海洋聚球藻对铁限制的生理响应

【摘要】：铁供应不足限制了海洋初级生产力,特别是在约占全球海洋面积1/3的高营养盐低叶绿素(high-nutrient low-chlorophyll, HNLC)区域。自1988年以来,在HNLC海区进行了多次培养瓶内以及大规模的现场铁添加实验,研究结果表明铁在调节海洋初级生产力、生物地球化学循环以及全球气候方面起重要作用。在海洋生态系统中,聚球藻(Synechococcus)数量大、分布广,是全球海洋初级生产力的主要贡献者。聚球藻在海洋微食物网中周转迅速,每天被鞭毛虫和纤毛虫牧食的聚球藻占其现存量的35-100%。在HNLC海区的铁添加实验中,只有硅藻没有受到浮游动物捕食的影响,其生物量大量增加。长期以来,人们认为超微型浮游藻类聚球藻在HNLC海区并未受到铁限制。但是,也有一些证据表明,Synechococcus在海洋中同样受到铁限制。以往,有关铁限制对浮游藻类的生理生化影响研究主要集中在硅藻等真核藻类,而有关原核藻类聚球藻的研究较少。 铁元素是许多酶和蛋白的辅因子,在光合和呼吸电子传递,以及硝态氮的吸收利用等许多代谢过程中起重要作用。但是,藻细胞内绝大多数的铁存在于光合机构中。近岸水体中的铁浓度比大洋水体中的铁浓度高,铁限制的选择压力导致真核硅藻的海岸株比大洋株对铁限制更敏感。根据理论推测,浮游藻类细胞以硝酸盐为氮源时比以铵盐为氮源时有更高的铁需求。人们不清楚海洋聚球藻的大洋株是否也比海岸株更能耐受铁限制,并且对于聚球藻以铵盐为氮源时是否有更低的铁需求也还存有争议。海洋中的铁浓度随着深度的增加而升高,但海洋中的光强随着深度的增加而逐渐减弱。结合理论预测与真核硅藻的研究表明,藻细胞在低光条件下生长时对铁的需求更高,但铁限制的藻细胞在高光条件下PSII更容易受到光抑制。因此,在聚球藻海岸株的绿色株系和红色株系中铁元素和光的互作关系值得我们深入研究。目前,聚球藻PCC7002已被实验证实能产生铁载体,以适应铁限制环境的海洋蓝藻。当它与那些不能合成铁载体的藻株共培养时,它是否具有竞争优势也值得我们探讨。 本文采用专为研究微量金属元素对海洋藻类生理影响而设计的Aquil培养基,全程采用痕量金属洁净技术控制微量元素污染,采用Water-PAM荧光仪测定F0的方法监测藻细胞的生长,运用Water-PAM和FIRe荧光技术以及流式细胞技术研究铁元素对不同藻株的生理影响,探究铁限制生理反应的种间差异以及铁元素对氮素和光能利用的影响。研究结果将有助于我们正确评估铁限制对超微型浮游藻类初级生产的影响,揭示铁元素对海洋生态系统种群结构的影响,为进一步研究不同藻株适应低铁的生化和分子机制提供依据。主要结果如下： 1.最小荧光产额是测定超微型浮游藻类生物量的可靠便捷方法。在铁浓度为4-1000nM的Aquil培养基中,培养两株海岸聚球藻(PCC7002和CC9311)和一株大洋聚球藻(WH8102),采用WATER-PAM荧光仪测定藻液的最小荧光F0,同时利用流式细胞仪进行细胞计数。结果表明,通过这两种方法得出的比生长速率没有显著差异。与铁充足条件(1000nM Fe)相比,WH8102和CC9311在15nMFe培养基中的比生长速率分别降低了59%和37%,PCC7002在4nM Fe条件下的比生长速率降低了57%。这表明,PCC7002最能耐受铁限制,而WH8102对铁限制最敏感。最小荧光F0值与细胞浓度之间存在线性关系,铁充足条件下不含藻红蛋白的PCC7002的每细胞最小荧光是富含藻红蛋白藻株(WH8102和CC9311)的100倍。在铁限制条件下,WH8102和CC9311每细胞的最小荧光分别增加128%和7%,但是PCC7002却降低了30%,这主要与各藻株的藻胆素组成差异以及铁限制对不同藻株光合色素的影响差异有关。在光暗周期中,PCC7002与CC9311的每细胞最小荧光变化较小,而WH8102的每细胞最小荧光在光照条件下更高。总之,通过测定稳态条件下藻细胞的F0值是一种可靠的比生长速率测定方法。 2.聚球藻海岸株和大洋株的光合作用和流式信号对铁限制和氮源的不同反应。本研究比较了四株海洋聚球藻在不同铁浓度和氮源条件下的光合作用和流式信号的差异,结果表明大洋株比海岸株对铁限制更敏感,铁限制对两个大洋株的生长、光系统Ⅱ最大光化学效率、最大电子传递速率以及光化学淬灭的抑制程度大于两个海岸株。在铁限制条件下,两个海岸株不同光合单位之间的连接系数增加,而两个大洋株的连接系数降低,同时铁限制加快了两个大洋株QA的氧化速率以及海岸株PQ库的氧化速率。在铁限制条件下,两个大洋株的细胞大小与细胞内色素含量降低,而侧向散射光与前向散射光的比值(SS/FS)增加。与铁限制不同,氮源对四个藻株的光合作用影响相对较小。在铁充足条件下,以氨为氮源时促进了两个海岸株的生长。以氨为氮源时,在铁充足和铁限制条件下两个大洋株的细胞体积增加,SS/FS与细胞内色素含量降低。以往的研究表明,真核硅藻的海岸种较大洋种对铁限制更敏感,而本研究以海洋聚球藻得出的结论与此相反。至于聚球藻大洋株比海岸株对铁限制更敏感的生化机制,还有待进一步探讨。 3.铁和光对聚球藻绿色和红色海岸株生长、光合作用及流式色素荧光的影响。在高铁和低铁以及高光和低光条件下培养绿色海岸株(PCC7002)与红色海岸株(CC9311),结果表明PCC7002在低光条件下更容易受到铁限制,而CC9311在铁限制条件下更容易受到高光抑制,另外在高光和低光条件下培养的CC9311都比PCC7002更容易受到铁限制。通过流式细胞仪分析发现,CC9311和PCC7002的叶绿素、藻蓝蛋白和藻红蛋白荧光在铁限制和高光条件下降低。PCC7002的捕光截面(OPSⅡ)在铁光共限制条件下降低,CC9311的σPSⅡ在铁限制和高光条件下降低,这可能是由于铁限制和高光导致与光系统Ⅱ反应中心结合的色素分子数量降低。在铁限制和光限制条件下,PCC7002的线性电子传递速率降低,而PQ的氧化速率(1/τPQ)加快,这可能是由于围绕PSI的循环电子传递加快。在铁限制和高光条件下,CC9311的线性电子传递降低,而QA氧化速率(1/τQa)和PQ的氧化速率(1/τPQ)都加快,这可能是由于围绕PSⅠ和PSⅡ的循环电子传递加快。不同铁浓度和光照条件下培养的PCC7002和CC9311,经过30min高光(300μmol photons·m-2·s-1)处理,然后进行低光恢复。通过比较高光处理后以及低光恢复后的Fv/Fm值,结果表明CC9311比PCC7002对高光更敏感且恢复程度较低。另外,在低光和低铁条件下培养的藻细胞更容易受到光抑制且恢复程度较低,这可能与低光低铁培养条件下的CC9311和PCC7002的非光化学淬灭(NPQ)较低有关。铁元素和光照的相互作用可能是红色藻株和绿色藻株垂直分布的决定因素之一。 4.聚球藻PCC7002与WH8102和CC9311对铁限制的生理反应以及铁元素对它们之间竞争的影响。在铁限制条件下,聚球藻PCC7002能合成铁载体参与铁的吸收,因而通常认为具有竞争优势。在单培养条件下,铁限制对WH8102和CC9311的细胞数以及比生长速率的抑制程度较PCC7002大。铁限制对PCC7002的细胞内ROS相对含量以及死亡细胞比例的影响也较小,因此PCC7002比WH8102和CC9311更耐受铁限制。在铁限制条件下,PCC7002的前向散射光(与细胞大小相关)降低,CC9311和WH8102的前向散射光显著增大。铁限制影响三个藻株的DNA含量和细胞周期,WH8102和CC9311的细胞周期属于快速生长模式,PCC7002的细胞周期属于慢速生长模式。在铁限制条件下,WH8102和CC9311的G1期细胞比例增大。PCC7002的DNA含量分布图在铁充足条件下为较宽的单峰,而在铁限制条件下为较窄的单峰。与单培养时相比,在铁限制条件下分别与WH8102和CC9311混合培养的PCC7002,其比生长速率、细胞产量、叶绿素荧光、前向散射光和DNA含量降低,ROS含量升高,死亡细胞的比例增大。然而,在铁充足条件下混合培养的PCC7002与单培养时没有显著差异。无论是在铁充足还是铁限制条件下,单培养的WH8102和CC9311与混合培养时生理指标没有显著差异。因此,我们推测铁限制条件下混合培养的PCC7002比单培养时受到了更严重的铁限制。