不同光照度下紫菜栽培区定生绿藻叶绿素荧光特征研究
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作者:陶菊红 张涛 朱建一 姜红霞 陆勤勤
摘要： 以不同光照度处理紫菜栽培筏架定生绿藻，通过对叶绿素荧光等参数的测定，研究光照度对定生绿藻光合生理特征的影响。结果表明，采集绿藻在较高光照度[200 μmol/（m2·s）]下，藻体最大量子效率（Fv/Fm）、实际量子效率（ΔF/F′m）、相对电子传递速率（rETR）、快速光曲线初始斜率（α）和最大相对电子传递速率（Pm）等参数均显著低于其他处理组样品;在低光照度[20、60 μmol/（m2·s）]条件下，样品上述叶绿素荧光参数均高于其他处理组。半饱和光照度（Ik）变化趋势与其他参数不同，随着处理光照度的上升样品的Ik逐步升高。诱导曲线的测定结果表明，随着光照强度的升高，光化学猝灭（qP）逐步降低，而非光化学猝灭（NPQ）则逐步升高。本研究结果表明，光照强度对定生绿藻的光合生理有着明显的影响，低光照强度下样品表现出更高的光能利用效率，随着光照强度的升高，样品对光能的利用效率逐步下降，并通过提高半饱和光照度以及非光化学猝灭以适应环境光照度的改变。
关键词： 紫菜栽培;定生绿藻;光合作用;叶绿素荧光;光照
中图分类号： S968.41;Q945.11 文献标志码： A
文章编号：1002-1302（2020）05-0162-04
黄海南部海区因长江入海等原因产生了大面积的辐射沙洲，形成了独特的地理特征，该海区自然条件下缺乏海藻生长的岩石等附着基质，但是却成为经济海藻人工栽培的优良场所，江水带来丰富的营养物质，绵延的潮间带为经济海藻紫菜半浮动筏栽培提供了良好的生长环境[1]。从20世纪60年代左右开始，经过我国科研工作者和从业人员的不断努力，紫菜产业至今已形成集育苗、栽培、加工和销售于一体的完整的产业链[1-2]，南黄海区域已成为我国条斑紫菜的主产区。
绿藻问题一直伴随南黄海区紫菜栽培过程，是影响紫菜产量和加工品质的重要因素。尽管绿藻具有一定的营养价值[3-5]，但是在紫菜生产过程中绿藻的混杂会影响海苔的加工品质，所以被认为是杂藻。紫菜栽培过程中采用的冷藏网技术也是防止绿藻入侵的一个重要方法，同时在海区栽培过程中也需要耗费大量的人工进行海区清除以及采后的挑拣，增加了紫菜生产的成本[6-7]。
有报道认为，漂浮绿藻发生自黄海南部紫菜栽培海区的定生绿藻[8-9]，但目前对源头的研究仍存在诸多未解决的问题，而且定生绿藻与漂浮绿藻在物种组成、生理特征等方面也表现出差异[10-11]。因此，研究黄海南部紫菜栽培海区定生绿藻的生长特征，尤其是不同环境条件下定生绿藻的生理活性，将有助于对紫菜栽培区定生绿藻生物学特征的认识，可更深入地分析定生绿藻和漂浮绿藻的相互关系，并且为紫菜栽培生产中绿藻的防控提供理论基础。
1 材料与方法
1.1 供试材料
供试材料于2017年3月13日采自江苏省如东紫菜栽培区筏架，材料采集后置于冰盒保持低温，并在4 h内运回实验室，材料经高温灭菌海水清洗后进行2 d的预培养，培养液为灭菌自然海水，培养条件为20 ℃，光照度为20 μmol/（m2·s），光暗周期为12 h/12 h。
1.2 试验条件
选取生长健康藻体进行试验处理，培养温度设定为20 ℃，光照度设定为20、60、100、140、200 μmol/（m2·s） 等5个梯度组，光暗周期为 12 h/12 h（Sanyo-MLR-351型植物培养箱）。将藻体置于三角瓶中，加入足量灭菌海水，平行设置5个重复处理。
1.3 叶绿素荧光特征测定
1.3.1 实际量子效率测定 实际量子效率（ΔF/Fm′）使用水样叶绿素荧光仪（Water-PAM，德国）进行测定[12-13]，分别在光周期处理1、4、7、10 h后进行测定。将光纤探头直接置于藻体表面，首先提供约70 μmol/（m2·s）的活化光，大约15 s后得到该光照条件下的稳态荧光值（Ft），随后提供短暂的约4 000 μmol/（m2·s）的饱和脉冲光，测得该条件下的最大荧光值（Fm′），依据这2个数据计算光系统Ⅱ（PSⅡ）实际量子效率：
ΔF/Fm′=（Fm′-Ft）/Fm′。
1.3.2 最大量子效率测定 在藻体培养暗周期处理10 h后进行测定，以确保样品PSⅡ处于完全开放的状态[12-13]。首先打开测量光[约0.3 μmol/（m2·s）]，测得样品最小荧光值（Fo），随后提供短暂的约 4 000 μmol/（m2·s） 的饱和脉冲光，测得最大荧光值（Fm），依据公式获得最大量子效率（Fv/Fm）：
Fv/Fm=（Fm-Fo）/Fm。
1.3.3 快速光曲线测定 样品在光周期处理6 h后进行快速光曲线（rapid light curve，RLC）的测定，为样品依次提供0～750 μmol/（m2·s）的8个光照梯度活化光[12-13]，待不同光照度下熒光值（Ft）达到稳定后（约15 s），提供饱和脉冲光测定给定光照度下的最大荧光值（Fm′），计算相对电子传递速率（rETR）：
rETR=（Fm′-Ft）/Fm′×PAR×D×0.5。
式中：PAR表示光照强度;D表示样品的吸光系数，取0.85;0.5表示光能由2个光系统平均分配。以光照强度为X轴，相对电子传递速率rETR为Y轴制作快速光曲线。参照Platt等的方法[14]对RLC进行拟合，获得快速光曲线初始斜率（α）、最大相对电子传递速率（Pm）和半饱和光照度（Ik）：
P=Pm（1-e-αPAR/Pm）·e-βPAR/Pm。
其中，P为相对电子传递速率;PAR为光照度;β为抑制参数。
1.3.4 诱导曲线测定 样品在光周期处理6 h后进行诱导曲线（induce curve）的测定，先将样品置于黑暗条件下30 min后（使PSⅡ处于开放状态），为样品提供测量光测定最小荧光值（Fo），然后提供短暂饱和脉冲光测定最大荧光值（Fm），随后关闭光源，40 s后打开64 μmol/（m2·s）活化光，之后每隔20 s提供1次短暂饱和脉冲光，直至该活化光照度下最大荧光值（Fm′）达到稳定，根据测定数据计算光化学淬灭（qP）和非光化学猝灭（NPQ）： qP=（Fm′-Ft）/（Fm′-Fo）;
NPQ=（Fm-Fm′）/Fm′。
1.4 统计分析
试验数据表示为平均值±标准差，处理间的数据结果用t检验进行差异显著性分析检验（P<0.05）。
2 结果与分析
2.1 不同光照度下样品最大量子效率
紫菜栽培区定生种群绿藻在不同光照条件下Fv/Fm的测定结果（图1）表明，随着处理光照度的上升，样品Fv/Fm呈下降趋势，但是在 20～140 μmol/（m2·s） 光照度下未表现出显著性差异，而在200 μmol/（m2·s）光照度下样品Fv/Fm显著低于弱光处理组（P<0.05）。
2.2 不同光照度下样品实际量子效率
实际量子效率的测定結果（图2）表明，不同光照强度下样品的ΔF/Fm′存在差异，20、60 μmol/（m2·s） 光照度处理样品在照光7 h内ΔF/Fm′差异较小，在照光10 h后才出现较明显的变化，20 μmol/（m2·s）光照度下样品的ΔF/Fm′高于 60 μmol/（m2·s） 光照度处理组;100、140 μmol/（m2·s） 光照度处理样品的ΔF/Fm′测定结果相似，但均低于20、60 μmol/（m2·s）光照度处理样品（P<0.05）;200 μmol/（m2·s）光照度处理样品的ΔF/Fm′最低，显著低于其他几个光照处理（P<0.05）。随着光照时间的延长，所有光照处理样品的ΔF/Fm′均呈下降趋势，但不同光照强度下降幅度存在差异，基本上表现为光照强度越强，ΔF/Fm′下降幅度越大，20 μmol/（m2·s） 光照条件下照光10 h后样品的ΔF/Fm′下降至照光1 h时的96.46%，而 200 μmol/（m2·s） 光照条件下照光 10 h 后样品的ΔF/Fm′仅为照光1 h时的67.01%。
2.3 不同光照度下样品快速光曲线
快速光曲线的测定结果（图3）表明，所有样品的rETR在给定的光照梯度下均呈现低光照度区间快速上升，达到一定光照强度后维持稳定的变化趋势，符合RLC的变化特征。比较不同光照处理样品的RLC结果可知，低光照度处理组20、60、100、 140 μmol/（m2·s） 光照强度处理样品的rETR没有显著差异，当光照强度超过400 μmol/（m2·s）时，20、60 μmol/（m2·s）光照处理样品的rETR要高于100、140 μmol/（m2·s）光照处理组，200 μmol/（m2·s） 光照处理样品的rETR均显著低于其他光照处理组（P<0.05）。
2.4 快速光曲线参数
通过对样品快速光曲线的拟合可得出相应的荧光参数，结果（表1）表明20、60 μmol/（m2·s）光照处理组样品的α差异不大，但显著高于100、140 μmol/（m2·s） 的光照处理组，而 200 μmol/（m2·s） 光照组样品的α最低，Pm的结果与α类似，200 μmol/（m2·s）光照度处理组样品的Pm显著低于其他处理（P<0.05）;Ik的结果与其他参数相反，在一定光照强度处理下随着光照强度的上升，Ik呈升高趋势，200 μmol/（m2·s）光照度组样品的Ik显著高于其他处理组（P<0.05）。
2.5 诱导曲线参数
对不同光照强度下样品诱导曲线测定结果（表2）表明，在给定光照强度下，绿藻样品qP随处理光照强度的上升而逐渐下降，由20 μmol/（m2·s）光照强度下的0.78减低至200 μmol/（m2·s）光照强度下的0.72;与qP结果相反，NPQ随处理光照度的上升而逐渐上升，200 μmol/（m2·s）光照处理的NPQ上升至0.36，显著高于其他几个光照处理（P<0.05）。
3 讨论
绿藻被认为是江苏南部沿海紫菜栽培区的主要杂藻物种，在紫菜栽培过程中需要采用人工的方法进行清除[6]。这一海区因地处长江入海口，水体中养分丰富，也有着独特的地理特征，表现为大面积的辐射沙洲，同时海水浑浊度高。紫菜栽培多采用半浮动筏式，在海水涨潮时筏架随海浪浮动，此时光照强度因海水透光度低而迅速衰减，只有落潮时筏架露出水面面对阳光的直射[2-3，6]。紫菜的研究表明其在低光照强度下能够维持较高的光能利用效率[12-13，15]，进而保证良好的生长活性，所以尽管江苏南部海区并非紫菜原产地，但仍成为紫菜主产区。作为固着于紫菜栽培筏架上的绿藻，在光合生理方面也表现出对低光照的适应，在光照强度较低的环境下，其能够维持较高的实际量子效率，对捕获的光能能够有较高的利用能力，进而使得其能够在这一海况条件下正常生长。
尽管栽培筏架较多时间处于海水之中，但是退潮时也会暴露出水面，这时藻体面对的光照强度明显升高，此时绿藻对光能的吸收利用也会发生适应性的变化。本试验的结果表明，光照强度的上升会引起定生绿藻光能利用效率的下降，同时非光化学猝灭所占比例上升，半饱和光照度也显著上升，这说明绿藻此时吸收的光能更多地用于热耗散等途径，进而提高了对高光照度的耐受能力。因此，筏架定生绿藻偏向于低光照度物种，但在较高光照条件下，可以通过对光能的吸收、利用分配，以适应环境光照条件的变化，但研究中光照强度超过 200 μmol/（m2·s） 时，最大量子效率即表现出显著的降低，说明这一光照强度对其产生了一定程度不可逆的伤害，而实际上这一光照强度是远低于春夏季中午阳光直射的强度，这与对漂浮绿藻的研究结果有所不同，漂浮绿藻对光照强度的适应能力较强[16-20]。
从现有研究可知，定生绿藻在高光照度下光合活性会受到影响，尽管存在一定的适应能力，但更长时间的高光照度会带来不可逆的伤害。基于高光照度对定生绿藻生长的抑制，结合其他逆境条件的设定[6]，会在很大程度上抑制定生绿藻的生长。在实际生产中也有采用紫菜栽培网帘上岸晾晒处理、晾晒结合冷库处理等方法来消除绿藻，这其中的理论基础均与高光照度、低温、脱水等逆境抑制绿藻生长相关，因此通过对栽培筏架定生绿藻光照强度适应特征的研究，能够为实际生产提供一定的理论参考。 参考文献：
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收 稿日期：2019-02-20
基金项目：2018年江苏省现代渔业产业技术体系（编号：JFRS-04）。
作者简介：陶菊红（1981─），女，江苏苏州人，博士，助理研究员，主要从事生物学方面的研究。Tel：（0512）52251565;E-mail：taojuhong@126.com。
通信作者：张 涛，博士，副研究员，主要从事植物学方面的研究。Tel：（0512）52251565;E-mail：zhangtofy@126.com。
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