李思萱 馮思特 杜念臻 李 鋰

（中國(guó)人民大學(xué)附屬中學(xué) 北京 100080）

光照周期是指一日之內(nèi)光照時(shí)間長(zhǎng)短的相對(duì)變化，即有光照時(shí)間/無光照時(shí)間（L/D）。生物生長(zhǎng)具有其所需的最低和最適光照周期，是生物在長(zhǎng)期進(jìn)化過程中形成的對(duì)其生活環(huán)境的適應(yīng)［1］。光照周期能影響水生動(dòng)物的生長(zhǎng)發(fā)育、繁殖等。例如連續(xù)24 h光照促進(jìn)福壽螺（Pomacea canaliculata）的體重增長(zhǎng)，完全黑暗嚴(yán)重抑制福壽螺的生長(zhǎng)發(fā)育，降低其繁殖能力［2］。 光照周期對(duì)海蜇（Rhopilema esculenta）足囊萌發(fā)有顯著影響，黑暗組較自然光組的萌發(fā)率平均高7.18%［3］。

大草履蟲（Paramecium caudatum）為原生生物界單細(xì)胞動(dòng)物，對(duì)其細(xì)胞形態(tài)、結(jié)構(gòu)、消化、呼吸及生殖已有較詳細(xì)的研究。目前有大量關(guān)于光照強(qiáng)度、波長(zhǎng)等對(duì)原生動(dòng)物種群的影響研究，而關(guān)于光照周期對(duì)原生動(dòng)物種群影響方面的研究較少。

本文研究了不同光照周期對(duì)大草履蟲在有限培養(yǎng)條件和食物充足條件下的種群變化的影響。

1 材料和方法

1.1 材料 實(shí)驗(yàn)用大草履蟲于本實(shí)驗(yàn)室保種獲得。

1.2 單克隆培養(yǎng)方法 采樣后，體視鏡下隨機(jī)挑取單個(gè)個(gè)體，于（25±1）℃自然光照條件下培養(yǎng)。在顯微鏡下，用10μL微量移液器隨機(jī)挑出單個(gè)個(gè)體于24孔板培養(yǎng)3 d后，移入250 mL錐形瓶繼續(xù)培養(yǎng)為草履蟲母液。

1.3 計(jì)數(shù)方法 取100μL培養(yǎng)液至比色板，滴加2～3滴魯哥氏液染色，在體視鏡下用計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。

1.4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 各組大草履蟲種群均在溫度設(shè)置為25℃，光照周期分別設(shè)置為24L/0D、0L/24D、12L/12D和6L/18D，于4臺(tái)恒溫光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。照度計(jì)測(cè)得培養(yǎng)箱內(nèi)無照明條件下光照強(qiáng)度為0 lx，打開光源時(shí)光照強(qiáng)度為4 800 lx。先后在限制性培養(yǎng)條件和食物充足的條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

限制性培養(yǎng)條件下的實(shí)驗(yàn)使用稻草汁培養(yǎng)液［4］。選取保種的草履蟲種群進(jìn)行接種，初始種群密度為10 ind./mL。每組光周期4個(gè)平行，在錐形瓶中進(jìn)行培養(yǎng)，培養(yǎng)液200 mL，連續(xù)培養(yǎng)9 d，期間不更新或補(bǔ)充培養(yǎng)液。每24 h計(jì)數(shù)一次。

食物充足條件下的實(shí)驗(yàn)使用酵母培養(yǎng)液［5］。選取單克隆培養(yǎng)后的草履蟲種群進(jìn)行接種，初始種群密度為10 ind./mL。每組光周期6個(gè)平行，在6孔板中進(jìn)行培養(yǎng)，培養(yǎng)液為7 mL。每72 h向體系中添加1.5 mL培養(yǎng)液，連續(xù)培養(yǎng)14 d。每24 h計(jì)數(shù)一次。

1.5 相關(guān)參數(shù)的定義和計(jì)算方法

種群增長(zhǎng)率：r=（lnNt－lnN0）/t，N0為起始種群密度；Nt為實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到t天時(shí)的種群密度。從種群的指數(shù)增長(zhǎng)期選取4～6個(gè)數(shù)據(jù)計(jì)算種群增長(zhǎng)率。

環(huán)境容納量：環(huán)境條件允許的種群數(shù)量最大值為等時(shí)間距離的3個(gè)觀察值。

1.6 數(shù)據(jù)分析及計(jì)算 數(shù)據(jù)用 Excel 2010進(jìn)行計(jì)算、作圖。使用 SPSS 16.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，在統(tǒng)計(jì)分析前進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)。經(jīng)檢驗(yàn)，數(shù)據(jù)均為正態(tài)分布。采用單因素方差分析、LSD和Tamhane′s T2多重比較檢驗(yàn)光照周期對(duì)限制性培養(yǎng)條件下大草履蟲種群的影響。采用Pearson Correlation對(duì)光照時(shí)間與限制性培養(yǎng)條件下大草履蟲種群參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析。所有描述性統(tǒng)計(jì)值采用Mean±SD表示，顯著性水平為α=0.05。

2 結(jié)果

2.1 光照周期對(duì)大草履蟲種群在有限培養(yǎng)環(huán)境中種群變化的影響 如圖1，各光照周期條件下，大草履蟲種群均能從較小的密度開始增長(zhǎng)，在種群增長(zhǎng)過程中，各光照周期組大草履蟲種群增長(zhǎng)期的曲線均具有S形特點(diǎn)。其中，種群密度的最大值出現(xiàn)在0L/24D 組第 5 天，為（610.42±49.43）ind./mL（圖1b）。0L/24D組的種群飽和期持續(xù)時(shí)間最短為（1.75±0.96）d， 種群密度波動(dòng)范圍最廣；6L/18D組、12L/12D組及24L/0D組的種群峰值期持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，分別為（2.50±0.58）d，（3.00±0.00）d 和（3.25±0.50）d，但各組種群密度波動(dòng)范圍相對(duì)較窄。在種群衰落過程中，12L/12D組最早進(jìn)入衰落期，衰落歷時(shí)（5.25±0.50）d；24L/0D 組最晚進(jìn)入衰落期，歷時(shí)（7.00±0.82）d。24L/0D 組與 12L/12D 組種群變化曲線形態(tài)近似。

圖1 光照周期對(duì)大草履蟲在有限培養(yǎng)環(huán)境中種群變化的影響

單因素方差分析表明，在有限培養(yǎng)環(huán)境中，光照周期對(duì)大草履蟲種群增長(zhǎng)率無顯著影響(P＞0.05)，但對(duì)環(huán)境容納量有極顯著的影響（P＜0.01）(表 1)。多重比較顯示，12L/12D組種群增長(zhǎng)率顯著低于6L/18D組及 0L/24D 組（P＜0.05）；0L/24D 組種群環(huán)境容納量極顯著高于其他3組（P＜0.01），而12L/12D組種群環(huán)境容納量則極顯著低于其他3組（P＜0.01），6L/18D組和24L/0D組間無顯著的差異（P＞0.05）。

表1 有限培養(yǎng)環(huán)境中光照周期對(duì)大草履蟲種群增長(zhǎng)率和最大環(huán)境容納量的影響

Pearson相關(guān)性分析（表2）表明，在有限培養(yǎng)環(huán)境條件中，光照時(shí)間與種群增長(zhǎng)率之間不相關(guān)（P＞0.05），而光照時(shí)間與最大環(huán)境容納量之間存在中度負(fù)相關(guān)關(guān)系（r=－0.626）。

表2 有限培養(yǎng)環(huán)境中光照時(shí)間對(duì)大草履蟲種群參數(shù)的相關(guān)性分析

2.2 光照周期對(duì)大草履蟲種群在食物充足環(huán)境中種群增長(zhǎng)的影響

如圖2，在各光照周期條件下，大草履蟲種群均能從較小的密度開始增長(zhǎng)，且光照周期對(duì)大草履蟲種群增長(zhǎng)依然有明顯的影響。圖中可以直觀地看出4組種群增長(zhǎng)曲線具有較為明顯的差異，其中0L/24D組種群增長(zhǎng)最快；24L/0D組種群增長(zhǎng)最慢，且與12L/12D組間沒有明顯的相似性，這與在有限培養(yǎng)環(huán)境中的結(jié)果不一致。特別地，0L/24D組種群數(shù)量波動(dòng)較明顯，這可能與代謝產(chǎn)物的積累導(dǎo)致了培養(yǎng)液pH的變化有關(guān)。

圖2 光照周期對(duì)大草履蟲在食物充足的環(huán)境中種群增長(zhǎng)的影響

3 討論

3.1 光照周期對(duì)大草履蟲種群變化的影響 本研究中，在有限培養(yǎng)環(huán)境中，大草履蟲種群在全暗時(shí)增長(zhǎng)速率最快，環(huán)境容納量最高，說明此時(shí)黑暗對(duì)大草履蟲的種群增長(zhǎng)具有促進(jìn)作用。推測(cè)原因：無光促進(jìn)了稻草汁培養(yǎng)液中枯草芽孢桿菌等細(xì)菌的生長(zhǎng)，使大草履蟲的食物資源更豐富，種群增長(zhǎng)更為迅速。同時(shí)發(fā)現(xiàn)在食物充足的條件下，全暗組的大草履蟲種群在前期增長(zhǎng)最快，而全光組的大草履蟲種群在前期增長(zhǎng)最慢。推測(cè)光照也會(huì)影響草履蟲的生長(zhǎng)和繁殖。

研究表明，光照周期對(duì)不同水生動(dòng)物的影響不同。例如刺參在半黑暗半光照的條件下生長(zhǎng)最快，在全黑暗的條件下生長(zhǎng)最慢且幼體死亡率最高，這可能與光能夠?qū)λ鷦?dòng)物的晝夜活動(dòng)節(jié)律、遷移和集群行為產(chǎn)生影響有關(guān)［6］?？s短光照對(duì)四眼斑水龜（Sacalia quadriocellata）雌性繁殖有促進(jìn)作用，而延長(zhǎng)光照對(duì)雄性發(fā)情強(qiáng)度在特定階段具有一定促進(jìn)作用［7］。光照能夠促進(jìn)褶皺臂尾輪蟲種群增殖，原因可能是光照使藻類光合旺盛釋放充足氧氣并為輪蟲提供充足食物［8］。

草履蟲具有正趨光性［9］，可能具有感光分子?？雇艿囊暰W(wǎng)膜紫質(zhì)抗體成功與草履蟲蛋白結(jié)合，說明草履蟲可能存在高等動(dòng)物的類視紫紅質(zhì)的類似物［10］。用光刺激能使草履蟲細(xì)胞膜產(chǎn)生極化與去極化，推測(cè)草履蟲具有感光分子［11］。黃光和白光能誘導(dǎo)草履蟲rhodopsin—like基因表達(dá)，從而推斷單細(xì)胞動(dòng)物草履蟲可能存在與高等脊椎動(dòng)物視網(wǎng)膜的視敏蛋白相似的感光分子［12］。由此可以推測(cè)，是這些感光分子的存在使得大草履蟲能夠感受光照周期的變化，并對(duì)不同的光照周期作出反應(yīng)，進(jìn)而使得不同光照周期下大草履蟲種群產(chǎn)生不同的變化方式。這與本研究發(fā)現(xiàn)，無論在有限培養(yǎng)環(huán)境中還是在食物充足條件下，光照周期對(duì)草履蟲種群的變化具有明顯的影響是一致的。

3.2 光照對(duì)大草履蟲繁殖方式的影響 研究過程中發(fā)現(xiàn)，在限制性培養(yǎng)條件下，0L/24D組大草履蟲種群出現(xiàn)有性生殖現(xiàn)象的概率遠(yuǎn)高于其他3組，說明黑暗可能促進(jìn)了大草履蟲種群的有性生殖。初步推斷這種生殖方式的大量出現(xiàn)是受到全暗的光周期刺激引起的。研究表明，光照可以影響草履蟲的生殖方式。例如1 min激光輻射能使草履蟲有性生殖的幾率增加，推測(cè)原因是小劑量的激光輻射對(duì)草履蟲產(chǎn)生了熱效應(yīng)和光效應(yīng)，使蟲體內(nèi)核酸和蛋白質(zhì)合成速度加快，促進(jìn)了草履蟲的有性生殖，從而使草履蟲的繁殖總數(shù)增多［13］。

有研究表明，同一無性系下的草履蟲在未遇到其互補(bǔ)接合型的蟲體時(shí)，不會(huì)發(fā)生有性生殖［14］。因此猜測(cè)，在食物充足的條件下，光照周期可能影響了大草履蟲種群的分裂速度。這種猜測(cè)需要后續(xù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

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