硅藻休眠孢子的生活史與研究意義

硅藻休眠孢子的生活史與研究意義

唐啟航 宋德瑞 于瀟 盧鈺博 趙振軍 崔龍波

休眠孢子是海洋硅藻和某些淡水硅藻生活史中出現(xiàn)的重硅質(zhì)化階段[1]，是硅藻通過在胞質(zhì)分裂期間形成硅質(zhì)沉積囊泡，提供酸性環(huán)境，再通過硅藻蛋白促使硅酸Si（OH）4沉淀成硅質(zhì)納米球，最終形成新的硅藻外殼[2]。不同的硅藻具有不同的硅藻蛋白，并通過不同的多胺鏈互相連接，從而決定了硅藻外殼的裝飾類型，使得每個(gè)硅藻極具特點(diǎn)[2]。

探究硅藻休眠孢子的生活史，不僅可以補(bǔ)充完善有關(guān)硅藻生物特征的相關(guān)知識(shí)，同時(shí)能夠?qū)Y源開發(fā)與利用提供更多的選擇。本文將介紹硅藻休眠孢子的生活史，并分別從古環(huán)境科學(xué)、硅藻土、生物柴油、海產(chǎn)養(yǎng)殖和赤潮五個(gè)方面闡述與硅藻休眠孢子的關(guān)系，以期為各學(xué)科及領(lǐng)域的發(fā)展提供新的思路。

1 硅藻休眠孢子生活史

1.1 硅藻休眠孢子的形成原因

硅藻休眠孢子的產(chǎn)生與生活環(huán)境的變化密切相關(guān)，當(dāng)環(huán)境條件如營養(yǎng)鹽、溫度、光照、pH值以及鹽度等發(fā)生改變都有可能誘導(dǎo)休眠孢子的形成[3]。研究表明[3-9]，氮限制是硅藻形成休眠孢子的主要原因。

在氮限制的基礎(chǔ)上，也有研究探討了影響硅藻形成休眠孢子可能存在的其他誘因。鄭磊等[4，9]探討了光照、溫度以及鹽度的改變對中華半管藻（Hemiaulua sinensis）形成休眠孢子的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)以上條件均處于極限狀態(tài)或急劇變化時(shí)，均未能誘發(fā)孢子形成;李朗等[8]發(fā)現(xiàn)較高濃度的磷對布氏雙尾藻（Ditylum brightwellii）休眠孢子的形成具有促進(jìn)作用;孫琳等[7]認(rèn)為在低氮高硅的條件下扁面角毛藻（Chaetoceros compressus）休眠孢子的形成率最高。上述研究說明休眠孢子的形成是多種因素組合誘發(fā)的，且不同硅藻對不同環(huán)境條件的脅迫壓力有不同的反應(yīng)。

總的來說，硅藻休眠孢子的形成均需要環(huán)境條件的快速變化，氮限制是大部分硅藻形成休眠孢子的必須條件，其它環(huán)境條件的改變或限制能夠促進(jìn)或抑制這一過程的發(fā)生。

1.2 硅藻休眠孢子的形成途徑

硅藻休眠孢子的形成存在無性生殖和有性生殖兩種途徑，以無性生殖為主[3]。休眠孢子通常發(fā)生在有絲分裂之后，原生質(zhì)收縮，液泡及各種內(nèi)含物消失，上、下殼形成厚壁[2]，部分休眠孢子的產(chǎn)生過程與正常的有絲分裂過程相似[4]。通常一個(gè)母細(xì)胞只產(chǎn)生一個(gè)休眠孢子，位于母細(xì)胞的中央或一端，少數(shù)物種能在一個(gè)母細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生兩個(gè)休眠孢子[10]。

有性生殖的方式較為特殊，其休眠孢子存在于復(fù)大孢子中，丹麥細(xì)柱藻（Leptocylindraceae danicus）、微小細(xì)柱藻（Leptocylindraceae minimus）具有此特點(diǎn)[11-12]。緊密角管藻（Cerataulina compacta）則以無性生殖和有性生殖兩種途徑產(chǎn)生兩種類型的休眠孢子[5-6]。

1.3 硅藻休眠孢子與營養(yǎng)細(xì)胞大小的關(guān)系

因硅藻類似于“培養(yǎng)皿”的獨(dú)特外殼結(jié)構(gòu)[13]，導(dǎo)致硅藻在不斷繁衍的過程中會(huì)有細(xì)胞越來越小的情況，這是不同種類的硅藻休眠孢子對營養(yǎng)細(xì)胞的大小具有物理選擇性的直接原因[1]。

緊密角管藻中無性休眠孢子的形成需要不小于一定大小的營養(yǎng)細(xì)胞，而有性休眠孢子的形成因需要先形成復(fù)大細(xì)胞，故還限制營養(yǎng)細(xì)胞不能大于一定大小?；使诮敲澹–haetoceros diadema）、布氏雙尾藻和塔形冠蓋藻（Stephanopyxis tuirs）的休眠孢子能在任何大小的營養(yǎng)細(xì)胞中產(chǎn)生[3]。硅藻休眠孢子的形成對營養(yǎng)細(xì)胞的大小的選擇，表明休眠孢子需要一定物質(zhì)基礎(chǔ)才能形成，這與硅藻在極端環(huán)境條件下不出現(xiàn)休眠孢子的現(xiàn)象相符。

1.4 硅藻休眠孢子的形成速度

雙突角毛藻休眠孢子的形成全過程一般需要48小時(shí)，較快的24小時(shí)便已成熟，但在氮貧乏的情況下升高培養(yǎng)環(huán)境的鹽度又會(huì)加速此形成過程[3];緊密角管藻通過有性生殖產(chǎn)生的休眠孢子無論是形成速度還是萌發(fā)速度均比通過無性生殖產(chǎn)生的孢子緩慢[6]。不同種硅藻形成休眠孢子的速度不同，同種硅藻的不同個(gè)體間也存在差異，環(huán)境條件的改變也會(huì)影響休眠孢子的形成速度。

1.5 硅藻休眠孢子的存活時(shí)間

溫度、光照和保存時(shí)間對休眠孢子的存活都是重要的因素[1]。休眠孢子在低溫、營養(yǎng)限制和暗環(huán)境條件下保存，存活時(shí)間能夠延長[14-16]。不同硅藻的休眠孢子表現(xiàn)出不同的存活機(jī)制，索氏短縫藻（Eunotia soleirolii）在遭遇高溫環(huán)境時(shí)會(huì)形成休眠孢子，需要長時(shí)間的暗環(huán)境和低溫條件下才能打破休眠，其休眠孢子的存活期可達(dá)到3年[2]。在相同的保存條件下，緊密角管藻通過有性生殖產(chǎn)生的休眠孢子存活時(shí)間要比無性生殖產(chǎn)生的休眠孢子更長，應(yīng)是基因重組后的子代具有更強(qiáng)生命力的原因[5-6]。相同硅藻的休眠孢子因生活環(huán)境條件的不同，個(gè)體的存活時(shí)間也不同。

1.6 硅藻休眠孢子的萌發(fā)

硅藻休眠孢子在萌發(fā)期間，將經(jīng)歷與形成幾乎相反的一系列變化[1]，包括原生質(zhì)體重新吸漲、細(xì)胞器的增生和貫殼軸的延長[4]。大部分休眠孢子在萌發(fā)后，通常會(huì)拋棄原本的上、下殼，新形成的營養(yǎng)細(xì)胞會(huì)重新生成初生殼和次生殼[3-4，6]。冠蓋藻（Stephanopyxis sp.）較為特殊，其休眠孢子首先延長，然后進(jìn)行一次有絲分裂，產(chǎn)生兩個(gè)新的營養(yǎng)細(xì)胞，每個(gè)細(xì)胞將會(huì)保留孢子的一個(gè)殼作為初生殼[17]。在解除氮限制后，部分品種的硅藻休眠孢子萌發(fā)有明顯的滯后期，一些角毛藻（Chaetoceros sp.）和丹麥細(xì)柱藻的孢子更需要強(qiáng)制性短暫休眠期[1]。應(yīng)是需要一定的營養(yǎng)準(zhǔn)備時(shí)間，為細(xì)胞生長和細(xì)胞分裂提供物質(zhì)基礎(chǔ)。

溫度和光照條件是誘導(dǎo)休眠孢子萌發(fā)的重要因素，但適宜的光暗周期是迅速誘導(dǎo)休眠孢子萌發(fā)的關(guān)鍵[3-4，6]。硅藻休眠孢子在氮限制消失且其它環(huán)境條件適宜的情況下能迅速萌發(fā)，此生活史特征是部分海域多發(fā)季節(jié)性赤潮的直接誘因。

1.7 硅藻休眠孢子生物學(xué)作用

硅藻休眠孢子具有如下生物功能：

保護(hù)作用：休眠孢子的形成是使個(gè)體度過不良環(huán)境條件的生態(tài)適應(yīng)階段;免于被動(dòng)物攝食時(shí)孢子外殼遭到破壞;抵抗細(xì)菌的侵染[1];回避在環(huán)境條件不利時(shí)的生存競爭[18-19]。

繁衍：休眠孢子作為硅藻種群的種源保存下來，為新種群的形成提供可能，也是硅藻季節(jié)性赤潮的種源;不論是通過形成復(fù)大孢子產(chǎn)生休眠孢子的有性生殖途徑[5-6，20]，還是無性生殖產(chǎn)生的休眠孢子，發(fā)育形成的子細(xì)胞較母細(xì)胞都大，均具有恢復(fù)細(xì)胞大小的功能[2，10]。

傳播：休眠孢子的形成會(huì)加速硅藻細(xì)胞的沉降率[21-24]，使其從表層水沉降到深層水或吸附到礁石、大型藻類、海洋動(dòng)物的體表等處，同時(shí)更容易受氣候、水流、人類活動(dòng)等因素影響，傳播、擴(kuò)散到其他適宜生長的地區(qū)中形成新群落[1]。

影響水體營養(yǎng)的結(jié)構(gòu)：部分硅藻的休眠孢子會(huì)集聚形成絮狀物，將水體中的碳、氮、硅等物質(zhì)攜帶到底質(zhì)，影響水中的營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)[1]。

硅藻休眠孢子作為硅藻生活史中重要的一環(huán)，為種群提供了更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，為種群的繁衍提供更多的可能性，且使硅藻較其他微藻更易形成化石保存，對研究海洋生態(tài)結(jié)構(gòu)和環(huán)境條件的變化具有重要意義。

2 研究硅藻休眠孢子的意義

2.1 硅藻休眠孢子與古環(huán)境研究的關(guān)系

硅藻在死亡后，細(xì)菌會(huì)分解環(huán)繞在硅質(zhì)外殼周圍的有機(jī)膜，在某些情況下，硅質(zhì)外殼仍會(huì)完整保留并堆積于水底[2]，經(jīng)溶解、搬運(yùn)、沉積和前期成巖等作用最終形成硅藻化石[22]。

地層中的硅藻化石蘊(yùn)含著豐富的地質(zhì)時(shí)期的環(huán)境與年代信息，是追溯地質(zhì)環(huán)境變化的重要生物標(biāo)志，通過現(xiàn)代技術(shù)定量研究現(xiàn)代硅藻分布與環(huán)境變量之間的關(guān)系，并將其應(yīng)用于研究沉積物中的硅藻化石組合，從而為定量研究古環(huán)境、古氣候提供可靠依據(jù)[23]。

2.2 硅藻休眠孢子與生物柴油的發(fā)展

生物柴油是以生物體油脂為原料，通過分解、酯化而得到的長鏈脂肪酸甲酯，是一種可以替代普通柴油使用的環(huán)保、可再生能源，具有燃燒性能高、使用安全、獲得成本低、污染小等特點(diǎn)[25]。在眾多原料中，微藻具有生長周期短、太陽轉(zhuǎn)換率高、飽和脂質(zhì)的生產(chǎn)率高、易于培養(yǎng)及低成本的特點(diǎn)[26]。以微藻生物柴油作為發(fā)展方向既能研發(fā)具有潛力的新型生物能源，還可以緩解我國土地資源緊張的態(tài)勢[27]，故具有廣闊的開發(fā)利用前景。

迄今為止，已測定脂肪酸含量的微藻達(dá)上百種，但目前作為原料的微藻僅有綠藻、硅藻和部分藍(lán)藻[27]。林均民等[3]和鄭磊等[4，9，21]分別在雙突角毛藻和中華半管藻的研究中報(bào)道了在休眠孢子形成期間孢子內(nèi)脂肪的積累明顯增多，能通過光學(xué)顯微鏡觀察到明顯的油點(diǎn)的情況。

硅藻休眠孢子較營養(yǎng)細(xì)胞含油量有明顯提升的現(xiàn)象，應(yīng)能為基因工程領(lǐng)域中尋找發(fā)現(xiàn)其相關(guān)基因和通過微藻培養(yǎng)技術(shù)提升產(chǎn)油量提供可能方向。

2.3 硅藻休眠孢子對海產(chǎn)養(yǎng)殖的作用

隨著微藻資源的開發(fā)和綜合利用水平的提高以及規(guī)模化養(yǎng)殖工藝日趨成熟，微藻在水產(chǎn)養(yǎng)殖中被廣泛使用，提高了魚、蝦、貝類與藻類等浮游生物之間的相互作用[27]。而目前能大規(guī)模在苗種生產(chǎn)中推廣應(yīng)用的微藻只有20多種，硅藻作為無脊椎動(dòng)物如橈足類的首選食物[2]，占推廣苗種近半數(shù)（11種），其中更以海洋硅藻為主[27]。

因休眠孢子被稱為硅藻的“種子”[7]，掌握其形成和萌發(fā)條件，將其作為“種源”進(jìn)行儲(chǔ)存和使用，或提前通過人為控制海域中休眠孢子的萌發(fā)時(shí)間，為控制養(yǎng)殖海域的營養(yǎng)物質(zhì)含量和海產(chǎn)的質(zhì)量提供可能。

2.4 硅藻休眠孢子對赤潮形成的影響

硅藻在赤潮的形成中扮演重要角色。其中骨條藻、海鏈藻和短角彎角藻等硅藻是黃海赤潮發(fā)生的主力軍[28]。因形成赤潮的硅藻和大部分甲藻[29]均有形成休眠孢子的生活史特征，在赤潮多發(fā)的春、夏季節(jié)，溫度、光照、水流等條件的變化，會(huì)導(dǎo)致沉積在海洋中的休眠孢子萌發(fā)，出現(xiàn)物種的個(gè)體數(shù)量急速上升的現(xiàn)象，又在短時(shí)間內(nèi)導(dǎo)致在赤潮影響范圍內(nèi)有限的營養(yǎng)鹽濃度降至接近于零的水平[2]，形成突發(fā)性的營養(yǎng)脅迫，導(dǎo)致新的休眠孢子形成，再次成為下一次赤潮發(fā)生的“伏筆”。中肋骨條藻在營養(yǎng)鹽含量或其他環(huán)境條件成為其限制因子時(shí)，在同一條中肋骨條藻鏈上的細(xì)胞會(huì)同時(shí)形成休眠孢子，等到環(huán)境適宜時(shí)，休眠孢子再同時(shí)萌發(fā)，短時(shí)間內(nèi)形成大規(guī)模赤潮[30]。故此生活史特點(diǎn)使部分海域的赤潮常年發(fā)生。

研究浮游植物群落結(jié)構(gòu)變動(dòng)和赤潮生物形態(tài)變化，利用海底耕耘法[18]，在有害鞭毛藻產(chǎn)生赤潮時(shí)，使海水里硅藻的休眠孢子提前萌發(fā)，與之形成生存競爭，可抑制赤潮的發(fā)生。

3 建議與展望

國內(nèi)對硅藻休眠孢子的研究起步較晚，相關(guān)研究工作較少，但研究硅藻休眠孢子，既是對硅藻生態(tài)學(xué)和分類學(xué)相關(guān)知識(shí)的重要補(bǔ)充，探究其與多方面學(xué)科與應(yīng)用的相關(guān)性，又能為相關(guān)發(fā)展提供可能性與新思路，例如在產(chǎn)生生物柴油的新型經(jīng)濟(jì)價(jià)值的同時(shí)，能減少赤潮導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失。隨著分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展和研究手段的豐富，對硅藻休眠孢子的相關(guān)研究應(yīng)能煥發(fā)新的活力。

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