CO2和DIP对浒苔幼苗生长及光合特性的影响

王津果; 盛杨杰; 王续昆; 倪嘉璇; 武卉; 刘卫国; 周伟

doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2023.02.010

海洋学研究 >

2023 , Vol. 41 >Issue 2: 114 - 122

DOI: https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-909X.2023.02.010

研究论文

CO₂和DIP对浒苔幼苗生长及光合特性的影响

王津果 ^,¹^,²^,³ ,
盛杨杰 ¹^,²^,³^,⁴ ,
王续昆 ¹^,²^,³ ,
倪嘉璇 ¹^,²^,³ ,
武卉 ¹^,²^,³ ,
刘卫国 ⁵ ,
周伟 ^,¹^,²^,³^,⁵^,^*

展开

1.江苏海洋大学,江苏省海洋生物资源与环境重点实验室,江苏连云港 222005
2.自然资源部滨海盐沼湿地生态与资源重点实验室,江苏连云港 222005
3.江苏海洋大学,江苏省海洋生物产业技术协同创新中心,江苏连云港 222005
4.汕头大学理学院,广东汕头515000
5.乳山市牡蛎协会,山东威海 264500

^* 周伟(1985—),男,博士,高级工程师,主要从事水产育苗和养殖等研究,E-mail:wzhou@jou.edu.cn。

王津果(1989—),女,河南省许昌市人,博士,主要从事海洋生物遗传育种研究,E-mail:2020000035@jou.edu.cn。

Copy editor: 徐晓群

收稿日期: 2022-04-02

修回日期: 2022-06-29

网络出版日期: 2023-07-27

基金资助

江苏省自然资源发展专项项目(JSZRHYKJ202206)

江苏省自然资源发展专项项目(JSZRHYKJ202107)

江苏省高等学校大学生创业训练计划(2021120148)

江苏海洋大学人才引进科研基金项目(KQ19068)

连云港市“花果山英才计划”(KK21054)

江苏省优势学科建设工程资助项目

收起

Effects of CO₂ and dissolved inorganic phosphate on the growth and photosynthetic performance of Ulva prolifera seedlings

WANG Jinguo ^,¹^,²^,³ ,
SHENG Yangjie ¹^,²^,³^,⁴ ,
WANG Xukun ¹^,²^,³ ,
NI Jiaxuan ¹^,²^,³ ,
WU Hui ¹^,²^,³ ,
LIU Weiguo ⁵ ,
ZHOU Wei ^,¹^,²^,³^,⁵^,^*

Expand

1. Jiangsu Key Laboratory of Marine Bioresources and Environment, Jiangsu Ocean University, Lianyungang 222005, China
2. Key Laboratory of Coastal Salt Marsh Ecosystems and Resources, MNR, Lianyungang 222005, China
3. Co-Innovation Center of Jiangsu Marine Bio-industry Technology, Jiangsu Ocean University, Lianyungang 222005,China
4. College of Science, Shantou University, Shantou 515000, China
5. Rushan Oyster Association, Weihai 264500, China

Received date: 2022-04-02

Revised date: 2022-06-29

Online published: 2023-07-27

Fold

摘要

绿藻微观繁殖体具有快速生长和繁殖的特性,是绿潮暴发重要的种子来源。以浒苔(Ulva prolifera)微观繁殖体发育而来的幼苗为实验材料,研究不同CO₂水平(400 μatm和1 000 μatm)和无机磷酸盐(dissolved inorganic phoshphate, DIP)浓度(0.32 μmol·L^-1、3.62 μmol·L^-1、36.2 μmol·L^-1)下单因子及双因子交互作用对其生长和光合生理指标的影响。相对生长速率(RGR)、净光合速率(P_n)和呼吸速率(R_d)等生长指标显示:CO₂对RGR和P_n有显著影响(p<0.05);DIP对RGR、P_n和R_d均有显著影响(p<0.05),随着DIP增加,RGR和P_n升高,R_d降低;双因子交互作用对3个指标影响均不显著(p>0.05)。最大相对光合电子传递速率(rETR_max)、饱和光强(E_k)、有效光合量子产率[Y(II)]、光能利用效率(α)等荧光参数显示:CO₂对rETR_max、E_k影响显著(p<0.05); DIP浓度升高使Y(II)、rETR_max、α和E_k显著提高(p<0.05);双因子交互作用对rETR_max和Y(II)影响显著(p<0.05),对α和E_k影响不显著(p>0.05)。Chl a、Chl b和类胡萝卜素等色素指标显示:CO₂、DIP以及交互作用对3个指标影响均显著(p<0.05),高CO₂水平明显抑制色素的合成,并且随着DIP浓度升高,抑制程度加剧;3个指标与DIP均呈正相关。研究表明,高CO₂水平和高DIP浓度会明显促进浒苔幼苗的生长,为绿潮的暴发提供了有利条件。

关键词： 浒苔; 微观繁殖体; CO₂; 无机磷酸盐; 生长

本文引用格式

王津果 , 盛杨杰 , 王续昆 , 倪嘉璇 , 武卉 , 刘卫国 , 周伟 . CO₂和DIP对浒苔幼苗生长及光合特性的影响[J]. 海洋学研究, 2023 , 41(2) : 114 -122 . DOI: 10.3969/j.issn.1001-909X.2023.02.010

Abstract

Micropropagules with rapid growth and reproduction are an important seed sources for the early outbreak of the green tide. In this study, the micropropagule seedlings of Ulva prolifera were collected as experimental materials, and two CO₂ levels (LC, 400 μatm; HC, 1 000 μatm) and three dissolved inorganic phoshphate (DIP) concentrations (LP, 0.32 μmol/L; MP, 3.62 μmol/L; HP, 36.2 μmol/L) were set to analyze the effects of CO₂, DIP and their interaction on its growth and photophysiological performance. The results of the growth indexes including relative growth rate (RGR), net photosynthetic rate (P_n) and respiration rate (R_d) showed that CO₂ significantly affected on the RGR and P_n (p<0.05). DIP significantly affected on the RGR, P_n and R_d (p<0.05). Specifically, RGR and P_n were significantly positively correlated with DIP concentration (p<0.05), while R_d was significantly negatively correlated with DIP concentration (p<0.05). However, their interaction had no significant effect on RGR, P_n and R_d (p>0.05). The results of fluorescence parameters including effective quantum yield [Y(II)], maximum relative electron transfer rate (rETR_max), saturation light intensity (E_k) and light utilization efficiency indicated (α) reveal that CO₂ significantly affected on the rETR_max and E_k (p<0.05), but had no significant effect on the Y(II) and α (p>0.05). DIP significantly affected all the fluorescence parameters, which were significantly promoted by the DIP concentration increase (p<0.05). And their interaction had significant effect on the rETR_max and Y(II) (p<0.05), but had no significant effect on the E_k and α (p>0.05). Pigments of Chl a, Chl b and carotenoid results showed that CO₂, DIP and their interaction significantly affected the pigments contents (p<0.05). Evelated-CO₂ significantly inhibited pigment synthesis (p<0.05), and the inhibitory effect was enhanced with the increasing of DIP concentration. The pigments contents were significantly positively correlated with DIP concentration (p<0.05). Our findings suggested that evelated-CO₂ and higher DIP concentration obviously promoted the growth of U.prolifera seedlings, which was favorable for the green tide outbreak.

Key words： Ulva prolifera; micropropagules; CO₂; dissolved inorganic phoshphate; growth

0 引言

大型海藻在近海海洋生态系统中发挥着关键作用,例如:为海洋生物提供了多样化的栖息地和繁殖场所;通过光合作用固定CO₂,降低大气中CO₂的累积^[1];大量吸收海水中氮、磷等营养物质,降低海水富营养化程度和有害赤潮的发生几率^[2]。然而,有一些广温、广盐性的海藻,因其强大的营养盐吸收能力和高耐受性,会在特定环境下暴发性生长、聚集,引发绿潮^[3-4]。绿潮在我国已持续发生15年,为黄海海域常态化的自然灾害之一,对江苏和山东沿海等地的生产、生活产生了诸多不良影响。

浒苔(Ulva prolifera)是黄海绿潮的常见种,其生活史包括孢子(2n)、配子(n)、合子(2n)、微观繁殖体和藻体等阶段^[5]。微观繁殖体泛指只进行营养繁殖的细胞团、单细胞或组织块等,它具有强大的繁殖和抗逆能力,会在条件适宜时出现暴发性生长^[5]。浒苔微观繁殖体是绿潮“种子库”,在绿潮暴发的早期阶段发挥着关键作用^[5]。

由于密集的人类活动,大气CO₂水平从工业革命开始时的285 μatm升高到了目前的415 μatm^[6]。大气CO₂升高,使得海洋吸收CO₂增加,引起海水中$CO_3^{2-}$降低和H⁺、CO₂、$HCO_{3}^{-}$升高,而H⁺增加会导致表层海水pH降低,发生海洋酸化^[7]。近年来,有关CO₂升高和海洋酸化对大型海藻的影响逐渐成为研究热点。一些研究表明CO₂升高促进了红藻坛紫菜(Pyropia haitanensis)^[8]、绿藻缘管浒苔(Ulva linza)^[9-11]、裂片石莼(Ulva fasciata)^[12]和石莼(Ulva lactuca)^[8]等大型海藻的生长;也有研究表明高浓度CO₂抑制如红藻龙须菜(Gracilariopsis lemaneiformis)^[13]、褐藻墨角藻(Fucus vesiculosus)^[14]、绿藻仙掌藻(Halimeda opuntia)^[15]等大型海藻的生长;还有一些研究发现CO₂升高对绿藻(Ulva ohnoi)^[16]、褐藻马尾藻(Sargassum linearifolium)、红藻宽扁叉节藻(Amphiroa anceps)、珊瑚藻(Corallina officinalis)、栉齿藻(Delisea pulchra)、凹顶藻(Laurencia decussata)^[17]等大型海藻的生长没有影响;另有研究表明海洋酸化普遍促进硬石莼(Ulva rigida)早期阶段藻体的生长^[18-19],但抑制其晚期阶段的生长^[20]。大量研究表明大型海藻生长对CO₂升高和海洋酸化的响应具有明显的种间差异性和发育阶段差异性。

近岸海水中氮、磷等物质的增加会引起海水富营养化,也会对大型海藻生长、光合生理和生化组成产生影响^{[20⇓⇓-23]}。氮、磷浓度的增加能显著提高成体浒苔的相对生长速率、叶绿素荧光参数和净光合速率^[22],提高日本糖海带(Saccharina japonica)的相对生长速率,促进其Chl a和可溶性蛋白的合成^[23]。有研究发现,相较于氮,磷对温带近岸海域石莼属海藻的生长更为重要^[24],并且海水中无机磷酸盐(dissolved inorganic phoshphate, DIP)会与温度、光强等环境因子产生交互作用^[20,25]。目前有关磷对绿潮藻生长以及生理生化的研究多针对藻的成体阶段^[22-23],针对早期阶段,如微观繁殖体、幼苗的相关研究较少。

选取CO₂和DIP两个因子,探索单因子及交互作用对浒苔幼苗生长和光合生理特性的影响,为进一步揭示浒苔绿潮早期暴发原因和绿潮的预警防控提供基础数据和科学支撑。

1 材料与方法

1.1 幼苗来源及培养条件

含浒苔微观繁殖体的海水于2021年3月29日采自江苏省南通市小洋口附近海水养殖场(121°09'73.45″E,32°33'50.06″N)。用孔径200 μm筛绢过滤,去除海水中的藻丝体和大型浮游植物,低温避光带回实验室。取过滤水样50 mL置于灭菌烧杯中,加Provasoli培养基^[26]和GeO₂以抑制硅藻的生长,置于培养箱(GXZ-500C,宁波江南)中,通空气培养3周,控制温度为15 ℃、光合有效辐射为100 μmol·m^-2·s^-1、光周期为12 L∶12 D。实验开始时,幼苗高度为0.8~1.0 cm。

1.2 实验设计

实验设置CO₂和DIP 2个因子,其中CO₂分别为400 μatm(LC)和1 000 μatm(HC)2个水平,3个DIP梯度:0.32 μmol·L^-1(LP)、3.62 μmol·L^-1(MP)和36.2 μmol·L^-1(HP)。实验共设6个不同的CO₂和DIP组合(LCLP: CO₂ 400 μatm和DIP 0.32 μmol·L^-1; LCMP: CO₂ 400 μatm和DIP 3.62 μmol·L^-1; LCHP: CO₂ 400 μatm和DIP 36.2 μmol·L^-1; HCLP: CO₂ 1 000 μatm和DIP 0.32 μmol·L^-1; HCMP: CO₂ 1 000 μatm和DIP 3.62 μmol·L^-1; HCHP: CO₂ 1 000 μatm和DIP 36.2 μmol·L^-1),每个组合设3个平行,以LCMP 处理组(CO₂ 400 μatm和DIP 3.62 μmol·L^-1 )为对照组。

LC为正常大气CO₂水平,通过直接向光照培养箱泵入空气实现,HC通过CO₂植物培养箱(HP1000 G-D,武汉瑞华)来控制。DIP浓度通过NaH₂PO₄来调节。取(0.20±0.01)g幼苗置于550 mL通气培养瓶中,瓶中装500 mL灭菌海水(用0.45 μm滤膜过滤),按1∶100的比例添加Provasoli培养基^[26]。培养瓶置于相应植物培养箱培养14 d,培养箱温度为15 ℃、光合有效辐射为100 μmol·m^-2·s^-1,每2天添加1次培养基。

1.3 海水碳酸盐系统参数的测定

采用pH计(Seven Easy,Mettler Toledo)测定pH值,总碱度(total alkalinity,TA)根据Barakat滴定法测定^[12],其他海水碳酸盐系统参数根据TA和pH值计算得到^[23]。

1.4 相对生长速率的测定和计算

每2天测定一次藻体质量。用镊子取出藻体,吸水纸轻轻吸干表面水分,快速称重。相对生长速率(relative growth rate,RGR,%·d^-1)计算公式如下:

(1)RGR=100%×[ln(m_t/m₀)]/t

式中:m_t为第t天藻体的质量,m₀为实验开始时(第0天)藻体的质量,t为培养天数。

1.5 叶绿素荧光参数的测定和计算

采用手持式PAM叶绿素荧光仪(AquaPen AP-P 100 Chech,捷克)测定不同光合有效辐射(photosynthetically active radiation,PAR)下的有效光合量子产率[effective quantum yield,Y(II)]。根据PAR和Y(II) 计算相对光合电子传递速率(relative electron transfer rate,rETR),公式如下:

(2)$rETR=Y(II)×0.5×PAR$

式中:Y(II)指光系统II的有效光合量子产率;0.5为光系统II吸收的光量子占总光量子的比例;PAR分别为0,10,20,30,100,300,500和1 000 μmol·m^-2·s^-1。

对PAR和rETR值进行拟合,获得快速光响应曲线^[27],计算最大相对光合电子传递速率(maximum rETR,rETR_max)、光能利用效率(light utilization efficiency,α)及饱和光强(saturation light intensity,E_k),公式如下:

(3)rETR=PAR/(a×PAR²+b×PAR+c)

式中:a、b、c为拟合参数。

(4)rETR_max=1/[b+2×(a×c)^1/2]

(5)α=1/c

(6)E_k=rETR_max/α

1.6 呼吸速率和净光合速率的测定和计算

将藻体剪成1 cm左右的小段,在培养条件下适应1 h以上,减小机械损伤造成的误差。在反应槽中加入8 mL纯水,充分搅拌20 min,使其达到氧饱和,温度控制在20 ℃。称取约0.01 g藻体,在黑暗环境中适应20 min,置于含8 mL培养基的反应槽中待测。反应槽避光,采用液相氧电极(YSI 5300A,美国)测定溶解氧百分比值,每间隔1 min测定一次并记录数值,当连续3次测定数值变化幅度在0.1%~0.2%时,停止测定。根据GAO et al^[28]的方法计算呼吸速率(R_d,μmol·g^-1·h^-1),公式如下:

(7)R_d=(0.284×60×△d×8)/m

式中:0.284为 20 ℃时水中氧气的饱和溶解度,60为时间单位转换进率,△d代表稳定后每隔1 min溶解氧百分比差值的平均值,8为反应槽中的培养基体积,m为藻体的质量。

同样采用液相氧电极测定培养条件下(PAR为100 μmol·m^-2·s^-1)反应槽中溶解氧百分比值,每隔1 min测定一次并记录数值,当连续3次数值变化幅度在0.1%~0.2%时,停止测定。根据GAO et al^[28]方法计算净光合速率(P_n,μmol·g^-1·h^-1):

(8)P_n=(0.284×60×△d×8)/m

1.7 色素的测定和计算

称取0.05 g藻体置于离心管中,加入5 mL无水甲醇,于冰箱(4 ℃)中放置12 h,离心,取上清液,用分光光度计分别测定666 nm、653 nm、470 nm波长下的吸光度值。根据各波长下的吸光度值计算叶绿素a(chlorophyll a,Chl a)、叶绿素b(chlorophyll b,Chl b)、类胡萝卜素(cartenoids,Car)的含量^[29],公式如下:

(9)w_Chl _a=15.65A₆₆₆-7.34A₆₅₃

(10)w_Chl _b=27.05A₆₅₃-11.21A₆₆₆

(11)w_Car=(1 000A₄₇₀-2.86w_Chl_a-129.2w_Chl_b)/221

式中:w_Chl_a为Chl a的含量;w_Chl_b为Chl b的含量;w_Car为Car的含量;A₆₆₆、A₆₅₃、A₄₇₀分别为666 nm、653 nm、470 nm波长处的吸光度值。

1.8 数据统计及分析

采用Origin 9.1软件进行作图和统计分析。分别用K-S检验和Levene检验数据的正态性和方差齐性。利用单因素方差分析和Turkey’s多重比较检验CO₂和DIP处理组间的差异显著性,利用双因素方差分析检验CO₂和DIP的交互作用对浒苔幼苗生长、生理的影响,以p<0.05作为差异显著性水平。

2 结果与分析

2.1 CO₂和DIP对海水碳酸盐系统的影响

如表1所示,CO₂水平显著影响海水碳酸盐系统参数(p<0.05),高CO₂水平组(HCLP,HCMP,HCHP),pH和

CO 3 2 -

较低CO₂水平组(LCLP,LCMP,LCHP)显著降低,其中pH值降低0.32~0.35个单位,

CO 3 2 -

分别下降约50%,

HCO 3 -

和CO₂明显升高,其中

HCO 3 -

提高约8%,CO₂增加超过1倍。DIP对海水碳酸盐系统参数没有显著影响(p>0.05),但在HC条件下,HP处理组的DIC显著高于LP处理组(p<0.05)。

表1 不同处理组的海水碳酸盐系统参数

Tab.1 Parameters of seawater carbonate system under different treatments

处理组	pH	pCO₂/μatm	DIC/(μmol·kg^-1)	HC $O 3 -$ /(μmol·kg^-1)	C $O 3 2 -$ /(μmol·kg^-1)	CO₂/(μmol·kg^-1)	TA/(μmol·kg^-1)
LCLP	8.20±0.01^a	382.36±13.07^a	2 002.85±19.95^a	1 817.53±21.22^a	172.70±2.17^a	12.26±0.43^a	2 251.60±16.65^a
LCMP	8.18±0.02^a	408.82±24.69^a	2 036.32±33.82^a	1 854.54±36.41^a	168.29±3.41^a	13.49±0.81^a	2 276.87±27.12^a
LCHP	8.19±0.02^a	395.95±20.66^a	2 022.36±37.76^a	1 838.52±36.85^a	170.77±5.93^a	13.07±0.68^a	2 267.25±38.27^a
HCLP	7.85±0.00^b	931.28±15.51^b	2 092.77±34.85^b	1 978.08±32.94^b	83.96±1.40^b	30.73±0.51^b	2 194.97±35.74^a
HCMP	7.86±0.01^b	908.84±38.05^b	2 106.87±46.75^ab	1 989.78±44.75^b	87.09±2.30^b	30.00±1.26^b	2 214.06±46.52^a
HCHP	7.85±0.03^b	940.03±44.52^b	2 111.23±37.31^b	1 995.36±32.66^b	84.84±6.29^b	31.02±1.47^b	2 214.06±46.52^a

注:不同字母表示不同处理组间差异显著(p<0.05)。

2.2 CO₂和DIP对相对生长速率的影响

CO₂和DIP对浒苔幼苗RGR均有显著影响(p<0.05),但二者交互作用不显著(p>0.05)。如图1所示,在同一CO₂水平下,RGR随着DIP升高增加;相同DIP培养条件下,HC处理组RGR高于LC处理组,随着DIP浓度增加,组间的差异增大。其中,在LP、MP培养条件下,不同CO₂处理组间差异不显著(p>0.05),在HP培养条件下,HC处理组RGR显著高于LC处理组(p<0.05),增幅为11.75%。

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图1 不同处理下浒苔幼苗的相对生长速率

(不同小写字母表示在LC条件下不同处理组间差异显著,p<0.05;不同大写字母表示在HC条件下不同处理组间差异显著,p<0.05;^*表示同一DIP浓度下不同CO₂处理组间差异显著,p<0.05。)

Fig.1 Relative growth rate of U.prolifera seedlings under different treatments

(Different lowercase letters represent significant differences among different treatments under LC, p<0.05), and different capital letters represent significant differences among different treatments under HC, p<0.05; Asterisk represents significant differences between LC and HC within a DIP treatment,p<0.05.)

2.3 CO₂和DIP对荧光参数的影响

双因素方差分析显示,CO₂对浒苔幼苗Y(II)没有显著影响(p>0.05),DIP对其存在显著影响(p<0.05),二者交互作用显著(p<0.05)。如图2所示,Y(II)随着DIP增加而升高,在HP培养条件下达到高值0.76±0.01(LC)、0.74±0.02(HC),比在LP条件下分别提高了22.58%、15.63%。

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图2 不同处理下浒苔幼苗的有效光合量子产率

(不同小写字母表示在LC条件下不同处理组间差异显著, p<0.05;不同大写字母表示在HC条件下不同处理组间差异显著, p<0.05。)

Fig.2 Effective quantum yield of U.prolifera seedlings under different treatments

通过快速光响应曲线(图3)可以看出,各处理组的rETR均表现为先随PAR的增加而升高,后逐渐趋于平稳的趋势,其中,LCHP和HCHP组的rETR值较高。由该曲线计算得出的rETR_max、α和E_k,如表2所示。CO₂和DIP对rETR_max存在显著交互作用(p<0.05),对α、E_k的交互作用不显著(p>0.05)。在同一CO₂水平下,rETR_max、α、E_k均随着DIP浓度的增加而升高,CO₂水平显著影响rETR_max与E_k(p<0.05),但对α影响不显著(p>0.05)。在LP培养条件下,HC处理组的rETR_max、E_k水平显著低于LC处理组(p<0.05),降幅分别为21.81%、27.52%;在MP、HP培养条件下,CO₂对二者的影响均不显著(p>0.05)。

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图3 不同PAR下浒苔幼苗的相对光合电子传递速率

Fig.3 Relative electron transfer rate of U.prolifera seedlings under different PAR

表2 不同处理下浒苔幼苗的最大相对光合电子传递速率(rETR_max)、光能利用效率(α)与饱和光强(E_k)

Tab.2 The maximum rETR (rETR_max), light utilization efficiency (α) and saturation light intensity (E_k) of U.prolifera seedlings under different treatments

处理组	最大相对光合电子传递速率 (rETR_max)/(μmol·m^-2·s^-1)	光能利用效率(α)	饱和光强(E_k)/ (μmol·m^-2·s^-1)
LCLP	61.89±3.12^a	0.29±0.02^a	211.38±6.35^a
LCMP	92.63±1.93^b	0.31±0.02^ab	302.23±23.16^b
LCHP	105.88±2.93^c	0.33±0.02^b	317.11±13.97^b
HCLP	48.39±1.28^A*	0.32±0.02^A	153.20±11.79^A*
HCMP	92.63±7.87^B	0.34±0.01^A	274.33±15.32^B
HCHP	104.79±6.13^B	0.35±0.03^A	303.19±38.09^B

注:不同小写字母表示在LC条件下不同处理组间差异显著(p<0.05),不同大写字母表示在HC条件下不同处理组间差异显著(p<0.05);^*表示同一DIP浓度下不同CO₂水平处理组间差异显著(p<0.05)。

2.4 CO₂和DIP对净光合速率和呼吸速率的影响

CO₂和DIP单因子对P_n的影响显著(p<0.05),但二者交互作用对其影响不显著(p>0.05)。如图4a所示,P_n随着DIP浓度的增加而升高;同一DIP浓度下,HC处理组的P_n值均高于LC处理组,其中,高DIP浓度(HP)下的两CO₂处理组间的差异显著(p<0.05)。

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图4 不同处理下浒苔幼苗的净光合速率(a)和呼吸速率(b)

Fig.4 Net photosynthetic rate (a) and respiration rate (b) of U.prolifera seedlings under different treatments

(Different lowercase letters represent significant differences among different treatments under LC, p<0.05, and different capital letters represent significant differences among different treatments under HC, p<0.05; Asterisk represents significant differences between LC and HC within a DIP treatment, p<0.05.)

DIP对R_d存在显著影响(p<0.05),但CO₂以及交互作用对其影响不显著(p>0.05)。图4b显示,同一CO₂水平下,R_d随DIP浓度的增加而降低。LC条件下,不同DIP处理组间的R_d差异不显著(p>0.05);HC条件下,LP处理组的R_d值最高,为53.82±0.66 μmol·g^-1·h^-1,与MP处理组无显著性差异(p>0.05),但显著高于HP处理组(p<0.05),增幅为32.04%。

2.5 CO₂和DIP对色素的影响

CO₂、DIP单因子和二者交互作用均显著影响浒苔幼苗的Chl a、Chl b和Car的含量(p<0.05)。如图5a所示,同一CO₂水平下,Chl a含量随着DIP浓度的增加而升高,其中,在HP条件下,LC和HC处理组Chl a含量均达到高值(0.98±0.05 mg·g^-1,0.61±0.06 mg·g^-1),二者间存在显著差异(p<0.05);在MP条件下,HC处理组的Chl a含量比LC处理组下降26.19%;在LP条件下,LC和HC处理组间的Chl a含量没有显著差异(p>0.05),分别为0.10±0.04 mg·g^-1和0.07±0.01 mg·g^-1。

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图5 不同处理下浒苔幼苗的叶绿素a(a)、叶绿素b(b)与类胡萝卜素(c)含量

Fig.5 The contents of chlorophyll a (a), chlorophyll b (b) and carotenoids (c) contents in U.prolifera seedlings under different treatments

Chl b、Car呈现出与Chl a相同的变化趋势(图5b,5c)。同一CO₂水平下,随着DIP浓度的增加,色素含量升高;在MP、HP条件下,HC处理组的Chl b和Car含量显著低于LC处理组(p<0.05);在LP条件下,LC和HC处理组间差异不显著(p>0.05)。

3 讨论

大气CO₂升高促进大型海藻的光合作用,这在红藻坛紫菜^[8]、褐藻钝马尾藻(S.muticum)^[21]和绿藻缘管浒苔^[10-11]、裂片石莼^[12]、石莼^[8]中均有报道。本研究中,高CO₂水平提高了浒苔幼苗的相对生长速率和净光合速率(图1,4a),与前人的结果一致^[3,20,30]。许多大型海藻在长期进化过程中形成了无机碳浓缩机制(CO₂ concentrating mechanism,CCMs),可以主动转运$HCO_{3}^{-}$/CO₂进入细胞^[31]。大气CO₂水平升高使海水碳酸盐系统发生变化,水体中CO₂和$HCO_{3}^{-}$浓度增加。通过CCMs,大型海藻获得了更多的碳源进行光合作用增加固碳量^[32]。另外,研究显示高CO₂水平使幼苗光合色素含量显著下降(图6),这可能与大型海藻的“光合色素经济性”有关。色素合成减少,节省能量用于其他代谢产物,如可溶性碳水化合物、蛋白质及硝酸还原酶等的合成,从而促进了藻体生长^[9,18,21,33]。

磷是大型海藻生长所需的关键因子,它既是遗传物质核酸的重要组分,也是光合磷酸化过程中三磷酸腺苷(ATP)形成的关键元素^[34-35]。XU et al^[21]研究发现,当DIP浓度由0.5 μmol·L^-1增加到40.5 μmol·L^-1时,钝马尾藻的净光合速率增加近1倍。在本研究中,高浓度DIP(HP)使浒苔幼苗的净光合速率较对照组(MP)增加了10%左右(图4a),同时,有效光合量子产率(图2)、最大相对光合电子传递速率和光能利用效率(表2)也均有提高,表明DIP升高促进了浒苔幼苗的光合作用,对其生长有利。并且,本研究中DIP浓度增加促进了幼苗色素的合成(图5),与其他藻类如石莼属^[9,36]、钝马尾藻^[21]、日本糖海带^[23]等的研究结果一致,这些研究认为高浓度DIP可能刺激一些与色素合成相关酶的生成^[21]。

CO₂和DIP的交互作用对生长和光合生理特性的影响在其他大型海藻中也有研究,如二者协同影响龙须菜、缘管浒苔的相对生长速率、净光合速率、光合色素和蛋白质含量^[9,13]。本研究结果显示,CO₂和DIP对相对生长速率、净光合速率、呼吸速率等指标的交互作用不显著,但CO₂或DIP单因子对3个指标的影响均显著。高CO₂水平和DIP在抑制幼苗的呼吸速率的同时提高其光合速率,从而对生长起到促进作用。另外,幼苗的饱和光强随DIP的增加而升高,随CO₂的升高而降低,这与南方石莼(U.australis)^[37]、条斑紫菜(Pyropia yezoensis)的结果不同^[38],表明CO₂和DIP对大型海藻的交互作用存在种属特异性。

4 结论

本文研究了CO₂和DIP对浒苔微观繁殖体发育而来的幼苗的生长和光合生理特性的影响,结果表明,高CO₂水平提高了幼苗的相对生长速率、净光合速率和光能利用效率等指标,抑制Chl a、Chl b和类胡萝卜素合成;高DIP浓度显著提高了相对生长速率、净光合速率、最大相对光合电子传递速率、光能利用效率、饱和光强及色素含量等指标,抑制其呼吸速率。综上所述,高CO₂水平和DIP浓度会促进浒苔幼苗的生长,为浒苔绿潮的暴发提供有利条件。未来海洋酸化和富营养化的环境可能会使浒苔绿潮暴发的可能性增加。

参考文献

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[1]	SMITH S V. Marine macrophytes as a global carbon sink[J]. Science, 1981, 211(4484): 838-840. DOI PMID

[2]	杨宇峰, 宋金明, 林小涛, 等. 大型海藻栽培及其在近海环境的生态作用[J]. 海洋环境科学, 2005, 24(3):77-80. YANG Y F, SONG J M, LIN X T, et al. Seaweed cultivation and its ecological roles in coastal waters[J]. Marine Environ-mental Science, 2005, 24(3): 77-80.

[3]	GAO G, CLARE A S, ROSE C, et al. Intrinsic and extrinsic control of reproduction in the green tide-forming alga,Ulva rigida[J]. Environmental and Experimental Botany, 2017, 139: 14-22. DOI

[4]	SMETACEK V, ZINGONE A. Green and golden seaweed tides on the rise[J]. Nature, 2013, 504(7478): 84-88. DOI

[5]	沈颂东. “微观繁殖体”溯源[J]. 海洋与湖沼, 2022, 53(1):1-7. SHEN S D. Brief introduction of micropropagule[J]. Ocea-nologia et Limnologia Sinica, 2022, 53(1): 1-7.

[6]	SABINE C L, FEELY R A, GRUBER N, et al. The oceanic sink for anthropogenic CO₂[J]. Science, 2004, 305(5682): 367-371. DOI PMID

[7]	CALDEIRA K, WICKETT M E. Oceanography: Anthropogenic carbon and ocean pH[J]. Nature, 2003, 425(6956): 365. DOI

[8]	CHEN B B, LIN L D, MA Z L, et al. Carbon and nitrogen accumulation and interspecific competition in two algae species, Pyropia haitanensis and Ulva lactuca, under ocean acidification conditions[J]. Aquaculture International, 2019, 27(3): 721-733. DOI

[9]	GAO G, BEARDALL J, BAO M L, et al. Ocean acidification and nutrient limitation synergistically reduce growth and photosynthetic performances of a green tide alga Ulva linza[J]. Biogeosciences, 2018, 15(11): 3409-3420. DOI

[10]	YUE F R, GAO G, MA J, et al. Future CO₂-induced seawater acidification mediates the physiological performance of a green alga Ulva linza in different photoperiods[J]. PeerJ, 2019, 7: e7048. DOI

[11]	GAO G, QU L M, XU T P, et al. Future CO₂-induced ocean acidification enhances resilience of a green tide alga to low-salinity stress[J]. ICES Journal of Marine Science, 2019, 76(7): 2437-2445.

[12]	BARAKAT K M, EL-SAYED H S, KHAIRY H M, et al. Effects of ocean acidification on the growth and biochemical composition of a green alga (Ulva fasciata) and its asso-ciated microbiota[J]. Saudi Journal of Biological Sciences, 2021, 28(9): 5106-5114. DOI

[13]	ZHOU W, WU H, HUANG J J, et al. Elevated-CO₂ and nutrient limitation synergistically reduce the growth and photosynthetic performances of a commercial macroalga Gracilariopsis lemaneiformis[J]. Aquaculture, 2022, 550:737878. DOI

[14]	GUTOW L, RAHMAN M M, BARTL K, et al. Ocean acidification affects growth but not nutritional quality of the seaweed Fucus vesiculosus (Phaeophyceae, Fucales)[J]. Journal of Experimental Marine Biology and Ecology, 2014, 453: 84-90. DOI

[15]	JOHNSON M D, PRICE N N, SMITH J E. Contrasting effects of ocean acidification on tropical fleshy and calcareous algae[J]. PeerJ, 2014, 2: e411. DOI

[16]	KANG E J, HAN A R, KIM J H, et al. Evaluating bloom potential of the green-tide forming alga Ulva ohnoi under ocean acidification and warming[J]. Science of the Total Environment, 2021, 769: 144443. DOI

[17]	GRABA-LANDRY A, HOEY A S, MATLEY J K, et al. Ocean warming has greater and more consistent negative effects than ocean acidification on the growth and health of subtropical macroalgae[J]. Marine Ecology Progress Series, 2018, 595: 55-69. DOI

[18]	XU J T, GAO K S. Future CO₂-induced ocean acidification mediates the physiological performance of a green tide alga[J]. Plant Physiology, 2012, 160(4): 1762-1769. DOI PMID

[19]	GAO G, LIU Y M, LI X S, et al. An ocean acidification acclimatised green tide alga is robust to changes of seawater carbon chemistry but vulnerable to light stress[J]. PLoS One, 2016, 11(12): e0169040. DOI

[20]	GAO G, CLARE A S, ROSE C, et al. Eutrophication and warming-driven green tides (Ulva rigida) are predicted to increase under future climate change scenarios[J]. Marine Pollution Bulletin, 2017, 114(1): 439-447. DOI PMID

[21]	XU Z G, GAO G, XU J T, et al. Physiological response of a golden tide alga (Sargassum muticum) to the interaction of ocean acidification and phosphorus enrichment[J]. Biogeosciences, 2017, 14(3): 671-681. DOI

[22]	LI S X, YU K F, HUO Y Z, et al. Effects of nitrogen and phosphorus enrichment on growth and photosynthetic assimilation of carbon in a green tide-forming species (Ulva prolifera) in the Yellow Sea[J]. Hydrobiologia, 2016, 776(1): 161-171. DOI

[23]	CHU Y Y, LIU Y, LI J Y, et al. Effects of elevated pCO₂ and nutrient enrichment on the growth, photosynthesis, and biochemical compositions of the brown alga Saccharina japonica (Laminariaceae, Phaeophyta)[J]. PeerJ, 2019, 7: e8040. DOI

[24]	VILLARES R, PUENTE X, CARBALLEIRA A. Nitrogen and phosphorus in Ulva sp. in the Galician Rias Bajas (northwest Spain): Seasonal fluctuations and influence on growth[J]. Boletin-Instituto Espanol de Oceanografia, 1999, 15(1-4): 337-341.

[25]	TEICHBERG M, FOX S E, OLSEN Y S, et al. Eutrophication and macroalgal blooms in temperate and tropical coastal waters: Nutrient enrichment experiments with Ulva spp.[J]. Global Change Biology, 2010, 16(9): 2624-2637. DOI

[26]	CHEN H H, FENG X Q, JIANG M J, et al. Estimating the ploidy of Gracilariopsis lemaneiformis at both the cellular and genomic level[J]. Journal of Phycology, 2020, 56(5): 1339-1348. DOI

[27]	EILERS P H C, PEETERS J C H. A model for the relationship between light intensity and the rate of photosynthesis in phytoplankton[J]. Ecological Modelling, 1988, 42(3/4): 199-215. DOI

[28]	GAO G, LIU Y M, LI X S, et al. Expected CO₂-induced ocean acidification modulates copper toxicity in the green tide alga Ulva prolifera[J]. Environmental and Experimental Botany, 2017, 135: 63-72. DOI

[29]	WELLBURN A R. The spectral determination of chlorophylls a and b, as well as total carotenoids, using various solvents with spectrophotometers of different resolution[J]. Journal of Plant Physiology, 1994, 144(3): 307-313. DOI

[30]	YOUNG C S, GOBLER C J. Ocean acidification accelerates the growth of two bloom-forming macroalgae[J]. PLoS One, 2016, 11(5): e0155152. DOI

[31]	GIORDANO M, BEARDALL J, RAVEN J A. CO₂ concen-trating mechanisms in algae: Mechanisms, environmental modulation, and evolution[J]. Annual Review of Plant Biology, 2005, 56: 99-131. DOI

[32]	RAVEN J A, BEARDALL J, SÁNCHEZ-BARACALDO P. The possible evolution and future of CO₂—concentrating mechanisms[J]. Journal of Experimental Botany, 2017, 68(14): 3701-3716. DOI

[33]	LI Y H, ZHONG J L, ZHENG M S, et al. Photoperiod mediates the effects of elevated CO₂ on the growth and physiological performance in the green tide alga Ulva prolifera[J]. Marine Environmental Research, 2018, 141: 24-29. DOI

[34]	IRIHIMOVITCH V, YEHUDAI-RESHEFF S. Phosphate and sulfur limitation responses in the chloroplast of Chlamy-domonas reinhardtii[J]. FEMS Microbiology Letters, 2008, 283(1): 1-8. DOI

[35]	ZER H, OHAD I. Light, redox state, thylakoid-protein phosphorylation and signaling gene expression[J]. Trends in Biochemical Sciences, 2003, 28(9): 467-470. DOI PMID

[36]	FIGUEROA F L, ISRAEL A, NEORI A, et al. Effects of nutrient supply on photosynthesis and pigmentation in Ulva lactuca (Chlorophyta): Responses to short-term stress[J]. Aquatic Biology, 2009, 7: 173-183. DOI

[37]	REIDENBACH L B, FERNANDEZ P A, LEAL P P, et al. Growth, ammonium metabolism, and photosynthetic properties of Ulva australis (Chlorophyta) under decreasing pH and ammonium enrichment[J]. PLoS One, 2017, 12(11):e0188389. DOI

[38]	MA J, WANG W, LIU X Y, et al. Zinc toxicity alters the photosynthetic response of red alga Pyropia yezoensis to ocean acidification[J]. Environmental Science and Pollution Research, 2020, 27(3): 3202-3212. DOI

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Abstract

0 引言

1 材料与方法

1.1 幼苗来源及培养条件

1.2 实验设计

1.3 海水碳酸盐系统参数的测定

1.4 相对生长速率的测定和计算

1.5 叶绿素荧光参数的测定和计算

1.6 呼吸速率和净光合速率的测定和计算

1.7 色素的测定和计算

1.8 数据统计及分析

2 结果与分析

2.1 CO2和DIP对海水碳酸盐系统的影响

表1 不同处理组的海水碳酸盐系统参数

2.2 CO2和DIP对相对生长速率的影响

图1 不同处理下浒苔幼苗的相对生长速率

2.3 CO2和DIP对荧光参数的影响

图2 不同处理下浒苔幼苗的有效光合量子产率

图3 不同PAR下浒苔幼苗的相对光合电子传递速率

表2 不同处理下浒苔幼苗的最大相对光合电子传递速率(rETRmax)、光能利用效率(α)与饱和光强(Ek)

2.4 CO2和DIP对净光合速率和呼吸速率的影响

图4 不同处理下浒苔幼苗的净光合速率(a)和呼吸速率(b)

2.5 CO2和DIP对色素的影响

图5 不同处理下浒苔幼苗的叶绿素a(a)、叶绿素b(b)与类胡萝卜素(c)含量

3 讨论

4 结论

参考文献

2.1 CO₂和DIP对海水碳酸盐系统的影响

2.2 CO₂和DIP对相对生长速率的影响

2.3 CO₂和DIP对荧光参数的影响

表2 不同处理下浒苔幼苗的最大相对光合电子传递速率(rETR_max)、光能利用效率(α)与饱和光强(E_k)

2.4 CO₂和DIP对净光合速率和呼吸速率的影响

2.5 CO₂和DIP对色素的影响