由于人类活动的影响,全球气候变暖和水体富营养化等问题加重,加剧了海洋中棕囊藻赤潮的暴发,导致水体缺氧以及水质恶化,给海洋生态系统带来极大的危害。生物控藻是一种环境友好型的清除有害藻类的方式。我们先前的研究发现,轮虫可以很好地清除棕囊藻种群,可以通过摄食棕囊藻将能量传递给更高营养级。由于轮虫不具有食物选择性、生长周期短、易培养、繁殖量大等优点,使其成为极具潜力的控制棕囊藻赤潮的浮游动物之一。但在复杂的自然环境条件下,外界环境胁迫对轮虫清除棕囊藻会产生怎样的干扰?轮虫长期摄食棕囊藻所受影响在转录组和代谢组水平上又是如何调控的?本论文将针对以上科学问题,模拟轮虫摄食棕囊藻的环境因子效应,结合轮虫个体水平、种群水平和分子水平上的差异分析研究,阐明轮虫与棕囊藻种群动态对多种环境因子的响应及其内在机制。本论文研究内容与结果主要包括以下5个部分:1.不同初始种群密度褶皱臂尾轮虫清除球形棕囊藻的温度依赖效应在19、22、25、28和31℃共5个温度下,设置3个不同初始种群密度的轮虫(1、3、5 inds mL-1)与棕囊藻共培养9-16天,直至棕囊藻种群被完全清除。实验结果表明,轮虫摄食棕囊藻后种群迅速增加,且较高的温度促进了棕囊藻和轮虫的生长。随着轮虫种群初始密度和温度的增加,轮虫清除率和棕囊藻的削减率均增加,使棕囊藻更快被清除。温度和轮虫种群初始密度对轮虫的清除率和棕囊藻的清除时间均有显著影响,且二者之间存在显著交互作用,即轮虫种群初始密度对棕囊藻清除的影响随温度的升高而减弱。综上所述,较高温度和较大的轮虫种群初始密度促进了轮虫对有害棕囊藻的清除,而轮虫清除棕囊藻的最佳温度是28℃左右。2.重金属镉对褶皱臂尾轮虫生活史参数及轮虫-棕囊藻种群动态的影响藻类丰度、重金属、升温与浮游动物之间可能存在一定的相互作用。因此,本研究探讨了镉浓度对暴露于不同棕囊藻丰度下轮虫生活史参数的影响以及非致死性浓度Cd与温度对轮虫-棕囊藻种群动态的联合效应。结果表明,Cd浓度和棕囊藻丰度对轮虫主要生活史参数有显著的交互作用。中等水平的棕囊藻浓度(5-36×104 cells mL-1)对暴露于高浓度Cd下轮虫的总后代数量和能够产后代的轮虫数有明显影响。在任何浓度Cd下,随着棕囊藻浓度的增加,轮虫首次繁殖时间、存活时间均呈指数下降,随后趋于一个稳定值。随着棕囊藻丰度的增加,轮虫总后代数量呈指数增长,逐渐趋于理论最大值;高丰度棕囊藻可以降低轮虫对重金属的敏感性,但随着棕囊藻丰度的增加,其负面影响并不能完全消除。生活史结合种群动态实验结果表明,在轮虫能够完成整个生活史且能繁殖相当数量后代的非致死性浓度Cd环境下,也会导致轮虫控制棕囊藻的失败,这可能由于轮虫母体传代效应,新增个体及其又产生的后代持续受到Cd胁迫,最终导致轮虫个体综合性能下降进而导致轮虫种群衰退,从而无法抑制棕囊藻种群的快速增长。同时,升高温度加重了 Cd对轮虫的负面影响。3.微塑料对轮虫摄食棕囊藻的干扰效应:基于生活史性状和轮虫-棕囊藻种群动态的变化为了评估微塑料对轮虫的影响,我们设计了一系列实验来研究不同浓度与不同粒径微塑料对轮虫生活史参数和轮虫-棕囊藻(捕食者-猎物)种群动态的影响。实验结果表明:高浓度(≥5 μg mL-1)的小粒径微塑料(0.07 μm),使轮虫存活和繁殖降低、性成熟时间延长、性成熟时体长变短,而大粒径微塑料(0.7和7 μm)对轮虫的生活史参数无影响。对于轮虫-棕囊藻种群动态变化,小粒径微塑料(0.07μm)显著延迟了轮虫对棕囊藻的清除时间;轮虫-棕囊藻种群动态的研究结果与轮虫生活史参数变化一致,进一步证实了 0.07μm的小粒径微塑料对轮虫的负面影响。这些发现有助于揭示环境污染物对捕食者-猎物种群动态的影响。4.不同食物条件下(棕囊藻或小球藻)褶皱臂尾轮虫繁殖与寿命的权衡及其转录组水平差异分析为了探讨不同食物条件下轮虫繁殖与寿命之间是否存在权衡及生活史参数变化的内在机制,分别将轮虫暴露于100%小球藻、50%棕囊藻和50%小球藻的混合物,100%棕囊藻中,记录其生活史参数。同时,选取牧食100%小球藻和100%棕囊藻的轮虫进行转录组测序。结果表明,食物质量的差别对轮虫生活史参数有显著影响。在100%小球藻或混合食物中培养的轮虫的综合性能(综合了生殖和寿命的指标)显著高于在100%棕囊藻中培养的轮虫。总体而言,摄食小球藻的轮虫寿命缩短但繁殖输出增加,而摄食棕囊藻的轮虫繁殖力降低但寿命延长,表明在不同食物条件下,繁殖和寿命之间存在权衡。另外,摄食棕囊藻和小球藻的轮虫在碳水化合物的消化吸收、糖酵解、糖异生、不饱和脂肪酸生物合成和细胞凋亡等通路的表达趋势与生活史结果一致,印证了不同食物条件对轮虫外在综合性能差别的内在机制。5.轮虫长期摄食棕囊藻的适应性耐受及其多组学机制分析为了研究长期摄食低营养质量棕囊藻给轮虫生活史带来的影响及其变化的内在机制,分别用棕囊藻短期培养轮虫和长期培养轮虫,开展生活史实验,同时收集轮虫样本进行转录组和代谢组测序。实验结果表明:长期摄食棕囊藻的轮虫产后代数比短期摄食棕囊藻的轮虫显著增加约15%。转录组与代谢组实验数据表明,差异表达基因和差异代谢物主要与能量代谢、碳水化合物代谢以及多种营养物质代谢通路相关。生活史参数变化与多组学调控通路变化一致,表明轮虫长期摄食营养物质匮乏棕囊藻,使其对棕囊藻产生了一定的适应性耐受。综上所述,轮虫摄食棕囊藻后的生活史表现与轮虫棕囊藻种群动态显著受到外界环境因子的介导:较高温度和较大的轮虫种群初始密度促进了轮虫对有害棕囊藻的清除;重金属与微塑料会对摄食棕囊藻的轮虫生活史带来不同程度的影响,且干扰或完全阻碍了轮虫清除棕囊藻种群;在不同食物(棕囊藻或者小球藻)条件下,轮虫繁殖和寿命之间存在权衡,这些变化在碳水化合物的消化吸收、糖酵解、糖异生、不饱和脂肪酸生物合成和细胞凋亡等通路的表达趋势相关联;轮虫长期摄食棕囊藻后产生适应性耐受,差异表达基因和差异代谢物主要与能量代谢、碳水化合物代谢以及多种营养物质代谢通路相关。这些结果对于阐明轮虫与棕囊藻的种间关系对多种环境因子的响应以及深入揭示轮虫对棕囊藻的适应性耐受机制具有重要理论意义,对于评估实际的控藻效果把有害藻类化害为利进行控制也具有非常重要的现实指导意义。