龙须菜和裂片石莼干粉末对两种赤潮微藻的光合生理影响机制探究

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大型海藻作为一种具有经济价值、资源丰富、环境友好型的海洋土著物种,对赤潮藻类具有良好的抑制效果,是赤潮防治的理想材料。本实验选取了两种常见的大型海藻,龙须菜(Gracilaria lemaneiformis)和裂片石莼(Ulva fasciata),与赤潮异湾藻(Heterosigma akashiwo)和中肋骨条藻(Skeletonema costatum)分别进行共培养实验,以光合作用为主线,探究这两种大型海藻对赤潮微藻叶绿素a含量,叶绿素荧光参数、光合作用相关基因表达量、转录组的影响。主要研究结果如下:1)龙须菜干粉与中肋骨条藻共培养时,出现低促高抑的现象。1 g/L的低浓度干粉处理组对中肋骨条藻生长的促进作用,表现为叶绿素a含量增加,OJIP曲线各相的荧光强度上升,微藻单位面积电子转移的能量(ETo/CSo),单位面积活性反应中心的数量(RC/CSo)增加,PSⅡ功能结构完好,生理生长状态良好。2 g/L和3 g/L的高浓度处理组的抑制作用具有浓度效应,在24 h时最为强烈。高浓度处理组的抑制作用表现为叶绿素a含量显著减少,OJIP曲线的趋于平缓,放氧复合体比例下降,活性反应中心数量减少,电子传递链受阻,PSⅡ吸收的光能用于推动电子传递的能量减少,能量耗散增加,原初光化学反应效率降低;表明PSⅡ的供体侧、受体侧、反应中心均受到严重损伤;此外,经过2 g/L的龙须菜干粉24 h后,中肋骨条藻光合作用相关基因psb A,psb C和rbc L表达量显著下调。2)龙须菜干粉对赤潮异湾藻均表现为抑制作用,且随着龙须菜干粉浓度的增大,抑制作用越显著。1 g/L的龙须菜干粉对赤潮异湾藻的作用位点可能主要在PSⅡ反应中心,对PSⅡ的供体侧和受体侧影响不大;具体表现为叶绿素a含量有所下降,活性反应中心数量下降;单位面积天线叶绿素吸收的光能和用于电子转移的能量降低。2 g/L和3 g/L的高浓度处理组在24 h时抑制作用最强;2 g/L的干粉处理组在24 h时表观生长抑制率达84.9%,供体侧放氧复合体受到损伤,电子传递链严重受阻,活性反应中心数量下降,光原初化学反应效率降,PSⅡ遭到严重破坏。赤潮异湾藻光合作用的相关基因psb A,psb C和rbc L对12 h的裂片石莼干粉的胁迫做出了不同的表达调控响应3)裂片石莼干粉与中肋骨条藻共培养时,低浓度的干粉对中肋骨条藻表现为强烈的抑制效果,且抑制作用与裂片石莼干粉的浓度呈正相关。低浓度处理组抑制效果在24 h时达到最强,48 h后有减弱趋势。裂片石莼干粉的化感物质影响了中肋骨条藻光合作用相关基因表达,使PSⅡ供体侧、受体侧、反应中心,捕光色素复合体严重受损;叶绿素a含量下降,叶绿素荧光参数的变化趋势与上述高浓度龙须菜干粉处理的中肋骨条藻基本一致;24 h后psb A,psb C和rbcL基因表达量显著下降。4)裂片石莼干粉与赤潮异湾藻共培养时,同样表现为抑制作用,具有浓度效应。当裂片石莼干粉的浓度只有1 g/L时,与上述低浓度龙须菜干粉的作用效果相似,赤潮异湾藻的损伤位点可能主要在PSⅡ反应中心;当浓度增加到2 g/L时,PSⅡ的供体侧、受体侧、反应中心均受到严重损伤,叶绿素荧光参数的变化趋势也与高浓度龙须菜干粉处理的赤潮异湾藻基本一致,但作用效果更强;光合作用相关基因psb A,psb C,rbcL对裂片石莼干粉的胁迫做出响应;从转录组分析可知裂片石莼干粉影响了赤潮异湾藻光合作用的正常运行,破坏了PSⅡ、PSⅠ核心复合体,捕光色素复合体,Cyt b6/f复合体,ATP合酶功能结构的稳定性;进而影响了光系统光能的吸收与传递,电子传递链,氧化磷酸化,CO2固定过程的正常运行。此外,DNA的复制和修复以及ABC转运蛋白也受到影响。实验结果表明:大型海藻龙须菜和裂片石莼干粉均能显著抑制中肋骨条藻和赤潮异湾藻的生长。总体来说,裂片石莼干粉的化感抑制效果大于龙须菜干粉,赤潮异湾藻比中肋骨条藻更容易受到大藻干粉化感物质的损伤。大藻干粉很可能通过干扰赤潮微藻光合作用相关基因的正常表达,影响微藻光合机构的结构功能的稳定性,光能的吸收、能量转化、电子传递、ATP合成、CO2的固定受阻,DNA复制与修复受阻,最终导致微藻的死亡,从而起到控制和消减赤潮的作用。
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