銅藻應對強光脅迫的光合適應

張 琦,李凌雪,何健龍,王 寧,劉 凱,劉麗娟,徐智廣*

(1 魯東大學 生命科學學院,山東 煙臺 264025;2 山東省海洋資源與環境研究院,山東 煙臺 264006;3 長島綜合試驗區 海洋經濟促進中心,山東 煙臺 265800)

金潮是漂浮馬尾藻(Sargassum)暴發性生長而出現的生物量大規模堆積在海水表面的海洋生態現象[1]。受全球變暖和近岸海水富營養化的影響,這一現象在規模、頻率和程度上逐漸加劇[2]。銅藻(Sargassumhorneri)是目前發現的馬尾藻金潮的三個原因種之一。近年來,我國黃海、東海因漂浮銅藻導致大面積、周期性的金潮現象頻現,對當地海區造成了嚴重的生態災害和巨大的經濟損失[3]。例如,漂浮藻體會阻礙水體交換,使光照難以到達海洋深處并導致水體缺氧,對其他海洋生物生存造成威脅,影響海洋生態系統的穩定性;亦會阻擋船只海上作業,對漁業和旅游業產生破壞[4];同時,金潮暴發也會給水產養殖業帶來毀滅性破壞,2016年底蘇北淺灘紫菜養殖筏因金潮暴發而發生大面積坍塌,造成5億元的經濟損失[5]。因此,銅藻金潮有可能是繼滸苔綠潮后的又一重大海洋環境問題[6]。

金潮發生時,藻體由定生水下漂浮到海面,缺少了海水對可見光的削減作用,其會接收到更多的光照[7]。光照是影響藻類生長、發育、繁殖等生理活動的重要環境因子之一,光照強度、光照頻率、光照周期、光強波動、光譜組合等諸多因素都會對藻體產生影響[8]。光照強度直接影響藻類的光合速率,不同種類海藻對光照強度的需求存在一定差異,就每一種藻體而言,補償光照強度和飽和光照強度之間的范圍為個體的最適光強范圍[9]。在一定的光強范圍內,藻體的光合速率會隨著光照強度的增加而增強;當光照強度超過飽和光強時,藻體的光合作用通常會受到抑制,產生光抑制現象[10-11]。

除對藻類生長的直接影響外,光照強度還會對藻類的光合活性、色素組成、新陳代謝產物和酶活性等產生影響[8]。強光下,藻類的葉綠素含量一般呈下降趨勢,如瓦氏馬尾藻(SargassumvachellianumGreville)[12]、瓊枝藻(Betaphycusgelatinae)[13]、脆江蘺(Gracilariachouae)[14]等。反之,在低光強條件下,藻體會補償性地增加光合色素的合成來維持光合作用,以供生長發育所需[15]。此外,光強過強會減慢電子的傳遞速率、降低光合活性[16]、破壞相關酶的活性[17]。雖然光脅迫對藻體會產生一定的光損傷,但經過長期進化,藻類具備了抵御強光輻射的多種光保護途徑[18]。比如,強光下藻類可以通過葉黃素循環的非光化學淬滅,將過多光能轉化為熱能,通過熱耗散的方式來保護光反應中心免受高光強損傷[19];也可以通過提高抗氧化系統(包括抗氧化酶和抗氧化劑)的能力有效清除強光誘導的活性氧[20],以削弱強光脅迫對藻體的損傷,其中光合色素類胡蘿卜素就是一種具有ROS清除作用的有效抗氧化劑[21]。此外,藻類還常常通過加速光系統Ⅱ(photosystem Ⅱ,PSⅡ)反應中心D1蛋白的合成周轉,來修復強光對反應中心的損傷[22]。這些保護和修復策略,對藻體適應快速光強變化至關重要。

大型海藻對光脅迫的適應能力和適應途徑具有種的特異性,作為中國金潮暴發的原因種,漂浮型銅藻在海水表面強光條件下的光合響應過程尚不明確。本研究探討了不同光照強度下銅藻的光合生理變化,以揭示銅藻在強光脅迫下的光損傷和光修復等光合響應過程,為銅藻金潮暴發的生理機制提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

實驗材料銅藻于2022年12月中旬采自山東省榮成市俚島灣(37°15′N、122°35′E,海水表層溫度為5 ℃)的漂浮種群。俚島灣內漂浮銅藻呈大小不一的斑塊狀分布,共發現斑塊20個,斑塊面積3～9 m2。樣品采集時,每個斑塊隨機采集銅藻分枝個體10株,采集后樣品置于低溫箱(5 ℃)中3 h內運回實驗室。樣品用過濾、滅菌自然海水在恒溫光照培養箱(GXZ-380D,寧波江南儀器公司,中國)中混合培養24 h,培養光照強度為92 μmol/(m2·s),溫度為18 ℃,光/暗周期為12 h∶12 h,不間斷充氣。

1.2 培養光強設置

從混合培養24 h后的銅藻中隨機選擇45個銅藻分枝個體(長5～7 cm)用于光處理實驗,每5個銅藻分枝(鮮重約為1.0 g)培養在1個裝有500 mL自然海水的石英管中,石英管置于水浴槽內,通過低溫恒溫槽(YRDC-0506,上海亞榮生化儀器廠,中國)將水浴溫度控制在18 ℃。利用全波長太陽模擬器(Sol 1200,H?nle GmbH,德國)進行光照處理,參考北方不同季節海水表面光強[23]及采樣地榮成市俚島灣的實測最高光強,設置3個光合有效輻射(photosynthesis active radiation,PAR,400～700 nm)強度,分別為:460(低光)、920(中光)、1 380(高光)μmol/(m2·s),每個光強處理設置3個重復。經不同光強培養120 min后,石英管全部轉移到光強為9.4 μmol/(m2·s)、溫度為18 ℃的恒溫光照培養箱(GXZ-380D,寧波江南儀器公司,中國)中進行弱光恢復 240 min。光強采用光量子計(PMA2100,Solar Light,美國)進行測定。

1.3 最大光化學量子產量(Fv/Fm)和非光化學淬滅的測定

最大光化學量子產量使用雙調制式葉綠素熒光儀(FL6000,Photon Systems Instruments,捷克)進行測定[24]。在強光處理過程中,分別在處理0、30、60、90、120 min時取活體進行測定;在低光恢復階段,分別在處理60、120、180、240 min時取活體進行測定。測定前將藻體置于黑暗環境暗適應5 min,使所有反應中心在測量前保持開放狀態。測量光照強度低于0.1 μmol/(m2·s),照射后獲得最小熒光(F0);通過照射強度為3 500 μmol/(m2·s)的飽和脈沖光獲得暗適應狀態下的最大熒光(Fm);用光化光50 μmol/(m2·s)獲得穩態熒光(F);用遠紅光測量光適應狀態下的最小熒光(F0′);使用飽和光測量在光適應狀態下的最大熒光(Fm′)。PSⅡ最大光化學量子產量使用最大可變熒光與暗適應下的最大熒光之比進行表示,即

Fv/Fm=(Fm-F0)/Fm。

(1)

式中:Fv為暗適應狀態下當所有非光化學過程處于最小時的最大可變熒光;Fm為暗適應狀態下當光系統Ⅱ的所有反應中心處于完全關閉狀態且所有非光化學過程處于最小時的最大熒光產量;F0為初始熒光,是在暗適應狀態下當光系統Ⅱ的所有反應中心處于完全開放狀態且所有非光化學過程處于最小時的熒光產量。

非光化學淬滅系數(qN)的計算公式為

qN=(Fm-Fm′)/Fm′。

(2)

式中:Fm為暗適應狀態下當光系統Ⅱ的所有反應中心處于完全關閉狀態且所有非光化學過程處于最小時的最大熒光產量;Fm′為在光適應狀態下當光系統Ⅱ的所有反應中心處于完全關閉狀態且所有非光化學過程處于最優態時的熒光產量。

1.4 快速葉綠素熒光誘導動力學曲線參數的測定

銅藻的快速葉綠素熒光誘導動力學曲線采用雙調制式葉綠素熒光儀(FL6000,Photon Systems Instruments,捷克)進行測定。取不同光照處理的藻樣,置于黑暗環境適應5 min,記錄藻樣照射激發光后20 μs～1 s的熒光信號(對數尺度上)。計算得到單位反應中心吸收(EABS/RC)和耗散(EDI0/RC)的光能、捕獲的用于還原質體醌A的能量(ETR0/RC)及捕獲的用于電子傳遞的能量(EET0/RC)、在J點的相對可變熒光(VJ)、光系統Ⅱ反應中心凈關閉率(M0)、捕獲的激子將電子傳遞到電子傳遞鏈中超過質體醌A的其他電子受體的概率(ψ0)。

參考李鵬民等[25]的方法,計算公式如下:

VJ=(FJ-F0)/(Fm-F0),

(3)

M0=4×(F300 μs-F0)/(Fm-F0),

(4)

ψ0=1-VJ,

(5)

EABS/RC=M0×(1/VJ)×(1/φP0),

(6)

ETR0/RC=M0×(1/VJ),

(7)

EET0/RC=M0×(1/VJ)×ψ0,

(8)

EDI0/RC=EABS/RC-ETR0/RC。

(9)

式中:FJ為在快速葉綠素熒光誘導動力學曲線上J點處的熒光;F0為暗適應后的最小熒光;Fm為暗適應后的最大熒光;F300 μs為在300 μs時的熒光;φP0為光適應后的最大光化學效率。

1.5 快速光響應曲線的測定

銅藻的快速光響應曲線使用掌上水體葉綠素熒光儀(AquaPen AP-C100,Photon Systems Instruments,捷克)測得。取不同光照處理的藻樣,置于黑暗環境暗適應5 min,設置光強梯度分別為10、20、50、100、300、500、1 000 μmol/(m2·s)的7個光化學光,每個梯度持續 60 s,每隔10 s檢測器測量1次實時熒光,獲得藻體的動態熒光曲線及各光照梯度下的PSⅡ實際光量子產量。

相對電子傳遞速率的計算公式[26]為

R=IPFD×φPSⅡ×0.5。

(10)

式中:R為相對電子傳遞速率;IPFD為光化光強度;φPSⅡ為PSⅡ實際光量子產量;系數0.5表示所有吸收的光量子中約有50%被分配到PSⅡ。

最大相對電子傳遞速率Rmax、光飽和點Ek的計算公式為

R=Rmax×tanh(α×IPFD/Rmax),

(11)

Ek=Rmax/α。

(12)

式中:α為快速光響應曲線的初始斜率;IPFD為光化光強度。

1.6 光合色素含量的測定

稱取0.1 g鮮重藻體,使用90%丙酮研磨,并將溶液體積定容至8 mL,置于4 ℃冰箱中黑暗條件提取12 h。提取結束后在4 ℃、4 000 r/min條件下離心15 min,使用分光光度計(UH5300,日立,日本)測定上清液的吸光度值。根據Jeffrey等[27]的描述,計算光合色素葉綠素a、葉綠素c和類胡蘿卜素的含量:

C葉綠素a=(11.47×A664-0.40×A630)×V/M,

(13)

C葉綠素c=(24.36×A630-3.73×A664)×V/M,

(14)

C類胡蘿卜素=[7.6×(A480-1.49×A510)]×V/M。

(15)

式中:C葉綠素a、C葉綠素c、C類胡蘿卜素分別代表葉綠素a、葉綠素c和類胡蘿卜素的含量;A664、A630、A510、A480分別代表波長為664、630、510、480 nm的吸光度值;V代表90%丙酮的體積;M代表藻體鮮重。

1.7 數據分析

采用Excel和SPSS 17.0進行數據整理和統計分析,使用GraphPad Prism 8作圖。結果表示為平均數±標準偏差,用Friedman檢驗判斷不同培養條件下葉綠素熒光參數的差異。采用雙因素重復測量方差分析(RM-ANOVA)評價時間序列下光強對葉綠素熒光參數的影響;采用單因素方差分析(one-way ANOVA)對光合色素數據進行方差分析。采用t檢驗對初始、高光處理、弱光恢復后的熒光參數和光合色素數據進行差異顯著性分析,顯著性水平均設置為P<0.05。

2 結果

2.1 葉綠素熒光參數

Fv/Fm表示PSⅡ的最大光化學量子產量,是衡量植物光合作用效率的重要指標,較高的量子產量代表更好的光合活性[28]。強光處理和弱光恢復過程中銅藻的Fv/Fm結果如圖1a所示。不同處理時間和光照強度對銅藻的Fv/Fm具有顯著影響(時間:P<0.05,df=8,F=83.454;光照:P<0.05,df=2,F=38.825;表1),且二者具有交互作用(P<0.05,df=16,F=3.719;表1)。在強光處理過程中,Fv/Fm值逐漸下降,進行弱光恢復后,Fv/Fm值逐漸升高。銅藻的Fv/Fm初始值為0.757±0.006,經460、920、1 380 μmol/(m2·s)的強光處理120 min后,Fv/Fm值較初始值分別降低40.95%、49.93%、73.58%。中光處理組與低光處理組的Fv/Fm值具有顯著差異(P<0.05),高光處理組的Fv/Fm值顯著低于中、低光處理組(P<0.05)。弱光恢復240 min后,低光、中光、高光處理組銅藻的Fv/Fm值分別恢復到初始值的90.49%、84.15%和74.90%。

表1 不同時間和光強條件下Fv/Fm和qN的雙因素重復測量方差分析結果

圖1 強光處理(白色背景部分)和弱光恢復(灰色背景部分)過程中銅藻Fv/Fm(a)和qN(b)隨時間的變化

強光處理和弱光恢復對銅藻qN的影響如圖1b所示。時間和光強均對銅藻的qN有顯著影響(時間:P<0.05,df=8,F=31.230;光照:P<0.05,df=2,F=12.349;表1),二者沒有交互作用(P>0.05,df=16,F=0.737;表1)。銅藻的qN初始值為0.130±0.039,3種光照強度均能使qN逐漸升高。強光處理120 min后,460、920、1 380 μmol/(m2·s)光照強度下的qN分別升高為初始值的2.52倍、2.92倍和3.23倍,低光、高光處理組間qN的升高程度存在顯著差異(P<0.05)。弱光恢復240 min后,qN逐漸恢復,低光處理組恢復至初始狀態(P>0.05,t=-0.876,df=2),但中光(P<0.05,t=-13.482,df=2)、高光(P<0.05,t=-4.941,df=2)處理組經240 min弱光恢復后,qN仍顯著高于初始狀態,可見高光強會顯著影響藻體的qN。

2.2 快速葉綠素熒光誘導動力學曲線參數

快速葉綠素熒光誘導動力學曲線包含諸多PSⅡ反應中心原初光化學反應的信息[29],因此本研究通過快速葉綠素熒光誘導進一步探究光強對藻體光反應過程的影響。強光處理和弱光恢復對銅藻J點相對可變熒光(VJ)、PSⅡ反應中心凈關閉率(M0)、PSⅡ捕獲能量從還原態質體醌A傳遞到質體醌B的概率(ψ0)的影響如圖2所示。不同處理時間和光照強度對銅藻VJ(時間:P<0.05,df=8,F=31.231;光照:P<0.05,df=2,F=25.968;表2)、M0(時間:P<0.05,df=8,F=55.232;光照:P<0.05,df=2,F=233.498;表2)和ψ0(時間:P<0.05,df=8,F=31.712;光照:P<0.05,df=2,F=24.924;表2)均影響顯著,時間和光強對M0有交互作用(P<0.05,df=16,F=5.653;表2),而VJ(P>0.05,df=16,F=1.195;表2)和ψ0(P>0.05,df=16,F=1.456;表2)的時間和光強不存在交互作用。隨時間及光照強度的增加,銅藻的VJ和M0均顯著升高(P<0.05),但ψ0顯著降低(P<0.05)。經120 min的強光處理后,高光處理組的VJ顯著高于低光處理組(P<0.05),中光處理組與低、高光處理組間無顯著差異(P>0.05);各組間的M0均具有顯著差異(P<0.05);中光處理組與低、高光處理組的ψ0差異不顯著(P>0.05),但高光處理組的ψ0顯著低于低光處理組(P<0.05)?；謴腿豕?40 min后,460、920、1 380 μmol/(m2·s)光強處理下的VJ分別降低至0.511±0.035、0.556±0.013、0.579±0.033,M0分別降低至0.724±0.037、0.880±0.048、1.206±0.144,ψ0隨著弱光的恢復逐漸升高至初始值的91.33%、82.82%、78.64%。

表2 不同時間和光強條件下VJ、M0和ψ0的雙因素重復測量方差分析結果

圖2 強光處理(白色背景部分)和弱光恢復(灰色背景部分)過程中銅藻VJ(a)、M0(b)和ψ0(c)的變化

強光處理和弱光恢復階段銅藻單位反應中心所吸收的光能(EABS/RC)、捕獲的用于還原質體醌A的能量(ETR0/RC)、用于電子傳遞的能量(EET0/RC)和耗散的能量(EDI0/RC)變化如圖3所示。時間和光強對銅藻的EABS/RC(時間:P<0.05,df=8,F=61.772;光照:P<0.05,df=2,F=439.305;表3)、ETR0/RC(時間:P<0.05,df=8,F=20.459;光照:P<0.05,df=2,F=15.445;表3)、EET0/RC(時間:P<0.05,df=8,F=73.794;光照:P<0.05,df=2,F=204.686;表3)和EDI0/RC(時間:P<0.05,df=8,F=72.222;光照:P<0.05,df=2,F=74.919;表3)均具有顯著影響。時間和光強對EABS/RC(P<0.05,df=16,F=2.842;表3)、EET0/RC(P<0.05,df=16,F=3.560;表3)和EDI0/RC(P<0.05,df=16,F=2.644;表3)具有交互作用,對ETR0/RC無交互作用(P>0.05,df=16,F=1.307;表3)。

表3 不同時間和光強條件下EABS/RC、ETR0/RC、EET0/RC和EDI0/RC的雙因素重復測量方差分析結果

圖3 強光處理(白色背景部分)和弱光恢復(灰色背景部分)過程中EABS/RC(a)、ETR0/RC(b)、EET0/RC(c)、EDI0/RC(d)的變化

隨處理時間和光照強度的增加,EABS/RC、ETR0/RC和EDI0/RC均顯著升高(P<0.05)。強光處理120 min后,高光處理組與中、低光處理組間的EABS/RC差異顯著(P<0.05);低、中光處理組的EDI0/RC差異不顯著(P>0.05),但高光處理組的EDI0/RC顯著高于低光處理組(P<0.05);各組間的ETR0/RC同樣顯著升高(P<0.05),升高程度在高光、中光、低光處理組依次減小,高、低光處理組間差異顯著(P<0.05)?；謴腿豕?40 min后,3種光強下的EABS/RC、ETR0/RC和EDI0/RC均隨修復時間的延長而逐漸降低,低光處理組的EABS/RC、ETR0/RC和EDI0/RC分別恢復了98.96%、94.27%、91.93%。EET0/RC在3種光強處理下均顯著降低(P<0.05),經120 min強光處理后,EET0/RC在3個處理組間的降低程度具有顯著差異(P<0.05)?；謴腿豕?40 min后,低光處理組恢復至初始狀態,但中、高光處理組仍顯著低于初始狀態。

2.3 快速光響應曲線

強光處理和弱光恢復下銅藻的快速光響應曲線的初始斜率(α)、最大相對電子傳遞速率(Rmax)和光飽和點(Ek) 變化如圖4所示。時間和光強均對銅藻的α(時間:P<0.05,df=8,F=86.247;光照:P<0.05,df=2,F=58.106;表4)、Rmax(時間:P<0.05,df=8,F=267.223;光照:P<0.05,df=2,F=38.227;表4)和Ek(時間:P<0.05,df=8,F=6.885;光照:P<0.05,df=2,F=7.583;表4)有顯著影響,且時間和光強對α(P<0.05,df=16,F=2.089;表4)和Rmax(P<0.05,df=16,F=7.579;表4)具有交互作用,對Ek(P>0.05,df=16,F=1.691;表4)無交互作用。3種光處理銅藻的α、Rmax和Ek均顯著降低(P<0.05),光照強度越強降低程度越大。隨著后續弱光的恢復,α和Rmax均逐漸升高,恢復240 min后,低、中、高光強處理下銅藻的α分別恢復了91.82%、84.91和77.04%;Rmax分別恢復至初始狀態的90.86%、75.87%、74.86%;低光處理組的Ek恢復到初始值(P>0.05,t=-1.267,df=2),中、高光處理組分別恢復到初始值的87.78%、85.95%。高光強阻礙了電子傳遞,從而抑制了光合作用。

表4 不同時間和光強條件下α、Rmax和Ek的雙因素重復測量方差分析結果

圖4 強光處理(白色背景部分)和弱光恢復(灰色背景部分)過程中銅藻快速光響應曲線的α(a)、Rmax(b)、Ek (c)的變化

2.4 光合色素含量

強光處理和弱光恢復下銅藻中葉綠素a、葉綠素c和類胡蘿卜素含量的變化如圖5所示。初始狀態下,銅藻中葉綠素a、葉綠素c和類胡蘿卜素的質量分數分別為0.737±0.072 mg/g、0.150±0.010 mg/g和0.103±0.015 mg/g。強光處理120 min后,銅藻中的葉綠素a與葉綠素c含量均有所減少。各處理組間葉綠素a含量變化顯著(P<0.05);葉綠素c含量在低、中光處理組與初始狀態差異不顯著(P>0.05),但在高光處理組中較初始狀態顯著減少(P<0.05)。銅藻中的類胡蘿卜素含量在3種光強處理下均有所增加,低光處理組較初始狀態差異不顯著(P>0.05),中、高光處理組較初始值顯著增加(P<0.05),高光處理組的類胡蘿卜素含量顯著高于低光處理組(P<0.05)?；謴腿豕?40 min后,除高光處理組的葉綠素a與葉綠素c含量未恢復到初始狀態(P<0.05),其他組的葉綠素a、葉綠素c和類胡蘿卜素含量均恢復至初始狀態?？梢?高光強使銅藻中的葉綠素含量降低,但促進了類胡蘿卜素的合成。

圖5 光處理對銅藻中葉綠素a (A)、葉綠素c(B)、類胡蘿卜素(C)含量的影響

3 討論

光照是所有植物生長和光合作用的能量來源,大型海藻的生長與光照強度緊密相關[30]。光照直接作用于藻體的光合器官,光系統Ⅱ對可見光的變化非常敏感,能夠迅速做出響應[31-32]。高光強會降低藻類的光合活性和光合電子傳遞效率,引發光抑制[33]。本研究中,隨著光照強度的增強及輻射時間的延長,銅藻的最大光化學量子產量(Fv/Fm)顯著降低(圖1a)。Fv/Fm代表當所有光系統Ⅱ反應中心都處于開放態時的量子產量,是衡量植物光合作用效率的重要指標,也能夠作為藻類生物應對光脅迫等逆境條件的有效探針[34]。當藻類受到脅迫時,Fv/Fm降低[35],在本研究中的3種強光條件下,銅藻的Fv/Fm均顯著降低,且光強越強,降低幅度越大?；謴腿豕?40 min后,銅藻的Fv/Fm出現不同程度恢復,低光處理組比中、高光處理組的恢復程度要高,說明光強越強,對藻體的損傷程度越深,其恢復越難。此外,葉綠素熒光也可以準確、迅速、無損傷地檢測高光脅迫下植物光合作用的狀態,其通過熒光參數的變化反映脅迫對植物的影響[36]。根據本研究中葉綠素熒光誘導曲線的結果可知,在3種光強處理下,銅藻光系統Ⅱ捕獲的能量從還原態質體醌A傳遞到質體醌B的概率顯著降低(圖2c),但銅藻的VJ(處于還原狀態下的電子受體質體醌A占總質體醌A的比例)隨光強的增加而增加(圖2a),說明光強越強,越阻礙光系統Ⅱ電子從還原態質體醌A到質體醌B的傳遞,進而導致大量電子在還原態質體醌A堆積,呈現出熒光從O點到J點的迅速上升[37]。銅藻光系統Ⅱ反應中心凈關閉率的升高(圖2b)以及最大相對電子傳遞速率的降低(圖4b)也證實了光強越強電子傳遞的阻力越大。另外,銅藻反應中心吸收的、耗散的和捕獲的用于還原質體醌A的能量隨3種光強處理時間的延長而增加,而用于電子傳遞的能量降低(圖3),這是因為高光脅迫使有活性的光系統Ⅱ反應中心數量減少,只有藻細胞剩余的有活性反應中心耗能效率提高,才能更好地耗散電子傳遞鏈中過多的能量[38],這與李金洵[39]對血球(Haematococcuspluvialis)的研究結果一致。綜上,高光強條件下銅藻的光合作用受到抑制,光強越強,藻體的響應越明顯,其光合活性的抑制程度越高。

為更好地適應環境,藻類經過長期進化,具備了多種光保護途徑來抵御光脅迫[18]。非光化學淬滅是一種重要的植物光保護機制,它可以將植物吸收的過剩光能以熱能的形式耗散,從而避免植物發生光損傷[40]。在本研究中,隨著3種光強處理時間的延長,非光化學淬滅系數(qN)顯著升高(圖1b),且光強愈強,qN越大,即光系統Ⅱ的光保護能力越強,故光系統Ⅱ的光保護能力與qN的增加程度呈線性相關[41-43]。此外,光合色素可以吸收、傳遞和轉換光能,其組成和含量直接影響植物的光合作用[44]。在本研究中,隨著光強度的增加,葉綠素含量顯著減少,類胡蘿卜素含量顯著增加(圖5)?；謴腿豕?40 min后,色素含量有了很大程度的恢復。在王祎哲等[45]對纖細裸藻(Euglenagracilis)的研究中,低、中光強組藻體內的葉綠素a含量隨光強的增大而增加,而在高光強組藻體內的光合作用受到抑制,葉綠素a含量減少;許俊賓等[46]的研究也出現相似結果。有研究表明,類胡蘿卜素不僅是重要的光輔助色素,而且對葉綠素有重要保護作用,在逆境脅迫中還可以啟動葉黃素循環、淬滅活性氧及淬滅激發態葉綠素等[21,47],因此認為類胡蘿卜素含量的升高是藻體的一種重要保護機制。

4 結論

高光強會抑制銅藻PSⅡ反應中心的電子傳遞率,影響葉綠素合成,降低光合活性;但銅藻能夠通過非光化學淬滅和增加類胡蘿卜素合成等光保護途徑來抵御高光脅迫。在后續弱光恢復階段,最大光化學效率、非光化學淬滅、最大電子傳遞速率和光合色素含量均有不同程度的恢復,甚至恢復到強光暴露前的初始狀態,反映出漂浮銅藻對海水表面強光的高效適應能力。這些結果可以為揭示銅藻金潮暴發時其在海水表面較強的擴散入侵能力及其生理生態學機制提供一定的理論參考。