不同光質對壇紫菜果孢子和殼孢子萌發的影響

劉嘉嘉,梁小君,周琳琳,鐘晨輝,郭辰濤,唐隆晨,林 琪*

(1.福建省水產研究所、福建省海洋生物增養殖與高值化利用重點實驗室,福建 廈門361013;2.上海海洋大學、水產種質資源發掘與利用教育部重點實驗室,上海 201306;3.海洋生物種業技術國家地方聯合工程研究中心,福建 廈門 361013)

光是植物賴以生存的重要環境因子,不僅作為光合作用的能量來源,還參與調控植物的生長與發育,光的光譜組分(光質)是光因子的一種重要屬性[1]。大部分藻類植物生長在水環境中,由于水層深度和水體組分差異造成了水體對不同波長光的選擇性折射和吸收,不同水體的光質組分存在差異[2-3]。為適應水體環境的光譜組分,藻類在漫長的進化過程中獲得了多樣的光質適應機制[4]。大量研究指出,可見光區的不同光質(白、藍、紅、綠光)可對藻類的光合效率、形態建成、生長發育[5-7]、細胞結構[8]以及生化代謝[9-15]等多個方面產生顯著的影響。例如,藍光可提高硬石莼(Ulvarigida)、長珊瑚藻(Corallinaelongata)和海頭紅(Plocamiumcartilagineum)[10]以及角刺藻(Chaetocerossp.)[11]的葉綠素含量,促進真江蘺(Gracilariavermiculophylla)的氨基酸合成[12]以及海帶(Saccharinajaponica)幼孢子體的生長、細胞分裂[6]和卵母細胞形成[7];紅光處理可促進長莖葡萄蕨藻(Caulerpalentillifera)增重[13];綠光處理可提高龍須菜(Gracilariopsislemaneiformis)相對生長率和光合效率[5],并有利于紫球藻(Porphyridiumcruentum)[9]和海膜(Halymeniafloresii)[14]的生長及光合色素積累。另外,藻類具有豐富迥異的生活史形式,有些藻類在不同生活史階段對光質的響應也存在差異,例如,藍光可促進小球藻(Chlorella)突變體休眠細胞對氨基酸的吸收,但卻抑制了生長期細胞對氨基酸的吸收[15]。

壇紫菜(Pyropiahaitanensis)是一種具異形世代交替生活史的大型海洋紅藻,其果孢子與殼孢子是實現世代交替的關鍵發育細胞[16]。目前,盡管關于不同光質對紫菜絲狀體及葉狀體的影響已有報道[8,17-22],但光質是否在壇紫菜孢子萌發過程中發揮作用目前尚不太清楚。因此,本研究以壇紫菜的果孢子和殼孢子為實驗對象,探討白、藍、紅、綠光4種光質對壇紫菜果孢子和殼孢子萌發的影響,旨在為探究壇紫菜對光質的適應性響應提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

實驗所用果孢子由福建省霞浦海區養殖筏架上具成熟果孢子囊的壇紫菜葉狀體經陰干刺激后放散獲得[23],殼孢子由實驗室內保存的壇紫菜純系絲狀體經擴培促熟后放散獲得[24]。

1.2 實驗條件設定

實驗所用組合光源(白光)及單色光源(藍、紅、綠光)由功率為11 W的發光二極管(light emitting diode,LED)提供,其波長范圍分別為：白光400～760 nm、藍光455～475 nm、紅光580～630 nm、綠光510～550 nm。通過增減LED燈管的數量及其與實驗材料的距離對光量子通量密度進行調節,并采用PLA-20光譜分析儀測量實驗光源的波長與光量子通量密度,培養果孢子和殼孢子的光量子通量密度分別為(15±1) μmol photons/(m2·s)和(40±2 ) μmol photons/(m2·s);溫度與光周期均統一設置為(22±1)℃、10L∶14D。

1.3 孢子的培養與攝片記錄

實驗使用的培養液均為MES(modified ES)培養基[25]。將含有果孢子的海水經過200目篩絹濾去雜質后攪拌均勻,取等體積果孢子懸濁液于無色培養皿(Φ=9 cm)中黑暗靜置12 h,待孢子附著后分別置于不同光質的光源下培養,每個光質組設3個生物學重復。每3 d更換1/3培養液,并用Leica DMI8倒置顯微鏡進行觀察、攝片,隨機統計20個果孢子萌發體的萌發管分枝數目及萌發管總長度。殼孢子的培養與攝片方法同上,培養過程中統計60個殼孢子萌發體的細胞數目。另外,在培養皿中隨機選取30個視野(Φ=2 mm),統計區域內的孢子數量,在不同光質下培養15 d后,再次以同樣的方法統計隨機30個視野的孢子數量,并計算孢子的存活率。

1.4 數據處理與分析

采用圖像測量軟件Digimizer V4.3.4測量果孢子萌發管總長度,Excel 2013進行數據整理與統計,Origin 9.0作圖,IBM SPSS 19進行實驗組間的單因素ANOVA檢驗,設置差異顯著水平為P<0.05。

2 結果

2.1 不同光質對壇紫菜果孢子萌發的影響

2.1.1 果孢子萌發的細胞學觀察

如圖1所示,果孢子經12 h避光附著后,可見細胞內具明顯的凝集狀黃褐色色素體[圖1(a)、(g)、(m)、(s)]。遇光后的果孢子迅速萌發,并很快在各光質處理組間出現顏色差異。在白光與藍光下的果孢子萌發體始終色澤飽滿,呈鮮紅色[圖1(b)至(f)、(h)至(l)],而經紅、綠光培養3 d的果孢子萌發體已呈黃褐色,并隨著實驗的進行,其色澤愈發暗淡,與白光組和藍光組的萌發體顏色形成鮮明對比,最終呈現淺黃褐色[圖1(n)至(r)、(t)至(x)]。在培養后期觀察到紅光組萌發體的萌發管明顯較其他光質組少而短[圖1(q)、(r)],而綠光組的萌發體雖然色澤與紅光組類似,呈暗淡的淺黃褐色,但其萌發管較其他光質組更長,且具更多的分枝[圖1(w)、(x)]。

圖1 不同光質下培養的壇紫菜果孢子的形態變化Fig.1 Morphogenetic developments of carpospores of P. haitanensis cultured under different light qualities(a)至(f)分別為白光下培養0、3、6、9、12、15 d的壇紫菜果孢子和萌發體;(g)至(l)分別為藍光下培養0、3、6、9、12、15 d的壇紫菜果孢子和萌發體;(m)至(r)分別為紅光下培養0、3、6、9、12、15 d的壇紫菜果孢子和萌發體;(s)至(x)分別為綠光下培養0、3、6、9、12、15 d的壇紫菜果孢子和萌發體。

2.1.2 萌發管分枝形成的時序

對果孢子萌發體萌發管分枝形成時序的量化統計結果顯示,綠光下果孢子萌發管的分枝形成速度最快,白光下次之,藍光下再次之,紅光下最慢。在培養至第3天時,紅光組萌發體的平均萌發管分枝數目已顯著低于白光對照組(P<0.05),其余各組間未形成顯著差異(P>0.05)。在培養進行至第9天時,各組間平均萌發管分枝數目開始出現較明顯的差異,其中綠光組最多,白光組次之,紅光組、藍光組則顯著低于其余各組(P<0.05),二者間暫無顯著差異(P>0.05)。從第12天起至培養結束,各光質組萌發體的平均萌發管分枝數目表現出綠光組>白光組>藍光組>紅光組,且在各組間差異顯著(P<0.05)。其結果如圖2所示。

圖2 不同光質下培養的壇紫菜果孢子的平均萌發管分枝數目Fig.2 Average numbers of germ tube branches of carpospores of P. haitanensis cultured under different light qualitiesn=20,不同字母代表同一時間內組間差異顯著(P<0.05),下同。

2.1.3 萌發管長度比較

與萌發管分枝數目相似,在不同光質條件培養下果孢子萌發體的萌發管長度也存在較明顯的差異。在培養至第3天時,綠光組萌發體的平均萌發管長度已開始明顯大于其他光質組(P<0.05),其余各組間則無顯著差異(P>0.05)。從第6天起,紅光組萌發體的平均萌發管長度顯著小于白光組(P<0.05),藍光組則與白光組之間暫未形成顯著差異(P>0.05),但從第9天起至培養結束,藍光組萌發體的平均萌發管長度一直處于略大于紅光組,但與之無顯著差異的水平(P>0.05),而二者均顯著小于白光組(P<0.05),并呈現出綠光組>白光組>藍光組>紅光組(P<0.05)。其結果如圖3所示。

圖3 不同光質下培養的壇紫菜果孢子萌發體的平均萌發管長度Fig.3 Mean lengths of germ tubes of carpospore germlings of P. haitanensis cultured under different light qualities n=20。

2.1.4 果孢子存活率

在白、藍、紅、綠光4種不同光質下培養15 d后的壇紫菜果孢子其存活率分別為87.53%、88.28%、82.19%和89.68%,紅光組的壇紫菜果孢子的存活率略低于其他3個光質組,但各組間無顯著差異(P>0.05),其結果如圖4所示。

圖4 不同光質下培養15 d的壇紫菜果孢子的存活率Fig.4 Survival rates of carpospores of P. haitanensis cultured under different light qualities for 15 days n=30。

2.2 不同光質對壇紫菜殼孢子萌發的影響

2.2.1 殼孢子萌發的細胞學觀察

萌發前的壇紫菜殼孢子通常呈球狀,深黃褐色或暗橙黃色(圖5)。在培養初期,各光質組的殼孢子萌發過程相似,細胞發生橫向分裂,并形成明顯的假根。培養至第6天時,藍光組的萌發體細胞顏色開始逐漸變紅[圖5(i)];而培養至第9天時,各光質條件下的萌發體色澤出現明顯差異,藍光組的萌發體細胞顏色加深并呈現鮮紅色[圖5(j)],白光組則呈現紅棕色[圖5(d)],而紅、綠光組仍然保持暗淡的黃褐色[圖5(p)、(v)]。培養至第15天時,各組中以藍光組的萌發體顏色最深,呈深紫紅色[圖5(k)、(l)],白光組次之,呈鮮紅色[圖5(e)、(f)],紅光組和綠光組萌發體均呈暗淡的淺黃褐色,且紅光組色澤較綠光組稍淺[圖5(q)、(r)、(w)、(x)]。

圖5 不同光質下培養的壇紫菜殼孢子萌發過程的形態變化Fig.5 Germination morphogenesis of P. haitanensis conchospores cultured under different light qualities(a)至(f)分別代表白光下培養0、3、6、9、12、15 d的壇紫菜殼孢子和萌發體;(g)至(l)分別代表藍光下培養0、3、6、9、12、15 d的壇紫菜殼孢子和萌發體;(m)至(r)分別代表紅光下培養0、3、6、9、12、15 d的壇紫殼孢子和萌發體;(s)至(x)分別代表綠光下培養0、3、6、9、12、15 d的壇紫菜殼孢子和萌發體。

2.2.2 殼孢子的發育時序

與白光組相比,綠光組的殼孢子萌發體細胞分裂較快,而藍光組和紅光組則相對較慢。在前9天培養過程中,4種光質條件下培養的殼孢子萌發體的平均細胞數目未出現顯著差異 (P>0.05)。但培養至第12天時,與白光組相比,藍光組和紅光組萌發體的平均細胞數目明顯偏少(P<0.05),而綠光組則顯著高于其余光質組(P<0.05)。培養至第15天時,藍光組萌發體的平均細胞數目仍顯著低于白光對照組(P<0.05),綠光組萌發體的細胞數目則仍保持顯著最高的水平(P<0.05)。其結果如圖6所示。

圖6 不同光質下培養的壇紫菜殼孢子萌發體的平均細胞數目Fig.6 Average cell numbers of conchospore germlings of P. haitanensis cultured under different light qualities n=60。

2.2.3 殼孢子存活率

藍、紅、綠3種單色光下培養的殼孢子在第15天時的存活率分別為91.62%、93.03%和91.99%,均略低于白光組(96.71%),但各光質組間無顯著差異(P>0.05)。其結果如圖7所示。

圖7 不同光質下培養15 d的壇紫菜殼孢子的存活率Fig.7 Survival rates of conchospores of P. haitanensis cultured under different light qualities for 15 days n=30。

3 討論

水對不同波段可見光的吸收具有明顯的選擇性[2-3]。受所處水層深度及水體成分的影響,不同藻類生境的光譜組分存在明顯差異,因此,不同種類的海洋藻類在長期的適應性進化過程中對光質變化表現出豐富的響應模式[4,26]。在本研究中,不同光質下培養的壇紫菜果孢子和殼孢子均能萌發,但萌發速度與細胞顏色表現出明顯差異,這表明不同波長的光在壇紫菜孢子的生長發育中不僅能夠充當能量供應的角色來驅動光合作用的進行,還能影響孢子早期萌發時的形態建成和生長發育。

光合色素是藻類吸收光能的重要物質基礎,包括葉綠素、藻膽素、類胡蘿卜素等,這些色素的含量和組成決定了藻體的顏色[27],并可隨著藻體對外界環境的光譜組分的適應而發生改變[10,28]。海藻所含光合色素種類、含量及其吸收光譜特性決定了它們對不同波段光的利用勢必是不同的[29]。本研究觀察到綠光與紅光下的萌發體細胞出現明顯的顏色變淺,而藍光下的細胞顏色明顯加深,這與壇紫菜絲狀體和葉狀體在這兩種光質下的藻體色澤變化相類似,說明紅光與綠光可能不利于藻膽色素的積累,藍光則反之[17-18]。單一的紅光或綠光照射下萌發體的色澤消退可能與天線蛋白的解耦和藻膽素的降解有關,這是由于紫菜的天線色素藻膽素對紅綠光具有很強的吸收作用[28],光合作用的過量激發能會誘導產生有害的自由基,因此,天線蛋白解耦和藻膽素降解對避免這種過激是十分有利的[30-31]。相反,有研究表明臍形紫菜 (Porphyraumbilicalis)葉狀體對藍光的吸收作用較弱[21],在單一藍光照射下細胞光合作用的光能捕獲能力十分有限,但其適應性地提高了與光系統Ⅱ(PSⅡ)緊密相關的藻膽素的含量,這可能對維持藻體穩定的光合作用具有重要意義。目前,長期的紅光或綠光照射已被證實不利于壇紫菜葉狀體和絲狀體的生長[17-18],且綠光還會抑制壇紫菜殼孢囊枝細胞的形成[32],但本研究中綠光照射下的孢子卻表現出比白光下孢子的萌發速度更快的現象,這與壇紫菜雌性配子體在綠光下能夠最早形成生殖細胞并促進單性生殖孢子的發生與萌發相似[18]。事實上,綠光已被發現能以最低光照強度促使多種紅藻孢子的萌發[33],一些富含藻紅素的紅藻和藍藻種類也表現出對綠光的利用效率比其他光質更高效的現象[34-36]。本研究中,綠光下培養的壇紫菜果孢子、殼孢子及其萌發體生長速度明顯優于其他光質條件下的生長速度,暗示壇紫菜可能對綠光具有較高的利用效率。然而目前有關紫菜對不同光質光源的適應性響應機制還知之甚少,還有待進一步研究。

4 結論

光質顯著影響壇紫菜果孢子和殼孢子萌發過程中細胞的色澤變化。白光和藍光能使果孢子和殼孢子的萌發體顏色加深,最終變為鮮紅色或深紫紅色,紅光和綠光則使兩者顏色變淺,最終呈淺黃褐色。綠光能明顯促進壇紫菜孢子萌發體的生長,暗示壇紫菜可能對綠光具有更高的利用效率。