棕鞭毛蟲牧食作用對銅綠微囊藻種群的影響

棕鞭毛蟲牧食作用對銅綠微囊藻種群的影響

微囊藻是一種全球分布的綠藻。綠藻也被稱為綠細菌，是地球上首次出現(xiàn)的一種自由生物。在漫長的進化過程中，這些生物發(fā)展了獨特的形狀和生理生化機制，可以在各種各樣的棲息地中產生，包括極端惡劣的環(huán)境。因此，它們比其他生物具有一定的生存優(yōu)勢。如果環(huán)境條件適宜，一些綠藻可以快速生長。通過達到一定的生物量，這些藻類聚集在水體表面，形成一層薄薄的藻類，并形成一個可以看到的藻類聚集。近年來，在環(huán)境和水環(huán)境良好的國家，如歐洲和美國，藻類水華的發(fā)展趨勢越來越高。由于藍藻水華引起的環(huán)境和健康問題，世界各國都高度重視。銅綠微藻通常沉積在中國的許多平湖中，形成有毒水華。通過分離和轉化，在實驗室培養(yǎng)純培養(yǎng)后，這種群體的形狀往往消失。雖然生物量很大，但仍能保持細胞的形狀，很難恢復外部水生花卉的特征。目前，對微藻表面變化的機制缺乏充分的理解。從物質關系的角度來看，我們推測微囊藻集團形成的原因。一些研究表明，這種群體可能是防止微囊藻形成的策略之一。一些研究表明，對后代浮游生物的飼料不能刺激微囊藻的形成，而原始微囊藻的飼料可以鼓勵微囊藻。一些細胞構成的前生動物鞭毛蟲的飼料可以刺激微囊藻。與最初的細胞相比，重囊藻可以形成由數(shù)十到數(shù)百個細胞組成的防御集團。微囊藻可以形成一個由多個細胞組成的防御集團。與這種突然的發(fā)現(xiàn)一致。在這種情況下，微囊藻作為一個整體的發(fā)展，與最初的細胞相比具有不同的細胞表面和細胞外碳含量的顯著變化。在這種情況下，可以進一步推測，在群體形成過程中，微囊細胞的活動也會發(fā)生變化。酯酶活性可以從一般意義上反映細胞的代謝活動，而葉片的相對強度可以表示相對較高的葉色含量。因此，這項工作中使用的流質細胞儀可以快速檢測到經(jīng)過棕鞭毛蟲飼料后的微藻指數(shù)的變化，并結合這些指標的變化來分析微囊藻的誘導防御。1材料和方法1.1藻種的培養(yǎng)有毒銅綠微囊藻由中國科學院水生生物研究所藻種庫提供,采用BG-11培養(yǎng)基培養(yǎng),培養(yǎng)溫度為25℃,光照強度為2200lx,光照周期為L:D=12:12.1.2大麥粒的制備試驗用棕鞭毛蟲(Ochromonassp.)分離自太湖梅梁灣樣品,用經(jīng)60℃溫水處理的大麥粒培養(yǎng),培養(yǎng)溫度為25℃,室內自然光照強度及光周期.1.3銅綠微囊藻的檢測取指數(shù)期銅綠微囊藻100ml置于250ml錐形瓶中,加入棕鞭毛蟲,密度為6000ind./ml.棕鞭毛蟲培養(yǎng)物在使用前24h加入適量濃度青霉素(0.5mg/ml,PenicillinGSodiumSalt,Sigma)和鏈霉素(1mg/ml,StreptomycinSulfate,BioSharp)去除細菌.對照組為不添加任何浮游游動物的純培養(yǎng)銅綠微囊藻,銅綠微囊藻的初始密度為5.53×106cells/ml.每組設3個重復,置于LRH-400-G光照培養(yǎng)箱中,試驗條件同上,每天定時對上述實驗培養(yǎng)物搖勻3次,試驗為期9d.期間每隔一天取樣一次,在顯微鏡下計數(shù)、觀察形成的群體并用蔡氏顯微鏡進行顯微攝影.1.4銅綠微囊藻酯酶活性的測定每兩天對棕鞭毛蟲牧食處理組和對照組的3個平行分別取樣2ml,充分振蕩后用300目網(wǎng)布過濾后,用FDA對藻樣進行染色后,上流式細胞儀(FACSVantageSE,BectonDickinson,USA)進行檢測.通過FDA(Fluoresceindiacetate,Sigma,F-7378)染色,可以對銅綠微囊藻酯酶活性進行測定.將FDA用丙酮稀釋到1mmol/L,-18℃保存.染色條件為:FDA濃度為25μmol/L,染色8min.流式細胞儀為雙激光配置:第一激光為Coherent水冷氬離子激光器(激發(fā)波長為488nm),產生的熒光信號通過2個檢測通道被收集(FL1:530/30nm,FDA熒光;FL3:675/20nm,葉綠素a熒光).檢測指標分別為:FL1(酯酶活性)、FL3(葉綠素熒光強度)和FSC(細胞大小),通過這些指標的檢測判斷微囊藻在棕鞭毛蟲牧食壓力下群體形成過程中藻細胞活性變化以及生理狀況.2結果2.1群體形成的影響在棕鞭毛蟲直接牧食處理組中觀察到了銅綠微囊藻有群體形成,誘發(fā)形成的群體大多數(shù)僅有幾個到幾十個細胞構成(圖1),在有些錐形瓶底部還出現(xiàn)了聚合在一起的較大群體,和以前觀察的結果相似.2.2兩組微囊藻生物量的比較在棕鞭毛蟲牧食處理組中,銅綠微囊藻種群逐漸下降,從第2d起生物量就顯著低于對照組(P<0.05,圖2).隨著實驗的進展,對照組和棕鞭毛蟲牧食處理組的微囊藻生物量差距越來越大.但在實驗臨近結束時,對照組微囊藻種群基本不再增長,接近飽和期,而棕鞭毛蟲牧食處理組的微囊藻種群也基本不再下降,維持相對穩(wěn)定的水平.2.3fl3測定從圖3可以看出,加入棕鞭毛蟲牧食的處理組FL1值波動很大,從第3d開始高于對照組,但直到第7d,牧食處理組和對照組才開始出現(xiàn)顯著性差異(P=0.0291),至實驗結束時處理組的FL1值遠遠高于對照組.在棕鞭毛蟲牧食的微囊藻中,FL3也呈現(xiàn)逐步增高的態(tài)勢,隨著實驗的進展,明顯高于對照組,到第7d時,牧食處理組和對照組已呈現(xiàn)顯著性差異(圖4,P=0.0339).FSC值則與上述2個參數(shù)的結果相反,實驗期間,棕鞭毛蟲牧食處理組的FSC都低于對照組FSC,也是在實驗的第7d,兩者之間出現(xiàn)了顯著性差異(圖5,P=0.0012).3討論3.1分離的是誘發(fā)性防御銅綠微囊藻對棕鞭毛蟲的強牧食壓力作出了形成群體的響應表明,對于藻類而言降低被食風險的一種有效方法是在必要時能增加個體大小.在棕鞭毛蟲牧食處理組中有大量群體形成的事實說明,棕鞭毛蟲對單細胞銅綠微囊藻的牧食能誘發(fā)它們聚合形成較大的群體,銅綠微囊藻形成群體后能有效阻止棕鞭毛蟲的進一步牧食,從而提高銅綠微囊藻的存活率,維持種群延續(xù).我們認為這是銅綠微囊藻針對棕鞭毛蟲牧食的一種防御策略,形成群體后個體變大超過棕鞭毛蟲的攝食能力從而幸免被食得以生存下來,可以看作是對棕鞭毛蟲有效牧食的誘發(fā)性防御反應.由于牧食是導致大多數(shù)生物種群下降的直接外部原因,很多生物通過進化多樣化的防御機制來增加它們生存的機會.最常見的是基本性防御——生物呈現(xiàn)出穩(wěn)定的防御特征不依賴于捕食風險大小.相比較而言,誘發(fā)性防御需要環(huán)境刺激來激活,而且誘發(fā)性防御的主要益處是防御代價只有在需要時才會付出,也就是說存在真正的被捕食風險時才會產生.很多研究表明[10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20],在藻類中也廣泛存在著誘發(fā)性防御.盡管在本實驗中使用的是有毒銅綠微囊藻,但棕鞭毛蟲生長良好,說明對棕鞭毛蟲沒有毒效應.因而,對于銅綠微囊藻而言,形成群體可能是抵抗像棕鞭毛蟲這類原生動物牧食的唯一有效防御措施,因為毒素不能有效阻止棕鞭毛蟲的牧食,這也許就是棕鞭毛蟲能誘發(fā)微囊藻形成群體的原因.然而,在本實驗中產生的微囊藻群體還比較小,還沒有形成類似于發(fā)生在野外富營養(yǎng)化湖泊中的大群體,實驗條件下誘發(fā)的群體在大小和形態(tài)上與采集自野外的群體都有明顯差別,誘發(fā)性群體不具備野外自然群體中明顯的膠鞘,表明這種誘導作用是相當微弱的,較弱的誘發(fā)效應可能是形成這樣大的群體就足以阻止棕鞭毛蟲的牧食,但更可能的原因是由于實驗中采用的銅綠微囊藻是無菌純培養(yǎng)的.另外,其它的非生物因素可能對銅綠微囊藻的群體形成也發(fā)揮著不同程度的作用,在野外環(huán)境下形成的銅綠微囊藻大群體可能是生物因素與非生物因素協(xié)同作用的結果,但還有待于進一步研究確認.3.2澳大利亞銅綠微囊藻細胞形成群體的活性酯酶的活性在多種生物體中被認為是敏感和可靠的毒物學指標,因而在流式細胞儀檢測中被廣泛應用.FDA是一種合適的代謝探針,它容易被細胞吸收并被酯酶轉化,得到的熒光能用于酯酶活性的檢測.FDA轉化為熒光素的速率與光合作用和營養(yǎng)生長所受的限制有關,從而可以利用這種測定來評估浮游生物的代謝活性.在本研究中,棕鞭毛蟲牧食處理組酯酶活性要高于對照組,在實驗后期還出現(xiàn)了顯著性差異,說明棕鞭毛蟲的牧食激發(fā)了銅綠微囊藻細胞的活性,這種細胞活性的增強可能與細胞加強了胞外多聚糖的合成與分泌而最終導致細胞形成群體有關,因為藻細胞表面的多聚糖在藻細胞聚合形成群體上發(fā)揮著重要作用[15,25,26,27,28,29],先前的實驗也證實,微囊藻形成群體后胞外多聚糖含量相對于單細胞而言也確實顯著增加.細胞色素變化也是反映細胞生理狀態(tài)的重要指標,棕鞭毛蟲牧食激發(fā)了銅綠微囊藻細胞的活性增強,也體現(xiàn)在葉綠素含量上.代表細胞大小的FSC指標,實驗期間在棕鞭毛蟲牧食處理組中的銅綠微囊藻細胞大小都低于對照組,在實驗后期還出現(xiàn)了顯著性差異.說明在棕鞭毛蟲的強牧食壓力下,銅綠微囊藻保持較小的個體,與外界環(huán)境的相對接觸面積更大,能更方便快捷地獲得更多資源有利于種群的迅速增殖,這可能也是伴隨著誘發(fā)性群體形成過程中一種生態(tài)對策的調整,既可以使銅綠微囊藻個體免于被食,也會以盡可能快的速率恢復種群增長.本次實驗結果相對于Burkert等的發(fā)現(xiàn)而言,從更深層次地揭示了微囊藻細胞群體形成過程中一些相關內在指標的變化.3.3水華類型和浮游動物的影響從實驗來看,盡管銅綠微囊藻在棕鞭毛蟲的牧食過程中形成了防御性群體,但在棕鞭毛蟲強有力的牧食壓力下種群生物量顯著下降,當然,如果不存在這種誘發(fā)性防御的話,單細胞的銅綠微囊藻可能被消滅殆盡.從這個實驗中,一方面看到了銅綠微囊藻誘發(fā)性群體形成的有效防御,也看到了銅綠微囊藻確實能被棕鞭毛蟲大量消耗,結合其它可攝食微囊藻的鞭毛蟲,這些原生動物具有應用于富營養(yǎng)化水體