蔡逸洵, 溫嘉怡, 鄒定輝

華南理工大學(xué)環(huán)境與能源學(xué)院, 廣東 廣州 5100069

壇紫菜(Pyropia haitanensis)是我國(guó)南方海域最重要的一種栽培海藻種類, 具有極高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和生態(tài)價(jià)值。壇紫菜栽培常采用筏式吊養(yǎng)的方式, 隨著潮汐漲落經(jīng)歷周期性的高潮浸沒和低潮干出兩種生活狀態(tài)。低潮時(shí), 壇紫菜的生活環(huán)境由水生轉(zhuǎn)變?yōu)殛懮? 暴露于空氣中, 處于干出失水狀態(tài), 此時(shí)海藻的生長(zhǎng)勢(shì)必會(huì)面臨許多不利因素如失水、高滲、強(qiáng)光等的脅迫 (Davison et al, 1996)。干出狀態(tài)時(shí), 藻體表面水分逐漸蒸發(fā), 表面鹽度顯著增加, 并可能因此而遭遇高滲脅迫。此外, 浸沒在淡水中的壇紫菜也會(huì)經(jīng)歷低滲的脅迫環(huán)境, 尤其是在夏天多雨的季節(jié)。

由于壇紫菜自身具有粘性和親水性, 干出狀態(tài)下海藻葉狀體表面會(huì)覆蓋一層水膜, 這層水膜因海面高濕度、海浪或葉狀體相互重疊等因素而得到維持。但隨著干出時(shí)間的延長(zhǎng), 水膜厚度會(huì)逐漸變薄, 直至消失, 隨后藻體內(nèi)部細(xì)胞開始失水。葉狀體表面水膜在失水或處于其他外界環(huán)境過程中, 水膜海水的理化性質(zhì)如 pH 值和鹽度也將發(fā)生改變(Mercado et al, 2000; Zou et al, 2004b; Ji et al, 2016)。例如水膜失水變薄可能導(dǎo)致pH 值和鹽度升高; 但如果在低潮干出狀態(tài)下正好遇上下雨, 壇紫菜葉狀體表面水膜的鹽度則被稀釋。

光合作用是潮間帶大型海藻體內(nèi)將光能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能的重要生理過程, 同時(shí)也是應(yīng)對(duì)各種環(huán)境因子(如光、CO2、水分以及溫度等)脅迫的重要機(jī)制(Pfannschmidt, 2003; Br?utigam et al, 2009)。與干出初始狀態(tài)相比, 失水狀態(tài)初期潮間帶海藻表面的輕微脫水通常可增加光合速率, 然而隨著藻體的進(jìn)一步脫水, 光合速率轉(zhuǎn)為下降(Madsen et al, 1990; Pe?a et al, 1999; Sampath-Wiley et al, 2008)。目前, 有關(guān)潮間帶海藻在干出狀態(tài)下的光合氣體交換特性變化已經(jīng)有很多的研究(Hodgson, 1981; Zou et al, 2002; Lü et al, 2011; Wang et al, 2018), 但關(guān)于壇紫菜在干出狀態(tài)下的光合作用光化學(xué)特性還鮮有報(bào)道, 特別是葉狀體表面水膜性質(zhì)對(duì)光合作用的影響是一個(gè)值得探討的問題。利用葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)技術(shù)可以測(cè)定海藻光合作用過程中光系統(tǒng)對(duì)光能的吸收、傳遞、耗散、分配等信息, 進(jìn)而指示藻類光化學(xué)特性的變化(Schreiber, 2004)。因此, 本文通過測(cè)定葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)技術(shù)的相關(guān)指標(biāo)(Fv/Fm、qP、NPQ、ETRm、α), 探討壇紫菜葉狀體表面不同理化性質(zhì)的水膜在失水狀態(tài)下對(duì)藻體光合作用的影響, 從而揭示壇紫菜在栽培生長(zhǎng)過程中的光合特征。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本文實(shí)驗(yàn)材料采自廣東省汕頭市南澳島深澳灣筏式吊養(yǎng)的壇紫菜。將采集的紫菜葉狀體裝在盛有少量海水的塑料袋中, 再置于5℃左右的低溫箱中帶回實(shí)驗(yàn)室。帶回后, 首先將所采集的藻體樣品用滅菌海水反復(fù)沖洗, 去除雜藻和有病害侵襲的藻體及其他附著物后, 暫養(yǎng)在培養(yǎng)箱內(nèi)。實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)箱的溫度為20℃, 光照強(qiáng)度為100μmol·m–2·s–1, 光暗周期比為12h:12h(每天光照時(shí)間為9:00—21:00); 培養(yǎng)液為過濾的自然海水, 每天24h 通氣。暫養(yǎng)2d后的藻體樣品將作為下一步實(shí)驗(yàn)的材料。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 藻體表面水膜理化特性處理

將培養(yǎng)后的健康藻體置于裝有不同pH 值海水(pH 值分別為7.0、8.0、9.0)的錐形瓶?jī)?nèi)浸泡 2h, 其他條件與暫養(yǎng)時(shí)相同。取出浸泡后的藻體, 用吸水紙輕輕擦去表面水珠后平鋪于干燥已滅菌的培養(yǎng)皿中, 于室溫15℃、相對(duì)濕度約70%、光照強(qiáng)度約為20μmol·m–2·s–1的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)自然失水, 每隔1h 測(cè)定壇紫菜的重量和葉綠素?zé)晒庵笖?shù)。每種pH 值處理的藻體重復(fù)3 次熒光指數(shù)測(cè)定。

同理, 將藻體置于裝有不同鹽度海水(鹽度分別為0、25‰、33‰、50‰、75‰、100‰、125‰、150‰)的錐形瓶?jī)?nèi)浸泡2h。取出藻體并擦去水珠后, 進(jìn)行與上述室內(nèi)條件及步驟相同的干出處理和葉綠素?zé)晒庵笖?shù)測(cè)定。每種鹽度處理的藻體重復(fù)3 次熒光指數(shù)測(cè)定。

1.2.2 藻體葉綠素?zé)晒庵笖?shù)測(cè)定及光合參數(shù)計(jì)算

壇紫菜葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)特性采用葉綠素?zé)晒鈨x(Junior-PAM, 德國(guó))測(cè)定。首先對(duì)經(jīng)過上述不同方法處理后的壇紫菜進(jìn)行15min 的暗處理, 打開測(cè)量光(約0.1μmol·m–2·s–1)測(cè)定各樣品的最小熒光值Fo, 然后提供0.6s 約10000μmol·m–2·s–1的飽和脈沖光以測(cè)得該光化光強(qiáng)度下的最大熒光值Fm。之后每隔20s 照射一次飽和脈沖光, 為樣品依次提供0～845μmol·m–2·s–1范圍內(nèi)共9 個(gè)不同梯度的光化光強(qiáng)度, 直到該光化光強(qiáng)度下的最大熒光值F'm達(dá)到穩(wěn)定后, 得到葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)曲線(RLCs)。

各光合參數(shù)計(jì)算公式為: ①藻體的最大光化學(xué)效率Fv/Fm= (Fm-Fo)/Fm, 式中Fo 為最小熒光值, Fm 為最大熒光值; ②相對(duì)電子傳遞速率ETR=Y×PAR×0.5×0.84, 式中Y 是指實(shí)際量子產(chǎn)量, PAR 指光合有效輻射, 0.5 為光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)吸收的光量子所占比例(假設(shè)光系統(tǒng)吸收的光能平均分配于光系統(tǒng)Ⅰ和光系統(tǒng)Ⅱ之間), 0.84 為藻體的吸光系數(shù), 即藻體光合色素吸收光量子的效率(Ralph et al, 2005); ③最大相對(duì)電子傳遞速率(ETRm)通過擬合公式ETR=ETRm×tanh(αI/ETRm )計(jì)算得出(Ralph et al, 2005), 式中α 為快速光響應(yīng)曲線初始斜率, 反映了光合器官對(duì)光能的利用效率, I 為即時(shí)光強(qiáng); ④光化學(xué)淬滅系數(shù) qP=(F'm -Ft)/(F'm–F'o), 式中Ft 為實(shí)時(shí)熒光值; ⑤非光化學(xué)淬滅系數(shù)NPQ=(Fm-F'm)/F'm(Bilger et al,1990)。獲得相關(guān)參數(shù)的光化光強(qiáng)度為95μmol·m–2·s–1(滕飛等, 2016)。

1.2.3 藻體表面水膜厚度和失水率計(jì)算

壇紫菜表面水膜厚度計(jì)算: 不同失水狀態(tài)下的壇紫菜表面水膜厚度變化量Δh(單位: mm)可根據(jù)公式ΔW=ρSΔh 進(jìn)行計(jì)算。公式中, ρ 為海水密度, 取1.025g·cm–3; S 為藻體表面積(單位: cm2); ΔW 為藻體濕重變化量(單位: g)。

藻體表面積S 采用掃描分析法測(cè)定: 取樣后即用相機(jī)拍攝葉片, 同時(shí)用掃描儀掃描藻體以獲得圖像; 利用Photoshop 軟件對(duì)獲得的圖像進(jìn)行分析測(cè)算(姜真杰, 2017)。

藻體水分損失率(Percentage of water loss)的計(jì)算: 按公式WL(%)= (W0-Wt)/(W0-Wd)×100 計(jì)算。式中WL表示失水率(%), W0為初始濕重, Wt為經(jīng)過一段失水時(shí)間后的質(zhì)量; Wd為干重, 即完成水膜理化特性處理及熒光指數(shù)測(cè)定后于80℃烘箱中放置24h 后的質(zhì)量。

1.3 統(tǒng)計(jì)與分析

實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)采用SPSS 20.0 統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計(jì)分析, 并用One-way ANOVA 進(jìn)行差異性分析(以P<0.05 為顯著水平)。繪圖使用的軟件為Origin 8.0。

2 結(jié)果

2.1 壇紫菜表面水膜理化特性對(duì)光化學(xué)特性的影響

2.1.1 不同表面水膜pH 值對(duì)藻體光化學(xué)特性的影響

表面水膜pH 值由7.0 增加到9.0 的過程中, 壇紫菜的最大光化學(xué)效率Fv/Fm 和光化學(xué)淬滅系數(shù)qP 沒有出現(xiàn)顯著性變化(P>0.05)(圖1a、1b); 非光化學(xué)淬滅系數(shù)NPQ 雖有上升趨勢(shì), 但未達(dá)到統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的顯著性影響(P>0.05)。與表面水膜pH 值7.0相比, 表面水膜pH 值為8.0 和9.0 的壇紫菜的NPQ分別升高了19%和35%(圖1c)。

圖1 不同表面水膜pH 值下壇紫菜最大光化學(xué)效率Fv/Fm (a)、光化學(xué)淬滅系數(shù)qP (b)和非光化學(xué)淬滅系數(shù)NPQ (c)的變化 Fig.1 Changes in the maximum quantum yield of Photosystem Ⅱ(a), photochemical quenching (b) and non-photochemical quenching (c) in different pH values of thallus surface water film under dehydration

根據(jù)圖2 顯示, 光能利用效率α 和最大相對(duì)電子傳遞速率ETRm 在壇紫菜表面水膜pH 值增加的情況下均未出現(xiàn)顯著性差異(P>0.05)。其中, α 在表面水膜pH 值從7.0 增加到9.0 的過程中基本保持穩(wěn)定(圖2a); 與正常海水水膜相比, 表面水膜pH 值為9.0 的壇紫菜, 其ETRm 略微下降了13%(圖2b)。

圖2 不同表面水膜pH 值下壇紫菜光能利用率α(a)和最大相對(duì)電子傳遞速率ETRm(b)的變化 Fig.2 Changes in the rapid light curve-derived light use efficiency (a) and maximum relative electron transport rate (b) in different pH values of thallus surface water film

2.1.2 不同表面水膜鹽度對(duì)藻體光化學(xué)特性的影響

由圖3a 可知, 當(dāng)壇紫菜表面水膜鹽度不超過100‰時(shí), Fv/Fm 隨鹽度的變化不明顯(P>0.05); 但當(dāng)鹽度由100‰增加到150‰時(shí), Fv/Fm 顯著降低(P<0.05); 表面水膜鹽度為125‰和150‰的壇紫菜, 其Fv/Fm 分別為0.33±0.07、0.15±0.07, 與水膜鹽度為33‰時(shí)的Fv/Fm 相比, 分別下降了28%和66%。光化學(xué)淬滅系數(shù)qP 和非光化學(xué)淬滅系數(shù)NPQ 均隨著水膜鹽度的增加而逐步降低(P<0.05); 水膜鹽度為150‰的壇紫菜, 其qP 和NPQ 分別是水膜鹽度為33‰時(shí)的67%(圖3b)和16%(圖3c)。

壇紫菜光能利用率α 的變化與Fv/Fm 相似, 在水膜鹽度高于100‰后開始大幅度下降(P<0.05); 水膜鹽度為125‰和150‰的壇紫菜, 其光能利用率α分別為0.069±0.005 和0.039±0.004, 與水膜鹽度為33‰的壇紫菜相比, 分別下降了46%和70%(圖4a)。最大相對(duì)電子傳遞速率ETRm 在水膜鹽度為0～50‰時(shí)無(wú)顯著性差異, 之后隨著鹽度增加而開始顯著降低(P<0.05); 水膜鹽度為150‰的壇紫菜, 其ETRm降至水膜鹽度為33‰時(shí)的40%(圖4b)。

圖3 不同表面水膜鹽度下壇紫菜最大光化學(xué)效率Fv/Fm (a)、光化學(xué)淬滅系數(shù)qP (b)和非光化學(xué)淬滅系數(shù)NPQ (c)的變化 Fig.3 Changes in the maximum quantum yield of Photosystem Ⅱ(a), photochemical quenching (b) and non-photochemical quenching (c) in different salinity of thallus surface water film under dehydration

圖4 不同表面水膜鹽度下壇紫菜光能利用率α(a)和最大相對(duì)電子傳遞速率ETRm(b)的變化 Fig.4 Changes in the rapid light curve-derived light use efficiency (a) and maximum relative electron transport rate (b) in different salinity of thallus surface water film under dehydration

2.2 壇紫菜失水程度對(duì)光化學(xué)特性的影響

壇紫菜干出初期, 表面覆蓋著一層水膜, 隨著失水率的增加, 水膜的厚度近似地呈線性下降(R2=0.94, P=0.02)(圖5)。

圖5 干出狀態(tài)下壇紫菜表面水膜厚度隨失水率的變化 Fig.5 Changes of thallus surface water film thicknesses with percent water loss in Pyropia haitanensis under the emersed state

在表面水膜厚度減少(即失水)的整個(gè)過程中, Fv/Fm 基本保持穩(wěn)定(圖6a)。隨著表面水膜的消失, qP 略有上升(圖6b), NPQ 則在水膜厚度減少一半后開始下降。當(dāng)水膜厚度接近于0 時(shí), 與初始狀態(tài)相比, NPQ 下降了60%(圖6c), 而α 與ETRm 則略有上升趨勢(shì)(圖 7), 但未達(dá)到統(tǒng)計(jì)學(xué)上的顯著水平(P>0.05)。

壇紫菜的干出失水過程可分為兩個(gè)階段: 表面水膜失水階段和藻體內(nèi)部失水階段。由圖8 可知, 在失水初期(失水率約為0～40%), Fv/Fm 基本保持穩(wěn)定(P>0.05); 隨失水率的增加, Fv/Fm 開始逐漸下降(P<0.05); 當(dāng)失水率達(dá)到75%時(shí), 與干出初始狀態(tài)相比, Fv/Fm 下降了38%。在失水率為10%時(shí), qP 與初始狀態(tài)相比略微增加, 但未到達(dá)統(tǒng)計(jì)學(xué)上的顯著水平(P>0.05); 在失水率由20%增加至40%期間, qP 逐漸下降, 之后保持穩(wěn)定。NPQ 則隨著失水率的增加而穩(wěn)步下降, 當(dāng)失水率達(dá)到75%時(shí), 與干出初始狀態(tài)相比, NPQ 下降了69%。

圖6 不同水膜厚度下壇紫菜最大光化學(xué)效率Fv/Fm(a)、光化學(xué)淬滅系數(shù)qP(b)和非光化學(xué)淬滅系數(shù)NPQ(c)的變化 Fig.6 Changes in the maximum quantum yield of Photosystem Ⅱ(a), photochemical quenching (b) and non-photochemical quenching (c) in different thicknesses of thallus surface water film under dehydration

圖7 不同水膜厚度下壇紫菜光能利用率α(a)和最大相對(duì)電子傳遞速率ETRm(b)的變化 Fig.7 Changes in the rapid light curve-derived light use efficiency (a) and maximum relative electron transport rate (b) in different thicknesses of thallus surface water film under dehydration.

根據(jù)圖9 顯示, 在初期的失水狀態(tài)下, 壇紫菜的光能利用率α 變化不顯著(P>0.05), 直到失水率超過60%時(shí)才開始逐漸下降(P<0.05)。當(dāng)失水率達(dá)到75%時(shí), 與干出初始狀態(tài)相比, α 下降了41%(圖9a)。ETRm 在失水率為10%時(shí)與初始狀態(tài)相比略微增加 (P>0.05), 之后隨著失水率的增加呈明顯下降趨勢(shì)(P<0.05); 當(dāng)失水率達(dá)到75%時(shí), 與干出初始狀態(tài)相比, ETRm 下降了43%(圖9b)。

圖8 不同失水率下壇紫菜最大光化學(xué)效率Fv/Fm(a)、光化學(xué)淬滅系數(shù)qP(b)和非光化學(xué)淬滅系數(shù)NPQ(c)的變化 Fig.8 Changes in the maximum quantum yield of Photosystem Ⅱ(a), photochemical quenching (b) and non-photochemical quenching (c) in thallus with increased water loss under dehydration

圖9 不同失水率下壇紫菜光能利用率α(a)和最大相對(duì)電子傳遞速率ETRm(b)的變化 Fig.9 Changes in the rapid light curve-derived light use efficiency (a) and maximum relative electron transport rate (b) in thallus with increased water loss under dehydration

3 討論與結(jié)論

植物發(fā)出的葉綠素?zé)晒庑盘?hào)包含著豐富的光合信息, 這個(gè)特性非常容易受到外界環(huán)境條件的影響, 所以對(duì)熒光信號(hào)進(jìn)行探測(cè)被認(rèn)為是快速、靈敏和無(wú)損傷的研究植物光合作用的理想方式。壇紫菜由于其獨(dú)特的潮間帶生長(zhǎng)環(huán)境, 經(jīng)歷著周期性的高低潮變化, 通過對(duì)環(huán)境的長(zhǎng)期適應(yīng)后, 藻體內(nèi)已形成了各種響應(yīng)機(jī)制來(lái)應(yīng)對(duì)不同環(huán)境的變化, 包括對(duì)二氧化碳和光能的利用, 并形成相應(yīng)的耐受性。

3.1 表面水膜pH 值對(duì)光合活性的影響

上述不同pH 值的藻體光化學(xué)特性測(cè)試結(jié)果表明, 干出初始狀態(tài)下, 壇紫菜表面水膜pH 值變化并不會(huì)影響其光合活性。當(dāng)葉狀體表面水膜由中性變成堿性時(shí), 光化學(xué)淬滅系數(shù)qP 和非光化學(xué)淬滅系數(shù)NPQ 略有上升(P>0.05), 其中NPQ 增加幅度較大; 光能利用效率α、最大光化學(xué)效率Fv/Fm 和最大相對(duì)電子傳遞速率ETRm 則保持穩(wěn)定。干出狀態(tài)下, 葉狀體表面水膜中的高pH 值可促進(jìn)空氣中CO2在水膜上的溶解并轉(zhuǎn)化為HCO3–, 提高藻體對(duì)CO2的吸收率(Haglund et al, 1992; Mercado et al, 2000; Zou et al, 2002; Zou and Gao, 2004a)。但藻體可能偏向于將光能分配于熱耗散, 所以即使CO2吸收能力增加, 光合活性并沒有隨著表面水膜堿性的增加而有所提高。沉水狀態(tài)下, 高pH 值的海水條件使得壇紫菜的光合作用和光保護(hù)活性受到抑制(Jiang et al, 2018), 這與干出狀態(tài)所得結(jié)果不同, 說(shuō)明不同環(huán)境狀態(tài)下海水pH 值的變化對(duì)海藻的影響不同(Middelboe et al, 2007; Britton et al, 2016)。

3.2 表面水膜鹽度對(duì)光合活性的影響

利用筏式吊養(yǎng)法進(jìn)行人工栽培或是自然生長(zhǎng)于潮間帶的壇紫菜, 在低潮干出條件下, 藻葉狀體表面水分逐漸蒸發(fā), 甚至析出白色鹽分, 表明鹽度急劇升高, 藻體遭受高鹽的滲透沖擊; 若遇大雨, 則可能遭遇低鹽脅迫。因此, 藻類通常可以通過合成或者運(yùn)輸有機(jī)滲透壓調(diào)節(jié)物質(zhì)(如多酚、脯氨酸和光合色素, 以及Na+/K+比等)來(lái)維持細(xì)胞內(nèi)的水分和離子平衡, 以應(yīng)對(duì)外界的鹽度變化。

本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 干出初始狀態(tài)下壇紫菜葉狀體表面水膜鹽度的改變會(huì)對(duì)其光合活性產(chǎn)生一定的影響。在葉狀體表面水膜鹽度低于75‰時(shí), 壇紫菜能維持正常的光合作用, 但表面水膜鹽度超過75‰后, 它的光合活性開始顯著下降, 體現(xiàn)為Fv/Fm、ETRm 和α 的下降; 同時(shí), qP 和NPQ 隨著表面水膜鹽度的降低而下降的結(jié)果也表明藻體的熱耗散和光能利用能力受到了影響。相較于正常海水鹽度的水膜, 極高鹽度的水膜對(duì)海藻光合作用的負(fù)面影響更大。這可能是由于極高鹽度的海水水膜嚴(yán)重影響藻體的滲透壓(Wang et al, 2019), 同時(shí)阻斷QA到QB的電子傳遞, 形成較多的QB非還原性PSⅡ反應(yīng)中心, 導(dǎo)致PSⅡ反應(yīng)中心的放氧活性降低(Endo et al, 1995; Xia et al, 2004; Gong et al, 2008)。

3.3 表面水膜厚度及干出失水對(duì)光合活性的影響

由于海藻不像陸生高等植物那樣具有可減小水分損失的氣孔或蠟質(zhì)角質(zhì)層, 因此在干出狀態(tài)下會(huì)出現(xiàn)失水的情況, 即水分從藻體表面水膜或細(xì)胞內(nèi)散發(fā)到大氣中(Kawamitsu et al, 2000)。隨著裸露時(shí)間的增加, 失水程度會(huì)不斷加劇。本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 在干出輕微脫水狀態(tài)(失水率低于40%)下, 壇紫菜的光合活性幾乎不受影響, 這可能是由于輕微的脫水只涉及到藻體表面的水膜損失; 但隨著失水的加劇, 脫水作用發(fā)生在藻體細(xì)胞內(nèi), 壇紫菜的光合活性受到了顯著影響。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果與其他的潮間帶海藻干出研究結(jié)果相似(Hodgson, 1981; Johnston et al, 1986; Lü et al, 2011; Wang et al, 2018)。輕微干出脫水階段(失水率低于40%)為藻體表面水膜的失水階段, 此時(shí)α 和ETRm 略有上升(P>0.05), 這可能是失水初始階段較厚的表面水膜阻止了對(duì)大氣中CO2的直接吸收利用; 而水膜變薄后則有利于空氣中的CO2進(jìn)入細(xì)胞, 提高PSⅡ的電子傳遞, 同時(shí)由于熱耗散能力減弱, 光能更多地被分配于光合作用。適度的干出狀態(tài)下, 壇紫菜葉狀體表面水分的損失使得CO2擴(kuò)散障礙減小, 提高了光合活性; 但是隨著失水程度增加, 光合活性降低(Mercado et al, 2000; Zou et al, 2002)。紅毛菜(Bangia fuscopurpurea)對(duì)干出的響應(yīng)與壇紫菜相似, 隨著干出時(shí)間的增加, 藻體的Fv/Fm和qP 先保持平穩(wěn)后逐漸下降(Wang et al, 2018)。兩者不同的是, 隨著失水程度的增加, 紅毛菜的NPQ 有所上升, 而壇紫菜的NPQ 卻逐漸下降, 這表明壇紫菜的光保護(hù)能力對(duì)體內(nèi)含水量更敏感。

壇紫菜各項(xiàng)熒光參數(shù)(Fv/Fm、qP、NPQ、ETRm和α)隨表面水膜厚度減薄和體內(nèi)細(xì)胞失水而顯著下降的情況表明PSⅡ反應(yīng)中心受到了脅迫, 對(duì)光能的 利用和分配能力產(chǎn)生作用, 從而影響壇紫菜在空氣中的光合活性(張忠山 等, 2018)。當(dāng)藻體嚴(yán)重失水時(shí), 藻體細(xì)胞的內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生明顯變化, 如細(xì)胞體積縮小和細(xì)胞壁增厚。細(xì)胞體積縮小可能是由于藻體自身含水量減少, 細(xì)胞壁增厚則是為了阻止藻體質(zhì)膜的進(jìn)一步外滲。嚴(yán)重失水可能還會(huì)導(dǎo)致藻體內(nèi)部的部分細(xì)胞損壞失活, 引起藻體內(nèi)酶活性下降以及電子在PSⅠ與PSⅡ間的傳遞, 進(jìn)而影響光合能力(錢飛箭, 2014)。當(dāng)藻體對(duì)光的收集和能量的利用與耗散不平衡時(shí), 還會(huì)產(chǎn)生有毒的自由基, 造成氧化損傷。NPQ 下降的結(jié)果也表明, 隨著失水的加劇, 藻體自身熱耗散能力受到了影響, 無(wú)法消耗多余的光能, 從而引起藻體光損傷。

3.4 結(jié)論

綜上所述, 干出初始狀態(tài)下壇紫菜表面水膜pH值的改變不會(huì)影響其光合活性, 而高鹽度表面水膜則會(huì)降低壇紫菜的光合活性。藻體的干出失水過程存在兩個(gè)階段, 初始階段為藻體表面水膜厚度減薄階段, 此時(shí)壇紫菜能維持正常的光合作用, 但隨著失水的加劇, 光合活性受到影響。Fv/Fm 揭示了植物體對(duì)其生境光強(qiáng)密度長(zhǎng)期適應(yīng)的機(jī)制, 在極度脅迫時(shí)才會(huì)發(fā)生變化。本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果也印證了這一點(diǎn), 即壇紫菜在干出狀態(tài)下對(duì)表面水膜特性的變化有較高的耐受性, 只有在極度脅迫下光合活性才會(huì)受到影響, 這也是其在經(jīng)歷長(zhǎng)期干出后所形成的適應(yīng)機(jī)制。

壇紫菜作為極具經(jīng)濟(jì)價(jià)值的大型海藻, 對(duì)潮間帶的碳循環(huán)以及沿岸的生態(tài)環(huán)境均起著很大的作用, 因而也具有重要的生態(tài)意義。本文通過研究壇紫菜干出水膜特性及短期失水效應(yīng)對(duì)其光合作用光化學(xué)特性的影響, 以了解潮間帶海藻耐受干出脫水的保護(hù)和適應(yīng)機(jī)制。但是, 對(duì)于藻體表面水膜在干出狀態(tài)下所起的作用仍值得深入探討, 下一步我們將探究不同水膜鹽度或pH 值的壇紫菜隨著干出時(shí)間的加劇, 其光合性能以及相關(guān)生化指標(biāo)的變化, 從而增進(jìn)對(duì)壇紫菜栽培生理生態(tài)學(xué)的認(rèn)識(shí)。