攻讀博士學位研究計劃(范文)

1、擬攻讀博士學位計劃書定鞭金藻（Haptophytes）在中國典型海域的群落結構及其生態(tài)學功能目錄第一部分：對國內(nèi)外現(xiàn)有研究的認識. 11、引言（Introduction）. 11.1 海洋微型生物生態(tài)學概述（Summary on Marine Microbial Ecology）. 11.2 定鞭金藻門類（Taxonomy of Haptophyta）. 22、定鞭金藻的研究現(xiàn)狀（Research Status of Haptophytes）. 42.1 定鞭金藻的代表性物種（Typical Species of Haptophytes）. 42.2 定鞭金藻有害藻華的毒理學機制及其他環(huán)境效應

2、（Toxicological Mechanisms onHarmful Algae Blooms for Haptophytes and Other Environmental Effects）.72.3 顯 微 技 術 、 流 式 細 胞 技 術 及 分 子 生 物 學 技 術 等 在 定 鞭 金 藻 研 究 中 的 應 用（Application of Microtechnique, Flow Cytometry and Molecular Biotech- nologies Etc. for Haptophytes Research）. 92.4 生態(tài)（毒理）學在定鞭金藻研究中的應用（A

3、pplication of Eco-(Toxico-)logy forHaptophytes Research）.112.5 生 物 信 息 學 在 定 鞭 金 藻 研 究 中 的 應 用 （ Application of Bioinformatics forHaptophytes Research）.123、定鞭金藻的研究意義及展望（Research Meanings and Future Research for Haptophytes）. 14 第二部分：讀博工作安排與預期目標. 15 參考文獻：. 17第 20 頁 共 22 頁第一部分：對國內(nèi)外現(xiàn)有研究的認識1、引言（Introduc

4、tion）1.1 海洋微型生物生態(tài)學概述（Summary on Marine Microbial Ecology） 海洋微型生物生態(tài)學是一門新興學科，是科學技術高速發(fā)展的產(chǎn)物。它將地球上最大的“海洋”與最小的“微型生物”通過“生態(tài)學”聯(lián)系起來，實現(xiàn)了宏 觀與微觀的耦合（陳宜瑜院士語）。近 20 年來，新方法、新技術在海洋領域的應 用導致了一系列有關微型生物的重大發(fā)現(xiàn)，推動了學科的形成和迅速發(fā)展1。自上世紀 70 年代以來，人們不斷加深了對海洋微型生物的認識，新生的理 論與認識在傳承經(jīng)典的同時，也時常出現(xiàn)“打破”或“顛覆”式的超越（圖 1）。 海洋微型生物是地球上的第一批“居民”，是改造地球環(huán)境

5、的先鋒。從古至今， 海洋微型生物都在為調(diào)節(jié)全球變化默默無聞地工作著。在這個過程中，海洋微型 生物是生物量和生產(chǎn)力的主要貢獻者，是生命和非生命系統(tǒng)聯(lián)系的關鍵環(huán)節(jié)，是 生源要素循環(huán)的重要驅動力1, 2。然而，人們對海洋微型生物的認識還非常有限， 已經(jīng)研究過的海洋微型生物不到總量的 1%3。圖 1 海洋微型生物（微型生物生態(tài)學）研究進程Fig.1 Research process for Marine Microbes (Microbial Ecology)由圖 1 可知，每一重要理論的認識都是通過某些代表性的海洋微型生物（往 往是整個類群的研究）實現(xiàn)的，從而推動了海洋環(huán)境，乃至全球環(huán)境的研究。因

6、此，對典型的海洋微型生物的環(huán)境行為效應等進行深入研究有重要價值。1.2 定鞭金藻門類（Taxonomy of Haptophyta）定鞭金藻（Prymnesiophyceae），又稱為土棲藻或普林藻，因其具有附著鞭毛（Haptonema），20 世紀 50 年代前后通常稱其為觸絲藻（Haptophyceae）。在早期 分類中，定鞭金藻是從金藻綱（Chrysophyceae）中分離出來的一個獨立類群（因 其色素體帶黃色）4。直到 1962 年，Christensen 才將其定為金藻門（Chrysophyta） 的一個綱，即定鞭金藻綱（Prymnesiophyceae）（如圖 2-）5。但將定鞭金

7、藻從 金藻門中獨立出來，“自立”定鞭金藻門（Haptophyta），經(jīng)歷了一個比較復雜的 歷史分類過程。以定鞭金藻門、顆石藻目（Coccolithales）藻類為例，20 世紀初 期，顆石藻只是一個屬（Coccolithophoridae）；同時，具有兩條規(guī)則鞭毛的海藻 都歸屬于等鞭金藻目（Isochrysidales），并因其會產(chǎn)生棕黃色的色素體而被歸于 金藻綱中。這種分類忽略了其他具有兩條規(guī)則鞭毛的金藻。此后，又發(fā)現(xiàn)了另一 種含有 3 條（類）鞭毛（兩條為鞭毛-flagella，另一條為頂鞭絲-haptonema（捕食 作用） 的微藻，并將其歸入為 Prymnesiaceae 科中。20

8、世紀中葉，一個新屬微 藻（巴夫藻屬-Pavlova）被發(fā)現(xiàn)，因其具有“第三條”鞭毛而被歸入 Prymnesiaceae 中。20 年后，有更多的種被歸入巴夫藻屬，從而新立了一個科巴夫藻科（Pavlovaceae）；20 世紀中葉的另一個重要突破是定鞭金藻的結構得到了闡釋， 且在淡水和海域都發(fā)現(xiàn)了它的蹤跡。至此，形成了 1 目 2 綱等鞭金藻目（Isochrysidales）、定鞭金藻綱（Prymnesiaceae）和巴夫藻目（Pavlovaceae），并 組成了一個門（class）定鞭金藻門（Haptophyta）。此后的超微結構觀察顯示， 以上各類微藻都屬于粘著性植物（haptophytes

9、），結合亞分子研究，說明以上分 類在形態(tài)學上是合理的6。根據(jù)定鞭金藻鞭毛的規(guī)則性，此后又將含有規(guī)則鞭毛的藻類歸入定鞭金藻類 群 ， 而 將 不 規(guī) 則 鞭 毛 微 藻 歸 入 巴 夫 藻 類 群 ， 即 成 立 了 定 鞭 金 藻 綱（Prymnesiophyceae）和巴夫藻綱（Pavlovophyceae）（圖 2）?？紤]到顆石藻類 群具有超過 15 個現(xiàn)存屬和 30 多個化石屬，而等鞭金藻、定鞭金藻和棕囊藻類群 屬較少（不超過 4 個），因此成立了 4 個目定鞭金藻目（Prymnesiales）、顆 石藻目（Coccolithales）、棕囊藻目（Phaeocystales）和等鞭金藻目

10、（Isochrysidales）（如 2）。雖然自 1976 年 Hibberd 將定鞭金藻獨立為一個門（Haptophyta）以 來，對其分類有了較系統(tǒng)的認識，但將定鞭金藻定義為一個綱（Haptophyceae） 的情況仍有出現(xiàn)7, 8。而我國對定鞭金藻的分類比較不統(tǒng)一，如胡鴻鈞等9已將 定鞭金藻獨立為一門，但王立等10仍將定鞭金藻綱中的三毛金藻屬（Primnesium）和等鞭金藻屬（Isochrysis）歸于金藻門，對于巴夫藻類群的歸屬問題在藻類學著名專著中國淡水藻類系統(tǒng)、分類和生態(tài)中也未曾收錄9。顆石藻目微藻 種群數(shù)量與定鞭金藻綱很接近，但 4 目分類已經(jīng)應用了 30 多年，因此上述分類

11、 仍舊是當前的分類基礎6（如圖 2 所示）。圖 2 定鞭金藻系統(tǒng)分類示意圖Fig.2 Schematic diagram for systematic classification of Haptophyta2、定鞭金藻的研究現(xiàn)狀（Research Status of Haptophytes）2.1 定鞭金藻的代表性物種（Typical Species of Haptophytes） 定鞭金藻門下屬兩個綱，共5個目。其共有特點是：單細胞或群體，具周質膜，有2條等長的鞭毛（及一條頂鞭絲），色素體2個，帶狀，有的細胞壁具有碳 酸鈣小片。生殖時細胞縱裂，或產(chǎn)生2條鞭毛的游動孢子。在淡水或海水中都有

12、分布種類。巴夫藻目和定鞭金藻目的主要區(qū)別是前者的鞭毛是不規(guī)則的，且含有 眼壺（eyespot）及類瘤體結構（knob-like body），同時，二者的分子生物學差異 也得到了證實6。巴夫藻目的代表性物種是綠色巴夫藻（Pavlova viridis）和路氏 巴夫藻（Pavlova lutheri），其典型特征是定鞭絲不能彎曲，而定鞭金藻目如小定 鞭金藻（Prymnesium parvum）和三毛金藻（Prymnesium parvum Cater）的定鞭絲 可以彎曲，且較發(fā)達，這對其占據(jù)優(yōu)勢的生態(tài)位有重要作用。定鞭絲極度退化的兩個類群是顆石藻目和等鞭金藻目微藻，前者的原生質外有鱗片，如赫氏顆石

13、藻（Emiliania huxleyi）和鈣板金藻（Calcidiscus leptoporus）；而后者的細胞裸露， 原生質外無鱗片，鞭毛等長，如等鞭金藻（Isochrysis zhanjiangesis，Isochrysis Parke 等）和叉鞭金藻（Dicrateria zhanjiangesis，Dicrateria inornata，Dicrateria Parke 等）。棕囊藻屬最早由Hariot于1892年在Pouchet發(fā)現(xiàn)，目前主要將其分為6類： Phaeocystis pouchetii、Phaeocystis globosa、Phaeocystis scrobicula

14、ta、Phaeocystis antarctica、Phaeocystis cordata、Phaeocystis Jahnii11，主要分布于南、北兩極及 寒、溫帶12（如圖3所示，圖片來源于NCBI數(shù)據(jù)庫13）。其中，路氏巴夫藻、等鞭金藻是主要的海洋經(jīng)濟微藻14。12A BCD EA.1&2 路氏巴夫藻 Pavlova lutheri；B.1&2 小定鞭金藻 Prymnesium parvum；C. Coccolithophore sp.；D.1 等鞭金藻 Isochrysis、2 叉鞭金藻 Dicrateria；E.1 Phaeocystis sp. Cells、2 Ph

15、aeocystis globosa圖 3 定鞭金藻的代表性物種Fig.3 The typical species of Haptophytes2.2 定鞭金藻有害藻華的毒理學機制及其他環(huán)境效應（Toxicological Mechanismson Harmful Algae Blooms for Haptophytes and Other Environmental Effects）2.2.1 有害藻華有害藻華（Harmful Algae Blooms，HABs）事件通常發(fā)生于低海拔的上升流 區(qū)域（upwelling regions）15，是由近海藻類種群密度過高而致，且常伴隨著毒 素的釋放。

16、這會造成當?shù)厣鷳B(tài)破壞，經(jīng)濟受損，同時會對旅游業(yè)養(yǎng)殖業(yè)及水域 管理造成不可估量的損失16。自 Chrysochromulina polylepis 藻華首次（1988 年） 在歐洲爆發(fā)以來，人們開始了對 HABs 的關注17。有害藻華的發(fā)生，主要是綠藻門（Chlorophyta）藍藻門（Cyanophyta） 硅藻門（Bacillariophyta）、金藻門（Chyosophyta）、定鞭金藻門（Haptophyta）和 甲藻門（Pyrrophyta）的代表性物種單獨或混合作用的結果。其中，銅綠微囊藻（ Microcystis aeruginosa ）、 魚 腥 藻 （ Anabaena sp.

17、 ）、 漢 氏 菱 形 藻 （ Nitzschia hantzschiana ）、 小 等 刺 硅 鞭 藻 （ Dictyocha fibula ）、 小 定 鞭 金 藻 （ Prymnesium parvum）和薄甲藻（Glenodinium pulvisculus）是六大門類的代表性物種18。對各 代表性藻類進行研究，是實現(xiàn)有害藻華防治的理論依據(jù)，也是海洋微型生物生態(tài) 學在海洋環(huán)境研究及全球氣候變化監(jiān)測等領域的重要內(nèi)容之一。2.2.2 有害藻華的爆發(fā)及毒理學機制 藻華發(fā)生時的有害性主要有兩種情況：釋放毒性物質或因藻群繁殖而大量消耗 水 體 的 溶 解 氧 19 。 據(jù) 報 道 顯 示 ，

18、顆 石 藻 （ Emiliania huxleyi 和 Calcidiscus leptoporus）和棕囊藻（Phaeocystis sp.：P. pouchetii-北極洲，P. globosa-熱帶和亞 熱帶海域和 P. Antarctica-南極洲）是有害藻華爆發(fā)的主要定鞭金藻類群15, 20。通 常認為，有害藻華的發(fā)生與光照和溫度21-23、鹽度22, 24、N/P 濃度與比例23, 25-29 有關，甚至還會受水體中病毒數(shù)量、活性等的影響30。目前，對棕囊藻有害藻華的爆發(fā)研究比較深入。該藻自身具有毒性，危害較 大。首先，該藻球形群體外圍具有一層柔軟的膠質被且藻體含多糖，當大量繁殖

19、形成赤潮時，含膠質和糖的藻體便緊緊貼在魚鰓上。影響魚的呼吸和攝食，致使 魚類窒息，缺氧而死亡。其次，該藻巨大的生物量（尤其是黎明和傍晚時）可造 成水體缺氧導致災害。再加上藻體和藻細胞死亡腐爛后會產(chǎn)生溶血毒素等有毒物 質，對水體環(huán)境的破壞將持續(xù)一定時間，嚴重時會導致魚類大面積死亡，尤其對 網(wǎng)箱養(yǎng)殖和對蝦育苗危害更大。2012 年，南極海域出現(xiàn)大面積海藻爆發(fā)，美國 宇航局“大地”衛(wèi)星上搭載的 Modis 設備拍攝到數(shù)張圖像?？茖W家分析造成這次事故的主要是棕囊藻31 。研究較多的另一有害藻華爆發(fā)種是小定鞭金藻（P.parvum）。研究表明，其生長和爆發(fā)與生態(tài)環(huán)境有重要關系。其中，水體鹽度與 溫度是兩

20、個主要因素。當鹽度在 0.3-3.0%，溫度在 5-30時，P. parvum 易對其 他水生動植物產(chǎn)生危害22, 24。有研究認為，鹽度在 4.0-8.0 ppt 時 P. parvum 易達 到生長峰值32，而溫度為 15-24時會發(fā)生藻華33。有 害 藻 華 的 爆 發(fā) 與 其 對 其 他 生 物 的 毒 害 作 用 往 往 是 一 個 同 步 過 程 。 以 Prymnesium parvum 為例，當環(huán)境發(fā)生改變時（主要是受食物源的影響），P. parvum 會根據(jù)不同的環(huán)境條件作出不同的響應。環(huán)境中是否存在可供光合生長利用的無 機 N/P 是決定 P. parvum 是否會大量繁殖

21、并產(chǎn)生毒素的關鍵因素。而藻類的過度 繁殖及對其他生物的危害又會反過來破壞整個生態(tài)系統(tǒng)，產(chǎn)生負反饋調(diào)節(jié)。P. parvum 的生長繁殖及危害機理如圖 4 所示。圖 4 P. parvum 生長繁殖及危害機理示意圖（綜合自文獻34-37）Fig.4 Schematic diagram about growth-reproduction and toxicological mechanisms of P. parvum（Summarized from the references 34-37）2.2.3 定鞭金藻的其他環(huán)境效應 定鞭金藻大量繁殖，消耗水體中的溶解氧并釋放有毒物質是其環(huán)境效應的一方面。

22、此外，定鞭金藻會分泌大量的二甲基丙酸噻啶（dimethylsulfoniopropionate， DMSP），該物質具有滲透調(diào)節(jié)作用（osmoregulation），以抵抗捕食者及抗氧化。 同時，定鞭金藻藻華發(fā)生時二甲基硫化物 DMS 是大氣中硫的主要貢獻者，DMS 具有吸潮作用，使大氣中云的密度增加，易形成酸雨。此外，硫化物會以小顆粒形式存在，導致太陽光大量返回宇宙中，因此地球氣溫下降15, 19, 38, 39。然而，此結論有待進一步研究。定鞭金藻藻華的另一個作用是海洋的鈣質沉淀（calcareous sediments）。其中， 鈣質石藻（calcareous coccolithopho

23、res）是主要貢獻者，其優(yōu)勢種是赫氏顆石藻（Emiliania huxleyi），但貢獻最大的是鈣板金藻（Calcidiscus leptoporus）15, 40, 41。2.3 顯微技術、流式細胞技術及分子生物學技術等在定鞭金藻研究中的應用（ Application of Microtechnique, Flow Cytometry and Molecular Biotech- nologies Etc. for Haptophytes Research）微型生物個體極小，成為研究發(fā)展的首要障礙。微型生物的研究進展很大程 度上取決于技術的進步。從技術手段來說，微型生物的研究經(jīng)歷了三大“變革

24、”： 以顯微技術為基礎的觀察分析，以流式細胞技術（FCM）為基礎的快速測定和 以分子生物學技術為基礎的多樣性分析與功能基因分析1。定鞭金藻作為微型生 物的一支，也經(jīng)歷了以上三個方法學的發(fā)展過程。2.3.1 種群分類及生物多樣性分析 按照國際慣用的生物粒級尺度標準，海洋單細胞浮游生物大致可劃分為三類：網(wǎng)采浮游生物（Netplankton），20200 m；納微型浮游生物（Nanoplankton），220 m；皮微型浮游生物（Picoplankton），0.22 m1。據(jù)此，定鞭金藻基本都 屬于納微型浮游生物，如 P. parvum 是一種單細胞微藻，細胞大小為 8-15 µm

25、5;4-10µm（長×寬）42；棕囊藻細胞呈球形或近球形，直徑為 2.57.0 m，但群體膠質 囊大小可達 1102600 m10。隨著更多超微型海洋生物的發(fā)現(xiàn)，基于粒級尺度的 劃分標準已不適用，但顯微技術仍然是微型生物研究必不可少的手段。常用的顯 微技術有透射電子顯微技術（Transmission Electronic Microscopy，TEM）和表面（落式）熒光顯微技術（Epifluorescence Microscopy，EFM）43-46。而流式細胞 技術可以實現(xiàn)對定鞭金藻的快速分類與定量1, 47。雖然分子生物學技術起步較早，但真正被大規(guī)模應用于海洋微型生物方

26、面的 研究還是在 90 年代以后，其代表性研究是 Giovannoni 等利用 PCR 擴增 16S rRNA 片段的技術研究了大西洋馬尾藻海的浮游細菌群落結構48。與傳統(tǒng)分類方法不同 的是，分子生物學技術是基于物種遺傳物質的異同而進行歸類的，正是因為分子 生物學的參與（與形態(tài)觀察相結合），才使得對定鞭金藻的傳統(tǒng)分類有了新突破， 其結果如圖 2 所示。根據(jù)現(xiàn)有報道顯示，被廣泛用于定鞭金藻種群分類及生物多 樣性分析的分子生物學技術（手段）主要有：PCR 擴增技術49-51、DNA 測序技術52、（PCR-）DGGE 技術52-55、TGGE 技術54、HPLC 技術56、實時定量 PCR57,5

27、8、qPCR 技術54、AFLP 技術59等。近些年，環(huán)境基因組技術和環(huán)境蛋白質組 技術已成功應用于對假微型海鏈藻（Thalassiosira pseudonana）和三角褐指藻（Phaeodactylum tricornutum）的種群分析15，但在定鞭金藻方面的研究未見報 道。2.3.2 毒理學（生理生態(tài)）研究 微藻的生理生態(tài)與細胞的物理化學特征和生物化學特征有關，如細胞的大小、細胞質的顆粒性、細胞色素的含量及 DNA 或 RNA 含量等1。對微藻生理生 態(tài)開展研究，能夠為揭示有害藻華爆發(fā)的機制、毒理學作用及其防治提供有效措 施，這也是實現(xiàn)海洋微型生物生態(tài)學研究的必要途徑。流式細胞技術已被

28、廣泛應用于海洋微型生物的生理生態(tài)研究，如細胞膜電位 分析、細胞活性分析、單細胞色素分析及細胞分選等1，該技術目前也實現(xiàn)了對 定鞭金藻的化學分析60。據(jù)現(xiàn)有報道顯示，RT-PCR 技術也實現(xiàn)了對定鞭金藻堿 性磷酸酶的表達測定61，而探針技術、HPLC 技術等也是定鞭金藻生理生態(tài)學研 究的一項輔助技術56, 62, 63。有報道顯示，將流式細胞技術與分子生物學技術聯(lián)合 用于此方面的研究是可行的64。此外，海洋微型生物流式圖像技術、細胞膜電位 測定技術（同位素標記技術、熒光分光光度法等）、時序紅外顯微技術（TIREM）、 活細胞測定技術（核酸染色技術、Live/Dead BaclightTM 細菌活

29、性工具包、放射自 顯影技術等）、原子力顯微鏡技術和酶聯(lián)放大-熒光原位雜交技術（CARD-FISH）、 熒光原位雜交-微放射自顯影技術（Micro-FISH）和碳源利用分析技術等1都可在 定鞭金藻的生理生態(tài)研究中得到更深入的研究與推廣。然而，生理生態(tài)的研究不能只局限于微觀世界，從微藻的個體水平、種群、 群落水品及其生態(tài)位等宏觀方面分析藻類的生態(tài)學效應是今后研究的重要內(nèi)容 之一。這對于指導有害藻華的防治，漁業(yè)的生產(chǎn)，經(jīng)濟微藻的開發(fā)及生態(tài)環(huán)境的 監(jiān)測與修復等都有十分重要的指導意義（詳見 2.4）。2.3.3 監(jiān)測與防治定鞭金藻藻華會對魚類及其他水生動植物產(chǎn)生毒害作用34, 35, 65-67。此外，

30、 有研究表明，P. parvum 會對內(nèi)陸水源產(chǎn)生危害42。而在湖泊富營養(yǎng)化研究中， 定鞭金藻可以作為水體富營養(yǎng)化指示物種18。因此，開發(fā)定鞭金藻監(jiān)測與防治新 技術對指導漁業(yè)生產(chǎn)、保護水體環(huán)境及人類健康有重要價值。常用的定鞭金藻監(jiān)測技術包括 RT-PCR 技術58、AFLP 技術16, 59、分子探針技術62, 68、細胞計數(shù)法69等。不同種屬定鞭金藻具有不同的特性，對顆石藻屬定鞭金藻而言，衛(wèi)星遙感技術在近些年得到了廣泛的應用6, 70；但小定鞭金藻卻 無法利用該技術實現(xiàn)追蹤監(jiān)測42。隨著技術的進步，近些年對定鞭金藻引發(fā)的 HABs 也實現(xiàn)了數(shù)學模型擬合（預測），如數(shù)學模型（CZCS、Sea-

31、WiFS、MODIS 等）6, 70-72數(shù)據(jù)流技術42等的應用。若預測不準確或不及時，對定鞭金藻的治理則顯得非常重要。因為定鞭金藻 的生長與爆發(fā)與 N/P 濃度和比例、溫度、pH、鹽度等有關，通過調(diào)控發(fā)生赤潮 的水域理化條件是實現(xiàn)藻華控制的途徑之一。同時，可利用化學殺藻劑對定鞭金 藻實行快速控制，如對 P. parvum 的治理常用的殺藻劑有氟啶草酮（fluridone）五氟磺草胺（penoxsulam）芐嘧磺?。╞ensulfuron）丙炔氟草胺（flumioxzin）唑草酮（carfentrazone）和 top-ramazone 等73。2.4 生態(tài)（毒理）學在定鞭金藻研究中的應用（A

32、pplication of Eco-(Toxico-)logy for Haptophytes Research）生態(tài)毒理學是運用數(shù)學、物理學、化學、生態(tài)學及毒理學等多種學科的理論 和方法，研究各種有毒有害物質對動物、植物、微生物等非人類生物及生態(tài)系統(tǒng) 的損害作用及其防護的科學74。對于海洋生物而言，海洋生態(tài)學的研究重點為種 群生態(tài)學、群落生態(tài)學和生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學三個層次，其內(nèi)容包括種群/群落的組 成與結構、物種的時空變化與分布情況、種群/群落生態(tài)位及生態(tài)功能和種群/群 落與環(huán)境之間的效應關系75。定鞭金藻物種多樣性很豐富，且有多個種屬會形成有害藻華，研究有害藻華 產(chǎn)生的外界原因及有害藻華對外界

33、產(chǎn)生的影響是非常有必要的。只有了解了外界 對定鞭金藻的生態(tài)毒理學效應及定鞭金藻對外界的生態(tài)毒理學效應，才能更好地 指導定鞭金藻有害藻華的預防與控制。2.4.1 外界（其他生物與環(huán)境）對定鞭金藻的生態(tài)學作用 定鞭金藻的生活周期因種而異，有時也會受環(huán)境因素的影響而改變，主要包括營養(yǎng)條件、捕食者及其他環(huán)境因素。一般來說，定鞭金藻的生長、衰亡有其固 有的周期，通常不會對外界環(huán)境造成不可恢復的損害。但人類活動極大地影響了 環(huán)境的穩(wěn)定性，進而破壞了生物的生存環(huán)境，這是導致生態(tài)事故如有害藻華爆發(fā) 的主要原因。營養(yǎng)條件如 N/P 等物質的含量及比例是影響定鞭金藻有害藻華爆發(fā)的首因25, 29, 35, 36，

34、N/P 是否充足會直接對定鞭金藻種群和群落組成與結構造成破壞。有報道顯示，P. parvum 有害藻華爆發(fā)時，往往也表明其他種群的衰亡35-37。這個過程中，起關鍵作用的是 N/P 濃度，但最終會影響到其他種群的數(shù)量級結構，進 而產(chǎn)生毒理學效應（圖 4）。其他條件如溫度、光照、pH 等也會影響定鞭金藻的 種群結構，時空分布等，這也是定鞭金藻受外界環(huán)境影響而改變的一個重要方面（詳見 2.2.2）。此外，環(huán)境中的捕食者數(shù)量及種類也會對定鞭金藻的種群數(shù)量及 生態(tài)學功能產(chǎn)生沖擊，如捕食者對棕囊藻的影響76-79。其中，原生動物（protozoan） 和后生動物（metazoan）是主要的捕食者，且是在

35、定鞭金藻生活周期中的單細胞 周期起作用76, 78。這些捕食者的存在也會對其他的微藻產(chǎn)生影響80, 81，因此這是 一個很復雜的過程76，最終會導致定鞭金藻生態(tài)功能的減弱甚至喪失。2.4.2 定鞭金藻對外界（其他生物與環(huán)境）的生態(tài)（毒理學）作用 定鞭金藻有害藻華的發(fā)生與外界環(huán)境密切相關，同時，有害藻華又會對外界環(huán)境產(chǎn)生效應，因此二者在研究中是一個密不可分的統(tǒng)一過程。當藻類大量繁殖 時，會消耗水中的溶解氧，從而抑制其他生物的正常生活；在不同生理生態(tài)條件 下，定鞭金藻甚至還會分泌藻毒素，毒害其他生物42。顆石藻屬和棕囊藻屬定鞭 金藻還會產(chǎn)生 DMSP 和 DMS 等污染空氣的物質，顆石藻形成的鈣質

36、沉淀還會導 致海洋生產(chǎn)力結構與功能的改變6, 82?？傊?，生態(tài)（毒理）學是研究定鞭金藻的可靠方法，從整個生態(tài)系統(tǒng)著手考 慮問題，對指導有害藻華防治有重要作用。生態(tài)（毒理）學研究的輔助手段很多， 如形態(tài)觀察，色譜、質譜、色質聯(lián)用、核磁共振等代謝分析，蛋白質分析和基因 分析，文庫克隆，分子雜交，數(shù)學建模等。尤其是數(shù)學模型的建立，對定鞭金藻 的防治起到了很好的預警作用（2.3.3）。2.5 生 物 信 息 學 在 定 鞭 金 藻 研 究 中 的 應 用 （ Application of Bioinformatics forHaptophytes Research） 生物信息學是研究生物信息的采集，處

37、理，存儲，傳播，分析和解釋等各方面的一門學科。它通過綜合利用生物學，計算機科學和信息技術而揭示大量而復 雜的生物數(shù)據(jù)所賦有的生物學奧秘。傳統(tǒng)的生物分類及多樣性分析以物種的形態(tài) 結構和生理特征為主要依據(jù)，但生物世界千變?nèi)f化，形態(tài)學差異有時不足以完全 表明其進化地位及聚類情況。新興分子生物學技術的發(fā)展為生物多樣性的分析提 供了基礎，同時也為基于基因水平、蛋白質水平的其他研究提供了條件，從而在 微觀、宏觀，毒理學機制等方面都實現(xiàn)了很大的突破。將分子生物學技術研究成 果在計算機上進行分析，是生物信息學的首要目標，這便于不同領域、不同地域的研究人員快速地進行信息交流，以促進生物學研究的快速發(fā)展。通過對定

38、鞭金藻的數(shù)據(jù)檢索（NCBI 數(shù)據(jù)庫）可知，當前世界上對定鞭金藻 開展的研究比較廣泛，但仍然有很多未知領域亟待突破。如圖 5-A 所示，定鞭金 藻基因組的完整測序只有 4 個報道，分別是：赫氏顆石藻（Emiliania huxleyi）、 球等鞭金藻（Isochrysis galbana）和路氏巴夫藻（Pavlova lutheri）（雙擊見鏈接）。 針對表達序列標簽（Expressed Sequence Tags，ESTs）開展的研究有 172949 個記 錄，然而與此相對應的蛋白只有 2037 個記錄，其具體分布情況如圖 5-BD；以 Prymnesium parvum 為例，對其 ESTs

39、 開展的研究有 23443 條記錄（具體的研究 情況以圖 6 示之），卻只報道了 26 個蛋白（包括重復）。此外，當前研發(fā)成功并 提交 NCBI 數(shù)據(jù)庫的定鞭金藻探針只有 4 個，且都為南極棕囊藻（Phaeocystis antarctica）探針（GenBank 登錄號分別為：Pr009611603Pr009611006）。以上情況說明，生物信息學對于研究定鞭金藻非常重要，由此可以把握國內(nèi) 外對此開展研究的最新動態(tài)；同時也說明，當前國際上對定鞭金藻開展的研究還 不夠深入，不夠系統(tǒng)。因此，今后對定鞭金藻開展廣泛、深入的研究還有非常廣闊的前景。BAC D圖 5 國內(nèi)外對定鞭金藻開展的研究現(xiàn)狀Fi

40、g.5 Research status of Haptophyta at home and abroad3 、 定 鞭 金 藻 的 研 究 意 義 及 展 望 （ Research Meanings and FutureResearch for Haptophytes）目前，對定鞭金藻的研究已較全面，從研究內(nèi)容來說，主要分為物種多樣性 分析、種群的分布特征與豐度、生態(tài)位及生態(tài)功能研究（如光合作用）、生長/ 反之特征、毒理學研究、定鞭金藻與環(huán)境之間的互效關系及檢測手段、治理方法 等（如圖 6 所示）。開展以上研究，主要有以下幾點意義： 通過對定鞭金藻物種多樣性、分布及豐度，以及爆發(fā)機制、毒理學機

41、制 和環(huán)境效應等方面的研究，可以對環(huán)境的變化與治理起指示和指導作用； 通過，可以進一步對人類生產(chǎn)、生活起引導作用（更好地調(diào)節(jié)人類與 環(huán)境間的關系）； 通過定鞭金藻種群分類，生活史，分布特征及遺傳物質多樣性研究，可 以促進對不同地質時代的環(huán)境特征與物種演化的深入了解； 通過研究定鞭金藻的生理生化特性，對促進經(jīng)濟微藻的研發(fā)有積極作用。圖 6 定鞭金藻的研究內(nèi)容示意圖（綜合自文獻32, 34, 37, 42, 55, 62, 65, 66, 68, 83-86）Fig.6 Schematic diagram of research contents for Haptophytes（Summarize

42、d from the references32,34,37,42,55,62,65-66,68,83-86）然而，對定鞭金藻的以上研究是一個綜合的過程，研究過程不可能面面俱到，要做到全面、深入的了解有待新技術的誕生，也有待更多的人力、物力、財力的 投入。就當前技術水平而言，對定鞭金藻的研究可以從以下幾點入手： 開展國際合作、交流，將不同時空的研究成果進行比對，以期實現(xiàn)交叉、 綜合與新的突破； 篩選新種，對新種的生理生化特性，種群特性，生態(tài)功能等展開研究； 持續(xù)地監(jiān)測同一環(huán)境條件下定鞭金藻的各種變化，同時進行橫、縱向比 對，尋找異同點，為環(huán)境研究提供新思路； 對定鞭金藻不同種屬（甚至綱、目）的遺

43、傳物質進行深入研究，更全面 地揭示其分子水平差異性；尤其是要突出研究 ESTs 及其相關蛋白，為定鞭金藻 有害藻華的防治提供新的理論基礎； 綜合開發(fā)新的監(jiān)測技術（如探針、示蹤技術等）； 進一步研究定鞭金藻的生態(tài)（毒理）學功能，為海洋微型生物生態(tài)學研 究作出新的貢獻； 開發(fā)海洋經(jīng)濟微藻（如路氏巴夫藻和球棕囊藻等）。第二部分：讀博工作安排與預期目標由以上分析可知，目前國內(nèi)外已廣泛開展對定鞭金藻的各類研究。在種群分 類及物種多樣性分析方面，定鞭金藻綱的顆石藻目和棕囊藻目等到了較完整的認 識；對于定鞭金藻綱的定鞭金藻目和等鞭金藻目以及巴夫藻綱中的巴夫藻目的群 落結構研究不夠深入。在我國，總體上還未對定

44、鞭金藻門形成系統(tǒng)的認識，這不 僅體現(xiàn)在門類分析方面，在物種多樣性、群落結構多樣性、生態(tài)系統(tǒng)多樣性等方 面也存在“零敲碎打”的現(xiàn)象，諸如巴夫藻（巴夫藻目）、顆石藻（顆石藻目） 和金色藻（定鞭金藻目）（圖 2）的研究幾無報道，而對棕囊藻目和等鞭金藻目 的代表性物種研究較多。另外，定鞭金藻門的多數(shù)藻種都會形成有害藻華，進而 會影響海域生態(tài)系統(tǒng)結構的穩(wěn)定性及功能的發(fā)揮。定鞭金藻藻華在我國的研究， 仍然以棕囊藻為主，而國外已對定鞭金藻目中的小定鞭金藻（P. parvum）展開了 深入研究，尤其是美國、德國等發(fā)達國家對其分布特征、光合作用、生長/繁殖 特性、毒理學作用及與環(huán)境之間的互效關系等方面作了很詳細

45、的研究與報道；此 外，國外對顆石藻目中的赫氏顆石藻和鈣板顆石藻的研究也提升到了環(huán)境效應方 面。再者，對于有害藻華的防治，也因以上研究進程的遲緩也得不到很好的發(fā)展。近年來，我國正大力投資于海洋生物學與環(huán)境學的研究，在“十二五”規(guī)劃中，還專門成立了一項國家重點項目近海海洋綜合調(diào)查與評價，也因此形成了一個新熱潮中國區(qū)域海洋學研究。國家海洋局對此如此重視，是因為 我國三面臨海，地理位置事宜微藻生活，四大海區(qū)東海、黃海、渤海和南海更是廣泛分布著各種微藻，種群資源豐富，也包括定鞭金藻。由此可知，在 我國典型海域開展定鞭金藻的系統(tǒng)研究，完整地勾畫出定鞭金藻在典型海區(qū)的群 落結構和生態(tài)學功能，具有十分重要的意

46、義。然而，從整體而言（圖 5），開展對定鞭金藻藻華爆發(fā)機制、毒理學機制及 探針技術等的研究仍然存在著廣闊的空間。與其他門類微藻相比，國內(nèi)外對定鞭 金藻的研究還比較零散，但業(yè)已證明，定鞭金藻中有諸多種屬對漁業(yè)生產(chǎn)（棕囊 藻、小定鞭金藻等）、人類飲水健康（小定鞭金藻等）和經(jīng)濟微藻培養(yǎng)（路氏巴 夫藻、等鞭金藻）等有重要的研究價值。以上分析表明，開展我國典型海域的定鞭金藻群落機構分析及生態(tài)學功能研 究很有必要。一方面，它可以彌補我國海區(qū)對定鞭金藻門類研究的不足；另一方 面，它還可以提升我國在國際上研究微藻的水平，為全球環(huán)境研究作出應有的貢 獻?；诖耍救藬M在讀博期間主要完成以下幾項工作： 完成對定鞭

47、金藻在我國典型海區(qū)的生物多樣性分析（比如，可以將海區(qū) 限定在臺灣海峽及南海），在此基礎上，爭取開發(fā)（或改進）出若干種適于分析 生物多樣性的新技術。 分析定鞭金藻在不同時空的群落演替關系，及其與海洋微型浮游動物的 捕食/被捕食關系。 分析定鞭金藻在海洋生產(chǎn)力（碳循環(huán)）中的貢獻，探討氮循環(huán)和磷循環(huán) 中定鞭金藻生長/繁殖特性及其對生態(tài)系統(tǒng)造成的影響（如對其他海生生物的毒 理學作用等），研發(fā)相關的探針技術，實現(xiàn)對生態(tài)系統(tǒng)的有效修復?？刹扇〉姆椒▽W為：特征色素分析技術、PCR 技術（qPCR、PCR-DGGE、 RT-PCR 等）、流式圖像技術、DGGE/TGGE 技術、AFLP 技術、SSU rRNA

48、 建庫、 FISH、高通量測序技術、環(huán)境基因組技術和環(huán)境蛋白質組技術、生物信息學分 析、毒理學分析、生態(tài)學分析、數(shù)學建模、遙感技術的應用等；簡明技術路線：參考文獻：1焦念志. 海洋微型生物生態(tài)學M. 北京: 科學出版社, 2006.2 焦念志, 湯凱, 張瑤, 張銳, 徐大鵬, 鄭強. 海洋微型生物儲碳過程與機制概論J. 微生 物學通報, 2013, 40(1):71-86.3孫松. 中國區(qū)域海洋學生物海洋學M. 北京: 海洋出版社, 2012.4Parke M, Manton I, Clarke B. Studies on marine flagellates II. Three new s

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