袁艷敏,劉福利,2,梁洲瑞,2,王 瀟,3
(1.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院 黃海水產(chǎn)研究所,農(nóng)業(yè)農(nóng)村部海洋漁業(yè)資源可持續(xù)利用重點(diǎn)開放試驗(yàn)室,青島 266071;2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家試驗(yàn)室,海洋漁業(yè)科學(xué)與食物產(chǎn)出過程功能試驗(yàn)室,青島 266000;3.上海海洋大學(xué) 水產(chǎn)與生命學(xué)院,上海 201306)
近年來,海水富營養(yǎng)化和重金屬污染問題日益嚴(yán)重,對(duì)海水養(yǎng)殖業(yè)和人類健康造成極大威脅。海藻是海洋生態(tài)系統(tǒng)的初級(jí)生產(chǎn)者,利用海藻的吸收、富集和降解作用可以去除污水中的營養(yǎng)物質(zhì)、重金屬和有機(jī)毒物,具有顯著的生態(tài)環(huán)境改善效果[1]。極北海帶(Laminariahyperborea)耐低光能力極強(qiáng),其光補(bǔ)償點(diǎn)可低至4.6 μmol/(m2·s)[2],適于在較深的水域生長。當(dāng)前我國正在積極推進(jìn)海洋牧場(chǎng)建設(shè),海藻場(chǎng)是決定海洋牧場(chǎng)效益的關(guān)鍵組成因素。由于我國近海海水透明度普遍較低,投放的人工魚礁水層較深,因光照限制很難增殖起規(guī)?;摹昂T迳帧保鴺O北海帶擁有“個(gè)體大、多年生、耐低光”三大特征,可作為我國構(gòu)建海藻場(chǎng)的優(yōu)良藻種。
氮、磷營養(yǎng)鹽在大型海藻生長和發(fā)育過程中扮演著重要角色。研究發(fā)現(xiàn),水體中缺乏氮、磷營養(yǎng)鹽時(shí)可嚴(yán)重影響海帶(Saccharinajaponica)配子體的形成時(shí)間和雌雄分化,在添加氮、磷營養(yǎng)鹽的人工海水中胚孢子大部分能正常形成配子體,且氮、磷的配比對(duì)海帶的發(fā)育也有一定影響[3]。孫菊燕[4]研究發(fā)現(xiàn),在過高和過低氮、磷劑量下細(xì)基江蘺(Gracilariatenuistipitata)藻體內(nèi)藻紅素、葉綠素a、蛋白質(zhì)含量降低,生長速率明顯減慢。硝態(tài)氮質(zhì)量濃度的增加可使龍須菜(Gracilariopsislemaneiformis)藻體的色素和可溶性蛋白含量及營養(yǎng)鹽吸收速率均顯著提高,即在海水富營養(yǎng)化條件下,龍須菜的生長、生化成分和營養(yǎng)鹽的吸收都會(huì)受到影響[5]。
海藻的分布、生長、發(fā)育和繁殖等生命過程均會(huì)受到溫度、光照、營養(yǎng)鹽等環(huán)境因子的影響,尤其是海藻幼苗對(duì)各種環(huán)境因子變化相對(duì)敏感,探究幼苗生長發(fā)育的最適環(huán)境條件,對(duì)開展海藻的栽培意義重大。極北海帶幼苗在早期對(duì)環(huán)境條件(溫度、光照、營養(yǎng)鹽)的需求和響應(yīng)的研究較少,目前尚未見硝態(tài)氮對(duì)極北海帶幼苗生長、生理生化影響的報(bào)道。筆者以配子體克隆培育的極北海帶幼苗為試驗(yàn)對(duì)象,通過分析氮營養(yǎng)鹽的不同水平對(duì)極北海帶生長和生化特性的影響,研究適宜幼苗生長的最優(yōu)營養(yǎng)鹽條件,以期為極北海帶苗種生產(chǎn)、人工養(yǎng)殖及海藻場(chǎng)建設(shè)提供理論參考。
試驗(yàn)用極北海帶配子體來源于法國布列塔尼半島海區(qū),其幼苗通過配子體克隆技術(shù)培育約2個(gè)月獲得。幼苗培養(yǎng)條件為:溫度13 ℃,光合有效輻射為40~50 μmol/(m2·s),光周期12L∶12D,天然海水經(jīng)過濾、高壓滅菌冷卻后添加營養(yǎng)鹽(PO43--P:0.4 mg/L,NO3--N:4 mg/L)作為培養(yǎng)液。
選取藻體長度為3~5 cm、無褶皺損傷、無病害的健康幼苗作為試驗(yàn)材料。NO3--N質(zhì)量濃度梯度為0、0.5、2、4、6、8、10 mg/L,PO43--P:0.4 mg/L。其他培養(yǎng)條件:溫度9 ℃,光合有效輻射40 μmol/(m2·s),光周期12L∶12D。每個(gè)處理組至少3個(gè)平行。
1.2.1 不同氮營養(yǎng)鹽質(zhì)量濃度下極北海帶幼苗相對(duì)生長速率的測(cè)定
挑選健康的極北海帶幼苗,稱量藻體鮮質(zhì)量,各氮營養(yǎng)鹽質(zhì)量濃度處理組平均體長為(3.0±0.1)~(5.0±0.1) cm、平均鮮質(zhì)量為(1.0±0.05) g。每隔3 d換水一次,10 d后稱量鮮質(zhì)量,相對(duì)生長速率(RRG)按下式計(jì)算:
RRG=[ln (mt/m0)/t]×100%
式中,m0為初始藻體的鮮質(zhì)量(g),mt為試驗(yàn)結(jié)束時(shí)藻體的鮮質(zhì)量(g),t為試驗(yàn)持續(xù)的時(shí)間(d)。
1.2.2 生化指標(biāo)的測(cè)定
極北海帶藻體鮮質(zhì)量測(cè)定結(jié)束后,立刻用液氮將不同處理組的極北海帶幼苗速凍并儲(chǔ)存在超低溫冰箱中。本試驗(yàn)測(cè)定的生化指標(biāo)包括:色素(葉綠素a和類胡蘿卜素)、可溶性蛋白質(zhì)、超氧化物歧化酶、過氧化物酶、過氧化氫酶、丙二醛、超氧陰離子。
根據(jù)文獻(xiàn)[6-7]中的方法,測(cè)定葉綠素a和類胡蘿卜素的含量,其他指標(biāo)的測(cè)定均采用酶聯(lián)免疫吸附分析法。酶聯(lián)免疫分析檢測(cè)試劑盒購自上海酶聯(lián)生物科技有限公司,嚴(yán)格按照試劑盒說明書進(jìn)行各個(gè)指標(biāo)的測(cè)定。超氧化物歧化酶、過氧化物酶和過氧化氫酶的活性單位以U/mg表示[8]。
采用SPSS 18.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行單因素方差分析、Duncan多重比較及Pearson相關(guān)性分析(P<0.05為差異顯著),用Excel軟件繪制圖形。
氮營養(yǎng)鹽水平對(duì)極北海帶相對(duì)生長速率有顯著影響(圖1)。2~8 mg/L是極北海帶生長的適宜氮質(zhì)量濃度,相對(duì)生長速率顯著高于其他氮質(zhì)量濃度,分別為8.50%/d~9.48%/d,該質(zhì)量濃度范圍內(nèi)的相對(duì)生長速率無顯著差異。氮質(zhì)量濃度為0.5、10 mg/L時(shí),極北海帶相對(duì)生長速率分別為5.87%/d、4.75%/d,顯著低于最適宜質(zhì)量濃度,但顯著高于氮質(zhì)量濃度0 mg/L(相對(duì)生長速率為3.54%/d),說明過高或過低的氮質(zhì)量濃度均會(huì)限制極北海帶的相對(duì)生長速率。試驗(yàn)周期內(nèi),在不同氮質(zhì)量濃度下極北海帶藻體顏色和形態(tài)無顯著變化。
圖1 不同氮質(zhì)量濃度下處理10 d后極北海帶幼苗的相對(duì)生長速率Fig.1 The relative growth rates of young kelp L.hyperborea seedlings exposed to different nitrate nitrogen concentration for 10 days柱狀圖上的不同字母表示在0.05水平具有顯著性差異(P<0.05),下同.The means different letters on the histogram are significant difference at the level of 0.05 (P<0.05),et sequentia.
方差分析結(jié)果表明,氮質(zhì)量濃度的變化對(duì)極北海帶幼苗的丙二醛含量有顯著影響。培養(yǎng)液中氮質(zhì)量濃度為0和0.5 mg/L時(shí),極北海帶幼苗丙二醛含量較高,顯著高于氮質(zhì)量濃度2~10 mg/L。氮質(zhì)量濃度為8 mg/L時(shí),丙二醛含量最低,其他各組間均無顯著差異(圖2)。Pearson相關(guān)性分析表明,丙二醛含量與相對(duì)生長速率呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。
圖2 極北海帶幼苗在不同氮質(zhì)量濃度下的丙二醛含量Fig.2 MDA content of young kelp L.hyperborea seedlings exposed to different nitrate nitrogen concentrations
氮質(zhì)量濃度變化對(duì)極北海帶幼苗的超氧陰離子含量有顯著影響。氮質(zhì)量濃度在4~10 mg/L時(shí),超氧陰離子含量無顯著性差異且含量較低,而在低氮質(zhì)量濃度(0~0.5 mg/L)下,超氧陰離子含量顯著升高(圖3)。Pearson相關(guān)性分析表明,超氧陰離子含量與丙二醛含量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),說明超氧陰離子的積累,引起細(xì)胞膜脂質(zhì)過氧化,進(jìn)而導(dǎo)致丙二醛含量上升。
圖3 極北海帶幼苗在不同氮質(zhì)量濃度下的超氧陰離子含量Fig.3 Superoxide anion content of young kelp L.hyperborea seedlings exposed to different nitrate nitrogen concentration
極北海帶幼苗可溶性蛋白含量隨著氮質(zhì)量濃度的增加呈升高趨勢(shì)??扇苄缘鞍缀孔罡咧滴挥诘|(zhì)量濃度為6、8 mg/L時(shí),分別為14.63、14.57 mg/g,均高于氮質(zhì)量濃度為4、10 mg/L時(shí)的含量,但無顯著性差異。0~2 mg/L氮質(zhì)量濃度組的可溶性蛋白含量顯著低于氮質(zhì)量濃度為4~10 mg/L組,且可溶性蛋白含量隨著氮質(zhì)量濃度的增加顯著升高(圖4)。Pearson相關(guān)性分析表明,可溶性蛋白含量與相對(duì)生長速率呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。
圖4 極北海帶幼苗在不同氮質(zhì)量濃度下的可溶性蛋白含量Fig.4 Soluble protein content of young kelp L.hyperborea seedlings exposed to different nitrate nitrogen concentration
氮質(zhì)量濃度變化對(duì)極北海帶幼苗超氧化物歧化酶、過氧化物酶和過氧化氫酶活性均有顯著影響,即適宜的氮質(zhì)量濃度下活性低,高氮或低氮質(zhì)量濃度下活性高。氮質(zhì)量濃度為6 mg/L時(shí)極北海帶幼苗超氧化物歧化酶活性最低,顯著低于氮質(zhì)量濃度0、0.5、8、10 mg/L,與氮質(zhì)量濃度為2、4 mg/L時(shí)無顯著差異。氮質(zhì)量濃度為10 mg/L時(shí)超氧化物歧化酶活性顯著高于0.5、2、4 mg/L。氮質(zhì)量濃度為6 mg/L時(shí)極北海帶幼苗的過氧化物酶活性最低,顯著低于氮質(zhì)量濃度0、0.5、10 mg/L。氮質(zhì)量濃度為0 mg/L時(shí)過氧化物酶活性最高,顯著高于其他各組。氮質(zhì)量濃度為10 mg/L時(shí)過氧化物酶活性顯著高于0.5 mg/L,其他各組間過氧化物酶活性無顯著性差異。極北海帶幼苗的過氧化氫酶活性在氮質(zhì)量濃度為2、4、6、8 mg/L時(shí)均較低,其中,氮質(zhì)量濃度為4、6、8 mg/L時(shí)極北海帶幼苗過氧化氫酶活性顯著低于氮質(zhì)量濃度0、0.5、10 mg/L。氮質(zhì)量濃度為2 mg/L時(shí)顯著低于10 mg/L,其他各組間無顯著性差異(圖5)。Pearson相關(guān)性分析表明,過氧化物酶與超氧化物歧化酶、過氧化氫酶均呈顯著性正相關(guān)(P<0.05),說明三者對(duì)氮質(zhì)量濃度的變化具有相似的響應(yīng)趨勢(shì)。
圖5 極北海帶幼苗在不同氮質(zhì)量濃度下的超氧化物歧化酶、過氧化物酶、過氧化氫酶活性Fig.5 Specific activities of SOD,POD and CAT of young kelp L.hyperborea seedlings exposed to different nitrate nitrogen concentrations柱狀圖上的字母下標(biāo)為相同數(shù)字的作為同一組,進(jìn)行多重比較,同一組的不同字母表示在P<0.05水平具有顯著性差異,下同.The letters with the same number subscript on the histogram indicate the same group,and the different letters in the same group show significant difference at the level of P<0.05,et sequentia.
氮質(zhì)量濃度對(duì)極北海帶幼苗葉綠素a和類胡蘿卜素含量有顯著的影響。極北海帶幼苗葉綠素a的含量隨氮質(zhì)量濃度的增加呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì),氮質(zhì)量濃度為4、6 mg/L時(shí)極北海帶葉綠素a含量無顯著性差異,均顯著高于其他質(zhì)量濃度組。氮質(zhì)量濃度為10 mg/L時(shí)極北海帶葉綠素a含量最低,顯著低于2~8 mg/L質(zhì)量濃度組,其他各組間無顯著性差異。極北海帶幼苗類胡蘿卜素含量在氮質(zhì)量濃度為4 mg/L時(shí)最高,顯著高于0、10 mg/L組,極北海帶幼苗類胡蘿卜素含量在氮質(zhì)量濃度10 mg/L時(shí)最低,顯著低于除對(duì)照外的其他氮質(zhì)量濃度組,其他各組間無顯著性差異(圖6)。
圖6 極北海帶幼苗在不同氮質(zhì)量濃度下的葉綠素a和類胡蘿卜素含量Fig.6 Chlorophyll-a and carotenoid contents of young kelp L.hyperborea seedlings exposed to different nitrate nitrogen concentrations
極北海帶自然分布于大西洋東北部沿岸,其分布、生長、發(fā)育及繁殖等生命過程受到溫度、光照度、營養(yǎng)鹽含量等環(huán)境因子的影響,尤其是幼苗階段對(duì)各種環(huán)境因子變化相對(duì)敏感[9]。筆者主要討論氮營養(yǎng)鹽含量對(duì)極北海帶幼苗生長和生化成分的影響,為探究極北海帶的苗種繁育、人工養(yǎng)殖和對(duì)富營養(yǎng)化水域的調(diào)控能力提供參考。
氮、磷營養(yǎng)鹽在大型海藻的生長發(fā)育過程中具有重要的作用,研究發(fā)現(xiàn),氮是藻類光合器官的重要組成成分,是藻體生長的營養(yǎng)基礎(chǔ),氮營養(yǎng)鹽的增加能夠?yàn)橐缘獮榛驹氐母鞣N蛋白和化合物的合成提供原料,氮的加富必然促進(jìn)藻體內(nèi)氮代謝反應(yīng),從而導(dǎo)致氮同化物的積累,在氮充足的條件下,酶類、氨基酸、葉綠素、藻膽蛋白可大量合成而作為藻體的氮庫[10-13]。硝態(tài)氮增加可促進(jìn)龍須菜的生長速率,提高色素和可溶性蛋白含量[7]。水體營養(yǎng)水平較高時(shí),龍須菜色素、蛋白質(zhì)及總氮含量均較高,且生長速度快[14]。海水總無機(jī)氮含量過低、氮磷比過高以及氨氮在總無機(jī)氮中所占比例較低等條件下,均可導(dǎo)致芋根江蘺(G.blodgettii)藻體營養(yǎng)不良、生長緩慢[15]。海帶幼孢子體生長的適宜氮營養(yǎng)鹽質(zhì)量濃度為4~8 mg/L[16]。在本試驗(yàn)中,氮質(zhì)量濃度4~6 mg/L時(shí)極北海帶幼苗的葉綠素a含量顯著高于其他各質(zhì)量濃度,氮質(zhì)量濃度2~8 mg/L時(shí)幼苗的相對(duì)生長速率均較高,氮質(zhì)量濃度4~8 mg/L時(shí)可溶性蛋白含量顯著高于其他質(zhì)量濃度組且與相對(duì)生長速率呈極顯著正相關(guān),因此,可以推斷極北海帶生長最適宜的氮質(zhì)量濃度為2~8 mg/L,這與Kain[9]報(bào)道的歐洲沿岸野生極北海帶適宜氮含量以及我國養(yǎng)殖海帶適宜的氮含量范圍基本相同。
植物體內(nèi)可溶性蛋白質(zhì)大多是酶類,參與細(xì)胞的各種代謝活動(dòng),其含量是反映植物體總代謝的一個(gè)重要指標(biāo)[17]。超氧陰離子是活性氧的一種,植物體內(nèi)活性氧的積累會(huì)導(dǎo)致氧化脅迫,對(duì)細(xì)胞的傷害之一是啟動(dòng)膜脂過氧化連鎖反應(yīng),使維持細(xì)胞區(qū)域化的膜系統(tǒng)受損或瓦解[18]。膜脂過氧化即非脂性自由基如超氧陰離子對(duì)類脂中不飽和脂肪酸引起的一系列自由基反應(yīng),一般被認(rèn)為是活性氧對(duì)細(xì)胞膜系統(tǒng)傷害的原初機(jī)理,丙二醛(MDA)是膜脂過氧化的主要產(chǎn)物之一,常被作為判斷膜脂過氧化的一種主要指標(biāo)[18]。弱光、高光脅迫下極北海帶幼苗體內(nèi)超氧陰離子和丙二醛含量均高于適宜光照時(shí)的含量[19]。黃鶴忠等[20]發(fā)現(xiàn),細(xì)基江蘺繁枝變型(G.tenuistipitatavar.liui)在低硝態(tài)氮和高硝態(tài)氮的營養(yǎng)鹽水平下丙二醛含量顯著高于中等硝態(tài)氮含量組,表明過高或過低的硝態(tài)氮含量均會(huì)對(duì)江蘺的生理生長產(chǎn)生不利影響。本試驗(yàn)中,在低氮營養(yǎng)鹽質(zhì)量濃度0、0.5 mg/L時(shí)極北海帶幼苗的超氧陰離子和丙二醛含量均高于其他質(zhì)量濃度組且與丙二醛含量呈極顯著正相關(guān),丙二醛含量與相對(duì)生長速率呈顯著負(fù)相關(guān)。因此,低營養(yǎng)鹽含量時(shí)極北海帶可能處于非最佳生理狀態(tài),導(dǎo)致體內(nèi)超氧陰離子積累,使細(xì)胞處于氧化脅迫狀態(tài),膜脂過氧化對(duì)細(xì)胞膜造成了一定的傷害,進(jìn)而導(dǎo)致極北海帶的相對(duì)生長速率降低。
活性氧對(duì)細(xì)胞膜系統(tǒng)的損傷不可修復(fù),植物體的抗氧化系統(tǒng)使活性氧含量處于不斷產(chǎn)生和清除的動(dòng)態(tài)平衡中。植物本身的抗氧化系統(tǒng)主要包括酶促抗氧化系統(tǒng)(超氧化物歧化酶、過氧化氫酶、過氧化物酶、谷胱甘肽還原酶等)和非酶促抗氧化系統(tǒng)(抗壞血酸與類胡蘿卜素以及一些含巰基的低分子化合物等),遭受環(huán)境脅迫時(shí),活性氧代謝平衡被破壞,酶促和非酶促抗氧化系統(tǒng)共同作用,清除積累的活性氧,減少對(duì)細(xì)胞的損害[21-22]。試驗(yàn)表明,不同氮、磷質(zhì)量濃度對(duì)海藻的超氧化物歧化酶和過氧化物酶等抗氧化酶活性、膜脂過氧化產(chǎn)物等均產(chǎn)生顯著影響。龍須菜藻體的超氧化物歧化酶、過氧化物酶和過氧化氫酶活性隨氮磷質(zhì)量濃度的降低而逐漸升高,高氮質(zhì)量濃度下長時(shí)間培養(yǎng)時(shí)酶活性降低,抗氧化系統(tǒng)作用降低,藻體可能會(huì)面臨死亡[23]。在最適宜的營養(yǎng)鹽條件下,芋根江蘺在生化組分(光合色素及可溶性蛋白)和抗氧化能力等方面都表現(xiàn)較好,過低或過高質(zhì)量濃度的無機(jī)氮均使得丙二醛、過氧化物酶活性升高,影響藻體生長[15]。逐漸增加水體中硝態(tài)氮含量,細(xì)基江蘺繁枝變型的硝酸還原酶、超氧化物歧化酶和過氧化物酶的活性均顯著呈現(xiàn)先增后降的趨勢(shì),且與丙二醛呈相反的趨勢(shì)[20]。本試驗(yàn)中,在低氮質(zhì)量濃度(0~0.5 mg/L)時(shí),極北海帶幼苗的超氧陰離子水平明顯升高,此時(shí)超氧化物歧化酶、過氧化物酶和過氧化氫酶的活性均升高,尤其是過氧化物酶活性,與氮質(zhì)量濃度為0 mg/L時(shí)相比升高較明顯,表明這3種抗氧化酶尤其是過氧化物酶在清除藻體內(nèi)自由基時(shí)起著關(guān)鍵作用。而在低氮處理組中,丙二醛有較明顯的積累,表明在低氮營養(yǎng)鹽水平下抗氧化酶的作用可能受到限制。在高氮環(huán)境(10 mg/L)時(shí),極北海帶幼苗的超氧陰離子并未表現(xiàn)出較高的水平,同時(shí)丙二醛也無明顯的積累,這可能與3種抗氧化酶活性在高氮環(huán)境時(shí)均明顯升高有關(guān)。由此推測(cè),幼苗雖然均處于非最佳生理狀態(tài),但高氮環(huán)境和低氮環(huán)境對(duì)極北海帶幼苗的抗氧化酶系統(tǒng)的影響并不相同。
類胡蘿卜素是非抗氧化系統(tǒng)重要的組成部分,在所有的單線態(tài)氧猝滅系統(tǒng)中,類胡蘿卜素具有最重要的生物學(xué)意義。類胡蘿卜素存在于葉綠體內(nèi),一方面阻止激發(fā)態(tài)葉綠素分子的激發(fā)從反應(yīng)中心向外傳遞;另一方面,它也保護(hù)葉綠素分子免遭光氧化損傷[24]。本試驗(yàn)脅迫條件為高氮和低氮?jiǎng)┝繒r(shí),類胡蘿卜素含量均無顯著升高,表明其對(duì)氮脅迫無顯著響應(yīng)。幼苗的葉綠素a含量在4~6 mg/L時(shí)顯著高于其他各劑量組,因此極北海帶生長最適宜的氮質(zhì)量濃度為4~6 mg/L。在非最適的氮環(huán)境(高氮和低氮)時(shí),幼苗葉綠素a含量降低,對(duì)藻體的光合作用產(chǎn)生影響,從而使幼苗生長速率降低。