全球扩张与其对温度、光照和营养等环境适应性特点有关。拟柱孢藻能耐受低温低光环境,同时具有范围较宽的温度和光强适应性, 使其具有最重要生态优势,从而有利于该藻成功入侵至温带水体[3-4]。拟柱孢藻在氮利用上被认为是广幅性种类,它既可自行固氮,也可以利用包括溶解的无机氮(即铵态氮、硝酸盐)和有机氮(尿素)在内的多种氮源[5-6],灵活的氮利用策略也被认为是该藻广泛扩张的生理基础。在自然水体中,光强、温度和营养等环境因子同时作用,它们对浮游植物生长的影响通常存在相互作用[7]。目前已有不少关于单个环境因子下拟柱孢藻的生长试验,而有关温度和光照的联合作用对拟柱孢藻生长影响的研究还比较少[8-10],对了解多因子作用下的拟柱孢藻生长还缺少基础数据。

近年来,我国的广东、云南、湖北、福建及台湾等多个省份均发现拟柱孢藻[11-13],在南亚热带地区的广东省,拟柱孢藻更是水库的常见种类,在三坑、百花林、显岗、塘坑边、镇海等多个水库爆发成水华[14-15]。针对这种现状,本研究以分离自广东省镇海水库的2株拟柱孢藻为研究对象,观察温度和光照对它们生长的复合影响,比较拟柱孢藻在不同氮源下的生长差异,探讨光照、温度和营养盐等环境因子在当前我国拟柱孢藻优势形成中的作用。

1 材料和方法 1.1 藻株来源和培养

拟柱孢藻(Cylindrospermopsis raciborskii) N1和N8藻株均分离自广东省镇海水库,2藻株藻丝均呈直线形,但N1藻株丝体平均长度较N8短。藻种保存及试验中采用的培养基均为BG11,藻株置于28℃恒温光照培养箱中培养,光照强度为35 µmol m-2s-1,光暗周期为12 h:12 h。

1.2 光照和温度的影响

分别取适量生长良好的拟柱孢藻N1和N8藻液,在显微镜下计数,计算藻细胞浓度。用BG11培养基将藻液稀释到浓度约为105 cells mL-1,随后将30 mL稀释藻液转移至50 mL培养管中,置于三温区光照培养箱中培养。温度光照组合试验采用6个温度(12℃、16℃、20℃、24℃、28℃和32℃)和3个光照强度(LL: 30 µmol m-2s-1, ML: 60 µmol m-2s-1和HL: 120 µmol m-2s-1),共计18个处理。每个处理设置3个平行,光照周期为12 h:12 h。每天定时手动摇晃2~3次。

1.3 氮源的影响

根据单因子生长,在适宜生长的温度(28℃)和光照(35 µmol m-2s-1)下,分别以NaNO3、NH4Cl、CH4N2O (尿素)作为氮源,以BG11培养基为基础, 其他成分和浓度保持不变,每种氮源均设置5个梯度(2、8、32、128和247 mg L-1),调节pH至8.0, 灭菌待用。取一定体积生长良好的拟柱孢藻N1和N8藻液在1 400×g下离心15 min,弃去上清液, 用15 mg L-1的碳酸氢钠溶液洗涤后再次离心,该步骤重复3次, 然后将藻细胞置于无菌水中饥饿培养2 d,取相同体积藻液转移至装有约30 mL不同氮浓度培养基的培养管中。每个处理设置3个平行,每天定时手动摇晃2~3次。

1.4 拟柱孢藻生长曲线的测定

每天定时对培养管进行遮光处理20 min后,用TD-700 Fluorometre叶绿素荧光仪测定藻液的叶绿素a浓度(Chl a),以此表示拟柱孢藻的生长。当每组试验每天的平均增长值低于5%时,认为该组试验已达到最大现存量,即可停止测定。

比生长速率(μ)指在某一段时间间隔内藻类的生长速率。根据公式[16]计算:μ=(lnx2-lnx1)/(t2-t1), 式中,x1t1时的生物量,x2t2时的生物量,其中,生物量以叶绿素a浓度表示。

1.5 数据分析

利用三因素方差分析(Three-Way ANOVA)温度和光照(包含交互作用)对两个株系(N1和N8)比生长速率的影响;利用单因素方差分析(One-Way ANOVA)氮源形态(硝态氮、铵态氮和有机氮)和氮源浓度对两个株系比生长速率的影响。方差分析(ANOVA)中,以P < 0.05表示差异显著。所有统计分析和图形绘制在Excel 2010和SPSS 22.0中完成。

2 结果和分析 2.1 不同温度与光照组合对拟柱孢藻生长的影响

从拟柱孢藻N1和N8藻株的生长曲线来看(图 1),温度的上升显著促进2藻株的生长,两者在20℃以上较高温度下均显示良好的生长趋势。从比生长速率来看(图 2),同一温度下2藻株在ML和HL下的生长要优于LL, 这种高光强下的生长优势在较低温度时更为明显。这说明光强与温度对拟柱孢藻的生长呈一定的协同效应。N1和N8藻株均在28℃ HL下达到最大比生长速率,分别为0.178 3和0.176 3 μ d-1。统计分析表明,同一温度3种光强下N1和N8藻株的比生长速率存在显著差异(P < 0.05), 这说明2藻株对光强的适应能力存在差异,且在30~120 μmol m-2 s-1光强条件下N8藻株对光照的适应能力强于N1藻株。

图 1 不同温度与光照组合下拟柱孢藻N1和N8藻株的生长曲线 Fig. 1 Growth curves of Cylindrospermopsis raciborskii N1 and N8 strains under combining temperatures and light intensities
图 2 不同温度与光照组合下拟柱孢藻N1 (A)和N8 (B)藻株的比生长速率 Fig. 2 Specific growth rates of Cylindrospermopsis raciborskii N1 (A) and N8 (B) strains under combining temperatures and light intensities

2藻株对温度的适应性也存在显著差异(P < 0.05),这种差异在低温时更为明显:N1藻株在12℃和16℃下基本不能生长,20℃可在ML和HL下较好生长;N8藻株仅在12℃下不能生长,16℃下虽然停滞期较长,但叶绿素a浓度自第6天即开始缓慢上升,因此N8藻株对低温的适应能力要高于N1藻株。

通过三因素方差分析,温度和光照对2藻株的生长存在显著的交互作用(P < 0.05),且在株系之间存在显著差异(P < 0.05)。在本研究中,光照对比生长速率的影响强度与温度有关,比生长速率对温度的响应取决于光照,且温度与光照之间的交互作用对N1藻株的影响显著高于N8藻株。

2.2 不同氮源及浓度对拟柱孢藻生长的影响

拟柱孢藻N1和N8藻株在2~247 mg L-1硝态氮培养下均能正常生长,且具有相似的生长趋势, 同一藻株在不同硝态氮浓度下的比生长速率不存在显著差异(P > 0.05)。叶绿素a浓度(Chl a)从第2天即开始迅速增加,但N1藻株可维持10 d左右的快速增长,N8藻株仅为5 d (图 3: N1-A, N8-A)。N1和N8藻株的比生长速率均在8 mg L-1硝态氮下达到最大值,分别为0.146 1和0.113 7 μ d-1(图 4)。

图 3 拟柱孢藻N1和N8藻株在硝态氮(A)、铵态氮(B)和尿素氮(C)下的生长曲线 Fig. 3 Growth curves of Cylindrospermopsis raciborskii N1 and N8 strains under nitrate-N (A), ammonium-N (B) and urea-N (C)
图 4 拟柱孢藻N1 (A)和N8 (B)在硝态氮、铵态氮和尿素氮下的比生长速率 Fig. 4 Specific growth rates of Cylindrospermopsis raciborskii N1 (A) and N8 (B) strains under nitrate-N, ammonium-N and urea-N

拟柱孢藻N1和N8藻株在不同铵态氮浓度下的生长存在显著差异,N1藻株在铵态氮浓度为2~ 247 mg L-1下均能生长,但在247 mg L-1铵态氮培养下的生长期较短,叶绿素a浓度从第8天即开始下降;而N8藻株能正常生长的铵态氮浓度为2~ 32 mg L-1,在相对较高的铵态氮浓度下(128和247 mg L-1),叶绿素a浓度(Chl a)从第4天出现迅速下降,藻细胞基本不能生长(图 3: N1-B, N8-B)。2藻株的最大比生长速率都出现在8 mg L-1铵态氮浓度处理组中,分别为0.165 1和0.102 7 μ d-1 (图 4)。

拟柱孢藻在不同尿素氮浓度下的生长存在显著差异,2藻株在高浓度尿素氮(128和247 mg L-1)中基本不能生长,在中低浓度(2~32 mg L-1)处理组中则可较好的生长(图 3, 4)。N1藻株在2 mg L-1尿素氮中的生长要优于32 mg L-1(图 3: N1-C),N8藻株则在2和32 mg L-1尿素氮下的生长趋势基本一致(图 3: N8-C),2藻株的最佳生长均出现在8 mg L-1处理组中,此时的比生长速率最大,分别为0.162 5和0.103 8 μ d-1 (图 4),显著高于其他尿素氮浓度处理(P < 0.05)。

在3种氮源条件下,N1藻株的比生长速率均显著大于N8藻株(P < 0.05),这说明N1藻株对不同氮源的利用能力和耐受性要高于N8藻株。

3 讨论

在我们前期的单因子试验中,N8藻株在28℃出现最大比生长速率[17-18],本试验结果也表明,N1和N8藻株均在28℃生长最佳。有研究表明,拟柱孢藻正常生长的低温范围为15℃~22℃,最适温度为29℃~31℃[16]。本研究结果表明,拟柱孢藻N1和N8藻株在28℃~32℃高温下表现出良好的生长趋势,低温生长的范围为16℃~20℃,与前人的研究结论基本一致。在温度适宜的条件下,N1和N8藻株在本试验设置的光强下均能良好生长,这表明拟柱孢藻可生长在不同光强的水体环境中,能够适应高光强,对低光强也具有一定耐受能力[8, 19]

Bonilla等[9]、Bittencourt-Oliveira等[10]及Xiao等[19]均报道,温度和光照的同时上升协同作用于拟柱孢藻,使其在高光高温下的生长显著增加,本研究结果与他们类似。最近Kovács等[8]采用匈牙利水体分离的拟柱孢藻ACT9502进行了12℃~39℃等10个温度和10~390 μmol m-2s-1等6组光强下的多个组合试验,结果表明拟柱孢藻在12℃~24℃和33℃~36℃会受到不同程度的光抑制,27℃~30℃时光抑制现象则基本消失。这种光抑制现象在本研究、Bonilla等[9]和Bittencourt-Oliveira等[10]的研究中均未出现,这可能是光强设置范围较窄所致,如Bittencourt-Oliveira等[10]仅设置了30和90 μmol m-2s-1, 本研究也仅设置了3个光照梯度;也有可能是株系差异所致,Xiao等[20]报道直线型与卷曲型拟柱孢藻获得最佳生长所需的光照温度存在差异,在Kovács等[8]的研究中,ACT9502藻株在15℃的最佳生长是在30 μmol m-2 s-1光强下,大于此光强其生长即显著受到抑制,而本研究中N8藻株在16℃的生长随着光强的增加而增加。大量研究表明,温度和光照是影响拟柱孢藻生长和扩散的最重要的两个因素[8-10, 21]。本试验中,温度与光照对2株藻存在着显著的交互作用,拟柱孢藻的比生长率同时受到温度和光照的影响,这可能与在亚热带环境下温度与光照两个环境条件有着密切的相互联系有关[15]

拟柱孢藻具有较高的株系多样性[17],即使来自于同一水体的藻株对水深、光强、营养乃至有机物等环境因子的偏好都不一样[22]。从南台湾同一池塘中分离到的拟柱孢藻在比生长速率和厚壁孢子形成特性上存在显著差异[23]。Willis等[24]从澳洲Wivenhoe湖的单一水样中分离到24株拟柱孢藻, 这些藻株在生长速率、毒素含量和形态上均表现出不同。镇海水库中拟柱孢藻优势度常年达到92%以上[15],本研究中采用的N1和N8分离自该水库的同一个样品,但两者不仅在形态上存在一定差异, 它们对温度、光照的适应性和营养盐的利用上也差别明显:N1藻株对不同氮源的利用能力要高于N8藻株,但其对低温的适应能力则比N8差,且温度和光照的交互作用对N1藻株比生长率的影响要高于N8藻株。这样的差异反映了拟柱孢藻具不同的生态型,对环境变化的适应性高[23, 25],因此我们推测镇海水库拟柱孢藻的株系多样性对其优势的形成有促进作用。

氮是限制浮游植物初级生产力和生物量的首要营养因素,而拟柱孢藻被认为具有灵活的氮利用策略,有利于其在与其他藻类的竞争中获得优势[3, 6]。Burford等[5]认为拟柱孢藻优先利用铵态氮, 其次是硝态氮,但Kenesi等[26]和Stucken等[28]的结果表明拟柱孢藻在铵态氮、硝态氮或尿素氮下的生长不存在显著差异。而Ammar等[27]则认为拟柱孢藻更偏好硝态氮,其在硝态氮中比生长速率显著高于铵态氮。本研究结果与之类似,即拟柱孢藻对硝态氮的适应能力最强,2藻株在2~247 mg L-1硝态氮培养条件下均能正常生长,而高浓度的铵态氮和尿素氮则显著抑制拟柱孢藻的生长。Spr ber等[28]也报道当铵态氮浓度达到4 500 μg L-1时,拟柱孢藻会出现中毒现象,不能正常生长。由此可见,在合适的浓度范围内,广东省的拟柱孢藻可利用包括硝态氮、铵态氮和尿素氮在内的多种氮源用于生长, 这样的营养利用策略可能是该地区拟柱孢藻水华形成的诱因之一。

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