王雅婻 馮媛媛 李童童 蔡 婷 白有成

顆石藻對升溫和溫度波動響應(yīng)的株間效應(yīng)*

王雅婻1, 2馮媛媛2, 3①李童童1蔡 婷4白有成4

(1. 天津科技大學(xué)海洋與環(huán)境學(xué)院 天津 300457; 2. 上海交通大學(xué)海洋學(xué)院 上海 200030; 3. 上海市極地前沿科學(xué)研究基地 上海 2000303; 4. 自然資源部第二海洋研究所 浙江杭州 310012)

在全球氣候變化的背景下, 極端天氣頻發(fā), 海洋生物也將受到環(huán)境異質(zhì)性的影響, 即環(huán)境條件基于平均水平的震蕩變化。為研究溫度波動變化對海洋碳循環(huán)中的重要種群顆石藻的影響, 采用半連續(xù)培養(yǎng)的方式對海洋顆石藻優(yōu)勢種赫氏顆石藻()的非鈣化株系與鈣化株系分別進行模擬培養(yǎng)實驗, 探究顆石藻在低(20 °C)和高(25 °C)平均溫度下對升溫及溫度波動變化的響應(yīng)。結(jié)果表明, 升溫與溫度波動對兩株的生長均起到了抑制作用, 而升溫和溫度波動變化對兩株.的生長速率以及胞內(nèi)碳水化合物含量、非鈣化株系的顆粒有機碳含量及鈣化株系的蛋白質(zhì)和顆粒物無機碳含量、碳氮比及沉降速率產(chǎn)生了顯著的交互效應(yīng), 溫度的波動變化在一定程度上增強了顆石藻應(yīng)對升溫的適應(yīng)性。通過對兩株系的生理響應(yīng)結(jié)果進行對比分析, 發(fā)現(xiàn)非鈣化株系各生理參數(shù)對升溫和溫度波動變化更為敏感, 表明顆石藻的鈣化作用可能對其應(yīng)對環(huán)境波動下的極端環(huán)境條件起緩沖保護作用。升溫和溫度波動變化顯著削弱了顆石藻的沉降速率, 可能會對顆石藻相關(guān)的海洋碳沉降與輸出產(chǎn)生顯著的削弱效應(yīng)。因此, 為了更準(zhǔn)確地預(yù)測海洋顆石藻對氣候變化的響應(yīng), 未來相關(guān)研究需要考慮疊加在升溫基礎(chǔ)上的溫度波動變化對顆石藻的生理生態(tài)學(xué)效應(yīng)。

顆石藻; 海洋變暖; 溫度波動; 鈣化作用; 株間效應(yīng)

化石燃料的燃燒、熱帶森林的砍伐以及土地利用的改變等人類活動使大氣中的二氧化碳(CO2)濃度持續(xù)升高, 由于二氧化碳的溫室效應(yīng), 全球平均氣溫也隨之上升并導(dǎo)致海洋升溫(IPCC, 2022)。在過去的一個世紀(jì)內(nèi), 全球平均海面溫度(sea surface temperature, SST)升高了約1 °C (Fischetti, 2013), 預(yù)計到2100年, 全球海洋表層水溫將持續(xù)上升1～4 °C (IPCC, 2022)。海水升溫也使海洋異常增暖事件和海洋熱浪等生態(tài)災(zāi)難頻發(fā), 對海洋生物多樣性產(chǎn)生影響(Hobday, 2016; IUCN, 2016), 如北極水域的融化可能會增加物種在太平洋和大西洋之間跨北極遷徙的可能性(Parmesan, 2003; 郭世安等, 2022)。生活在真光層內(nèi)的浮游植物與其他生物相比粒徑更小生長較快, 因而對溫度變化的響應(yīng)更加明顯。溫度是影響生物代謝途徑中酶活性的重要環(huán)境因子, 對調(diào)節(jié)浮游植物的生長和生理過程起到關(guān)鍵作用(Eppley, 1972; Raven, 1988), 在適溫范圍內(nèi)浮游植物在不同溫度下的生長速率通常隨著溫度的升高而逐漸升高, 達到最適溫度后則隨升溫迅速降低(Norberg, 2004), 進而影響藻類基因型和表型變異及胞內(nèi)化學(xué)轉(zhuǎn)化、存儲和營養(yǎng)鹽輸運等過程(Raven, 1988)。

在全球平均氣候變化的基礎(chǔ)上, 海洋浮游植物還將受到不同時空尺度的環(huán)境條件震蕩變化的影響(Cabrerizo, 2021)。溫度可在不同的時間尺度上波動, 如隨天氣變化、晝夜循環(huán)、垂直和水平平流、季節(jié)變化等產(chǎn)生震蕩變化(Leinweber, 2009; Doblin, 2016)。而且隨氣候變化的加速, 這種環(huán)境波動變化頻率和幅度也會隨之變化(Salinger, 2005; Williams, 2014; Perkins-Kirkpatrick, 2020)。由于浮游植物的熱性能曲線在超過其最佳生長溫度后迅速下降, 在較高溫度下的波動可能意味著浮游植物會周期性地經(jīng)歷不利于生長的溫度條件(Vasseur, 2014), 從而對海洋生物從有機體水平上(資源獲取及分配)到種群水平上(繁殖及演替)產(chǎn)生不可忽視的影響(Bernhardt, 2020)。例如, 溫度波動顯著降低了海洋甲藻和sp.的生長速率, 其熱休克蛋白在溫度波動的高溫階段呈現(xiàn)出了顯著的上調(diào)(Fu, 2022)。同樣地, 溫度波動也延緩了近岸硅藻威氏海鏈藻()的生長, 隨機溫度波動降低了其胞內(nèi)碳氮含量, 但恒定波動則對其胞內(nèi)化學(xué)元素含量影響不顯著(王鑫威, 2019)。在平均溫度相同的條件下, 赫氏顆石藻()的生長速率在較高頻率的溫度波動變化下降幅較低, 說明溫度波動對其生理過程受高溫抑制的現(xiàn)象有所緩解(Wang, 2019)。與穩(wěn)定溫度條件相比, 溫度波動可升高淡水浮游動物的物種多樣性(Shurin, 2010), 而對湖泊浮游植物群落的研究則發(fā)現(xiàn)升溫和溫度波動的共同作用導(dǎo)致了浮游植物種群物種多樣性的顯著降低(Rasconi, 2017)。

顆石藻是一類具有多種生態(tài)型(Hagino, 2005; Cubillos, 2007)并在海洋中分布廣泛的單細(xì)胞藻類(McIntyre, 1967; Brown, 1995), 可通過光合作用生產(chǎn)顆粒有機碳(particulate organic carbon, POC), 并通過鈣化生產(chǎn)顆粒無機碳(particulate inorganic carbon, PIC)(Rost, 2004)。在亞熱帶海域, 顆石藻貢獻了20%以上總有機碳生產(chǎn)(Poulton, 2007)及約50%亞熱帶和高緯度碳酸鈣(CaCO3)的沉積(Tyrrell, 2004), 在海洋碳循環(huán)中有重要作用。赫氏顆石藻()是分布最廣泛的顆石藻優(yōu)勢物種, 尤其在溫帶和靠近北極的海域可發(fā)生大面積季節(jié)性水華(Hobday, 2016)。對海水碳酸鹽體系的變化很敏感, 海洋酸化對.的生長和鈣化都產(chǎn)生了負(fù)面影響(馮媛媛等, 2020)。然而, 除海洋酸化外, 顆石藻的生理學(xué)過程還受到許多變化的環(huán)境因素影響, 如紫外線輻射、溫度和營養(yǎng)鹽濃度等。其中, 溫度可能是調(diào)節(jié)顆石藻生理機能最重要的因素之一(Boyd, 2010; Sett, 2014; Gao, 2019)。自20世紀(jì)50年代以來, 海水變暖使包括顆石藻在內(nèi)的北大西洋浮游植物的分布每10年向極地方向移動數(shù)百公里, 水華的季節(jié)時間提前了4～5周(IUCN, 2016), 生物量也隨之增加(Winter, 2014)。研究發(fā)現(xiàn), 在低光條件下升溫可以提高的生長速率(Feng, 2008), 此外, 溫度也是控制細(xì)胞POC和PIC含量的重要因子(Feng, 2018)。同時, 由于顆石藻在自然環(huán)境中存在著形態(tài)及基因型上的多樣性, 不同物種及同一物種的不同株系應(yīng)對溫度異質(zhì)性變化的響應(yīng)機制也可能存在顯著差異(Westbroek, 1993)。綜上, 如果不考慮溫度波動的影響, 就無法準(zhǔn)確理解和預(yù)測海洋顆石藻對海洋環(huán)境快速變化的響應(yīng), 但針對顆石藻應(yīng)對升溫和溫度波動度的交互作用的生理響應(yīng)的相關(guān)研究還在起步階段。此外, 顆石藻的不同株系應(yīng)對溫度波動響應(yīng)的株間效應(yīng)也尚未可知。

因此, 在前期研究基礎(chǔ)上, 本研究通過對顆石藻的鈣化株系和非鈣化株系分別在恒溫及溫度波動條件下進行室內(nèi)受控半連續(xù)培養(yǎng)實驗, 以期獲取顆石藻對升溫和溫度波動交互作用的生理響應(yīng); 并通過對比分析顆石藻鈣化與非鈣化株系對升溫及溫度波動變化生理響應(yīng)的株間效應(yīng), 以期進一步探究顆石藻鈣化作用對其應(yīng)對溫度變化的調(diào)節(jié)機制。

1 材料與方法

1.1 藻種選擇

實驗采用的赫氏顆石藻鈣化株系RCC1266分離自愛爾蘭周圍的大陸架水域(49°30′N, 10°30′W), 赫氏顆石藻非鈣化株系PMLB分離自歐洲北海。藻種在實驗室用無硅的f/20培養(yǎng)基, 即f/2水平稀釋10倍(Guillard, 1962), 保種于恒溫光照培養(yǎng)箱(GXZ-280D, 寧波), 培養(yǎng)溫度為15 °C、光照強度為120～150 μmol/(m2·s)、光暗周期比為12 h︰12 h。

1.2 實驗設(shè)置

取指數(shù)生長期的藻種接種至500 mL Nalgene培養(yǎng)瓶中, 初始細(xì)胞豐度為1.0×104cells/mL, 光強為150～180 μmol/(m2·s)、光暗周期比為12 h︰12 h, 培養(yǎng)基由過濾并高壓滅菌后的黃渤海海水配置, 氮、磷營養(yǎng)鹽、維生素及微量元素添加至f/20水平, 在由加熱棒及冷暖水機(HC-1000BH, 海利, 中國)控溫的恒溫(20和25 °C)及波動[(20±4)和(25±4) °C]水槽中進行培養(yǎng), 其中溫度波動頻率為每24 h一個波動周期(圖1), 實驗采用的波動頻率與幅度采取溫帶近岸海域常見平均水平(Leinweber, 2009)。共設(shè)置四個處理組: (1) 對照: 20 °C恒溫; (2) 波動: (20±4) °C; (3) 升溫: 25 °C恒溫; (4) 升溫+波動: (25±4) °C, 每個處理設(shè)置3個平行樣。每天用熒光儀(Trilogy, Turner Designs, 美國)測量活體熒光值后采用新鮮配置的培養(yǎng)基進行稀釋, 使藻液的豐度維持在1.0×104cells/mL, 至生長速率連續(xù)5～7個稀釋周期中保持相對穩(wěn)定時(變化<15%)進行最終采樣(Feng, 2008)。各處理組總培養(yǎng)時間為15～21天。

圖1 室內(nèi)培養(yǎng)溫度波動模式簡易圖

注: 灰白條代表光照周期, L︰D = 12 h︰12 h;代表平均溫度

1.3 樣品分析

1.3.1 藻細(xì)胞計數(shù)、葉綠素及生長速率 取1 mL混勻藻液用6 μL堿性魯格試劑固定, 通過微藻計數(shù)框在光學(xué)顯微鏡(CH20BIMF200, Olympus, 日本)下計數(shù), 計算培養(yǎng)結(jié)束時的細(xì)胞豐度。實驗結(jié)束時取20 mL藻液過濾在GF/F濾膜(25 mm, Whatman, 美國)上, 于-20 °C冰箱中避光保存。測定時在避光-20°C條件下用5 mL 90%丙酮萃取24 h, 然后用酸化法熒光儀(Turner Designs, 美國)測定葉綠素(chl)含量(Welschmeyer, 1994)。

生長速率(單位: /d)用下列公式計算:

式中,T和T分別為取樣時間,1和2分別為在1和2時采用熒光儀(Turner Designs, 美國)測定的活體葉綠素?zé)晒庵怠?/p>

1.3.2 蛋白質(zhì)和碳水化合物含量測定 將兩份100 mL藻液過濾到0.4 μm聚碳酸酯濾膜(PALL, 美國)上, 在-80 °C冰箱中保存, 用于蛋白質(zhì)和碳水化合物含量的測定。蛋白質(zhì)的測定采用考馬斯亮藍G-250法(Bradford, 1976)。用1 mL Milli-Q水將濾膜上的藻液洗脫, 隨后加入4 mL考馬斯亮藍溶液, 混合充分后放置5 min顯色, 用紫外可見分光光度計(UV-2550, Shimadzu, 日本)測量595 nm下的吸光度。碳水化合物的測定采用硫酸-苯酚顯色法(Dubois, 1956), 取出濾膜, 加入5 mL 0.05 mol/L H2SO4溶液, 置于60 °C水浴加熱10 min后冷卻至室溫, 取樣品2 mL加0.05 mL 80%苯酚溶液和5 mL濃硫酸試劑, 靜置30 min顯色, 然后用紫外可見分光光度計(UV-2550, Shimadzu, 日本)測量485 nm下的吸光度。

1.3.3 元素組成分析 細(xì)胞顆粒有機磷(particulate organic phosphorus, POP)含量采用磷鉬藍顯色法測定(Solórzano, 1980)。取50 mL藻液過濾到經(jīng)馬弗爐(450 °C, 4 h)灼燒過的GF/F濾膜上, 藻液過濾完成后加入2 mL 0.17 mol/L的Na2SO4溶液潤洗, 而后轉(zhuǎn)移至瓶玻璃瓶內(nèi)(已灼燒), 加入2 mL 0.017 mol/L的MgSO4溶液使GF/F濾膜完全浸沒, 然后封口置于60 °C烘箱中烘干后待測定。測試時采用HCl將有機磷轉(zhuǎn)化為無機磷酸鹽后加入顯色劑, 顯色后用紫外可見分光光度計(UV-2550, Shimadzu, 日本)測量855 nm下的吸光度。

總顆粒碳(Particulate total carbon, PTC)、POC和顆粒態(tài)有機氮(particulate organic nitrogen, PON)的含量用CHN元素分析儀(Costech, 意大利)進行分析(Hutchins, 1998)。取2份100 mL藻液, 分別過濾到2張GF/F濾膜上(已灼燒), 過濾完成后取一份直接放入鋁箔紙袋(已灼燒)在60 °C烘箱內(nèi)烘干, 用于測定PTC的含量; 另一份用濃鹽酸熏蒸3 h (以去除無機碳)后放入60 °C烘箱內(nèi)烘干(Zondervan, 2002), 用于測定POC和PON, PTC與POC之差為PIC (Feng, 2008), 即

PIC=PTC–POC, (2)

式中,PIC、PTC、POC分別代表PIC、PTC、POC的含量(單位: pg/cell), 將細(xì)胞POC與PIC含量與相乘得出POC與PIC的生產(chǎn)率POC、PIC[單位: pg/(cell·d)]:

POC=×POC, (3)

PIC=×PIC. (4)

1.3.4 沉降速率和細(xì)胞大小的測定 浮游植物沉降速率的測定采用賽特科爾沉降法(SETCOL法) (Bienfang, 1981)。將混合均勻的藻液倒入垂直放置、

出水口已封閉的沉降柱, 蓋好蓋子使沉降柱內(nèi)幾乎沒有氣泡, 在靜止桌面上避光放置3 h。完成沉降后依次從上、中、下三個出水口取樣, 記錄取樣的時間和各層藻液體積, 然后量取適量藻液過濾至GF/F濾膜上, 用于對葉綠素含量的測定。最終結(jié)果用Bienfang沉降速率公式進行計算(單位: m/d):

其中,z為沉降柱內(nèi)總生物量(單位: μg/L);s為沉降柱最下層生物量(單位: μg/L);為沉降柱高度(單位: cm);為沉降時間(單位: h)。

細(xì)胞大小采用Beckman激光粒度儀測定(LS 13320, 美國)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

顯著性分析及交互效應(yīng)采用雙因素方差分析方法(Two-way ANOVA)分析,<0.05表示有顯著性差異。采用Graphpad Prism 8繪圖。

計算環(huán)境因子的交互效應(yīng)依據(jù)Flot等方法(Piggott, 2015)。OE (observed effect)為單一環(huán)境因子或兩種及以上環(huán)境因子共同變化對浮游植物某一生理參數(shù)的表觀影響, 通過計算處理組相比于對照組變化的百分比獲得, 如單一環(huán)境因子的表觀影響計算如下:

其中OE為波動對浮游植物生理參數(shù)的表觀影響;為波動組數(shù)值;為對照組數(shù)值; 結(jié)果是正值為升高效應(yīng), 結(jié)果是負(fù)值為降低效應(yīng)。

ME (multiplicative effect)為兩種環(huán)境因子的交互效應(yīng), 如升溫和波動的交互效應(yīng)計算如下:

其中, ME1+2為升溫和波動的交互效應(yīng); OE1和OE2分別為升溫和波動對浮游植物生理參數(shù)的表觀影響。當(dāng)OE1與OE2正負(fù)結(jié)果一致時, |OE1+2| > |ME1+2|, 兩種環(huán)境因子為協(xié)同性交互效應(yīng), 反之則為拮抗性交互效應(yīng)。

2 結(jié)果

2.1 生長速率

在20和25 °C條件下, 溫度波動變化均顯著降低了兩個株系的生長速率(圖2,<0.05)。在恒溫及溫度波動條件下, 升溫顯著降低了非鈣化株系PMLB的生長速率, 在升溫(25 °C恒溫)及升溫波動組[(25±4) °C]均顯著低于對照(20 °C恒溫)及波動[(20±4) °C]組(<0.05), 分別降低了13.06%和28.21% (圖2a)。而對鈣化株系RCC1266而言, 升溫組與對照組的生長速率無顯著差異, 僅在波動條件下, 升溫波動組的生長速率顯著低于波動組(圖2b,<0.05)。兩株系的最高生長速率均出現(xiàn)在對照組[非鈣化株系: (0.87±0.04) /d; 鈣化株系: (1.01±0.01) /d], 最低生長速率則在升溫波動組[非鈣化株系: (0.66±0.02) /d; 鈣化株系: (0.56±0.04) /d]。雙因素方差分析表明, 升溫和溫度波動對兩株系的生長速率有顯著交互效應(yīng)(<0.05)。

圖2 不同溫度條件下Emiliania huxleyi PMLB (a)與Emiliania huxleyi RCC1266 (b)的生長速率

注: 誤差棒表示標(biāo)準(zhǔn)偏差,=3; 字母表示處理組間的顯著性差異,<0.05, 余圖同

2.2 胞內(nèi)葉綠素a、蛋白質(zhì)及碳水化合物含量

在四個溫度溫度組中, 非鈣化株系PMLB的胞內(nèi)chl、蛋白質(zhì)及碳水化合物含量均在波動組最高、在升溫組為最低(圖3a, 3c, 3e)。對非鈣化株系PMLB而言, 溫度恒定時, 升溫使胞內(nèi)chl、碳水化合物含量分別比對照組顯著降低了81.88%和83.38% (<0.05); 而在溫度波動下, 高溫波動與波動組相比, 胞內(nèi)chl含量顯著降低了54.51% (<0.05), 而其他參數(shù)雖有下降的趨勢, 但無顯著性差異(>0.05)。在同樣的平均溫度條件下, 溫度波動使胞內(nèi)各參數(shù)含量都有所升高, 高溫波動下胞內(nèi)chl含量較高溫組顯著上升了354.66% (<0.05),

圖3 不同溫度條件下Emiliania huxleyi PMLB (a, c, e)和Emiliania huxleyi RCC1266 (b, d, f)胞內(nèi)葉綠素a、蛋白質(zhì)和碳水化合物質(zhì)量濃度

胞內(nèi)蛋白質(zhì)含量在波動組及高溫波動組也分別較對照組及高溫組升高209.61% (<0.05)及336.82%, 胞內(nèi)碳水化合物含量在高溫波動組也較高溫組升高了220.23%。與非鈣化株系相似, 鈣化株系RCC1266的胞內(nèi)chl、蛋白質(zhì)及碳水化合物含量最高值也出現(xiàn)在(20±4) °C (圖3b, 3d, 3f)。與非鈣化株系不同的是, 溫度恒定時, 升溫顯著提高了鈣化株系RCC1266的胞內(nèi)蛋白質(zhì)及碳水化合物含量(<0.05); 而在溫度波動條件下, 胞內(nèi)chl含量在升溫波動組較波動組降低了54.51% (<0.05)。溫度波動僅在低溫(20 °C)條件下顯著升高了胞內(nèi)chl、蛋白質(zhì)及碳水化合物含量(<0.05), 在平均溫度為25 °C下, 各參數(shù)在高溫波動組與高溫組間無顯著差異(>0.05)。雙因素方差分析表明, 升溫和溫度波動僅對PMLB的胞內(nèi)碳水化合物含量有顯著交互效應(yīng)(<0.05), 對RCC1266的胞內(nèi)蛋白質(zhì)和碳水化合物含量均有顯著交互效應(yīng)(<0.05)。

2.3 胞內(nèi)元素組成及顆粒碳生產(chǎn)速率

在四個溫度處理組中, 非鈣化株系PMLB的胞內(nèi)POP、POC和PON含量在波動組最高、在升溫組最低(圖4a, 4c, 4e), 這與其胞內(nèi)的chl和生物大分子含量的變化一致。對非鈣化株系PMLB而言, 溫度恒定時, 升溫使胞內(nèi)POP、POC和PON含量分別比對照組顯著降低了76.64%、77.23%和77.47% (<0.05); 而在溫度波動下, 高溫波動與波動組相比, 胞內(nèi)PON含量顯著降低了48.41% (<0.05), 而胞內(nèi)POP與POC含量雖然也出現(xiàn)了下降趨勢, 但無顯著性差異(>0.05)。在同樣的平均溫度條件下, 溫度波動使胞內(nèi)各參數(shù)含量都有所升高, 波動相比于對照組無顯著性差異(>0.05), 而高溫波動下胞內(nèi)POP、POC和PON含量分別較高溫組顯著升高了397.75%、508.02%和353.12% (<0.05)。

與非鈣化株系相似, 鈣化株系RCC1266的胞內(nèi)POP、POC與PON含量最高值也出現(xiàn)在波動組(圖4b, 4d, 4f), 與非鈣化株系不同的是, 最低值出現(xiàn)在高溫波動組。溫度恒定時, 升溫對鈣化株系RCC1266胞內(nèi)各參數(shù)的含量無顯著影響(>0.05); 而在溫度波動下, 高溫波動與波動組相比, 胞內(nèi)POP與PON含量顯著降低了14.31%和41.02% (<0.05), 胞內(nèi)POC含量雖也出現(xiàn)了下降趨勢, 但無顯著性差異(>0.05)。溫度波動在低溫(20 °C)條件下顯著升高了胞內(nèi)POP和POC含量(<0.05), 在高溫(25 °C)條件下顯著降低了胞內(nèi)PON含量(<0.05)。雙因素方差分析表明, 升溫和溫度波動僅對PMLB的胞內(nèi)POC含量有顯著交互效應(yīng)(<0.05), 對RCC1266的胞內(nèi)POP、POC和PON含量均無顯著交互效應(yīng)(>0.05)。

非鈣化株系PMLB的胞內(nèi)元素摩爾比在四個溫度處理組中均無顯著性差異(表1,>0.05)。鈣化株系RCC1266的C/N在高溫波動組最高, 在對照組最低。在溫度波動下, 升溫使碳氮比值(C/N)比波動組顯著升高了18.85% (<0.05); 在平均溫度為25 °C下, 溫度波動使C/N比高溫組顯著升高了16.58% (<0.05)。與C/N相反, 鈣化株系RCC1266的N/P在對照組最高, 在高溫波動組最低。溫度恒定時, 升溫使N/P顯著降低了4.08% (<0.05)。雙因素方差分析表明, 升溫和溫度波動僅對RCC1266的C/N有顯著交互效應(yīng)(<0.05)。

在25 °C條件下, 溫度波動變化顯著降低了鈣化株系RCC1266的胞內(nèi)PIC含量與PIC/POC (圖5,<0.05)。在恒溫及溫度波動條件下, 升溫使胞內(nèi)PIC含量有降低趨勢, 但組間無顯著性差異(>0.05), 而溫度波動僅在高溫條件下顯著降低了胞內(nèi)PIC含量。與胞內(nèi)PIC含量變化相似, 升溫波動組的PIC/POC也顯著低于高溫組, 而其他處理組的PIC/POC變化均無顯著性差異(>0.05)。雙因素方差分析結(jié)果表明, 升溫和溫度波動對胞內(nèi)PIC含量有顯著交互效應(yīng)(<0.05), 使其比對照組顯著降低了69.84%, 對PIC/POC則無顯著交互效應(yīng)(>0.05)。

表1 不同溫度條件下E. huxleyi PMLB與E. huxleyi RCC1266的元素摩爾比

注: C/N, N/P, C/P分別表示碳氮比值、氮磷比值和碳磷比值; 字母表示處理組間的顯著性差異,<0.05

圖5 不同溫度條件下Emiliania huxleyi RCC1266胞內(nèi)顆粒無機碳質(zhì)量濃度(a)與顆粒無機碳/顆粒有機碳質(zhì)量比(b)

在四個處理組中, 非鈣化株系PMLB的POC生產(chǎn)速率在波動組最高、在升溫組最低(圖6a), 這與前文所述各參數(shù)含量的變化趨勢一致。在恒溫及溫度波動條件下, 升溫使非鈣化株系PMLB的POC生產(chǎn)速率分別顯著降低了80.21%和51.86% (<0.05)。在同樣的平均溫度條件下, 高溫波動下的POC生產(chǎn)速率較高溫組顯著升高了374.58% (<0.05)。而鈣化株系RCC1266的POC生產(chǎn)力在對照組最高, 在高溫波動組最低。在恒溫與溫度波動條件下, 升溫對POC生產(chǎn)速率無顯著影響(圖6b,>0.05)。而在同樣的平均溫度條件下, 溫度波動顯著降低了鈣化株系RCC1266的POC生產(chǎn)速率(<0.05), 波動及升溫波動組分別較對照及高溫組顯著降低了11.49%和41.59%。對鈣化株系RCC1266的PIC生產(chǎn)速率而言, 與POC生產(chǎn)速率相似, 其最高值與最低值也分別出現(xiàn)在對照組和高溫波動組(圖6c)。升溫組與對照組的PIC生產(chǎn)速率無顯著差異(>0.05),僅在波動條件下, 升溫波動組的PIC生產(chǎn)速率顯著低于波動組68.23% (<0.05)。而溫度波動也僅在高溫(25 °C)條件下顯著降低了PIC生產(chǎn)速率(<0.05)。雙因素方差分析表明, 升溫和溫度波動對PMLB的POC生產(chǎn)速率無顯著交互效應(yīng)(>0.05), 對RCC1266的POC及PIC生產(chǎn)速率均有顯著交互效應(yīng)(<0.05), 分別較對照組顯著降低了46.27%和73.29%。

圖6 不同溫度條件下Emiliania huxleyi PMLB (a)與Emiliania huxleyi RCC1266 (b)的顆粒有機碳生產(chǎn)速率, 以及Emiliania huxleyi RCC1266的顆粒無機碳生產(chǎn)速率(c)

2.4 細(xì)胞大小及沉降速率

非鈣化株系.PMLB的細(xì)胞大小對溫度變化均無顯著性差異(圖7a,>0.05)。鈣化株系.RCC1266的細(xì)胞大小僅在高溫波動下較高溫組顯著上升了9.47% (圖7b,<0.05)。鈣化株系.RCC1266經(jīng)酸化處理后的顆石球大小對溫度變化也均無顯著性差異(圖7c,>0.05)。雙因素方差分析表明, 升溫和溫度波動對兩株系的細(xì)胞大小無顯著交互效應(yīng)(<0.05)。

在20 °C條件下, 升溫與溫度波動均顯著降低了PMLB的沉降速率(圖8a,<0.05)。溫度恒定時, 升溫使非鈣化株系的沉降速率比對照組顯著降低了55.40%, 波動使沉降速率比對照組顯著降低了53.82%。而對鈣化株系RCC1266而言, 升溫使沉降速率發(fā)生顯著下降(圖8b,<0.05), 升溫及升溫波動組分別顯著低于對照及波動組69.54%和69.69%, 溫度波動則對沉降速率無顯著影響(>0.05)。與生長速率相似, 兩株系的最高沉降速率也均出現(xiàn)在對照組[非鈣化株系: (0.19±0.01) m/d; 鈣化株系: (0.05±0.05) m/d], 最低沉降速率出現(xiàn)在升溫波動組[非鈣化株系: (0.52±0.01) m/d; 鈣化株系: (0.12±0.01) m/d]。雙因素方差分析表明, 升溫和溫度波動對RCC1266的沉降速率有顯著交互效應(yīng)(<0.05), 對PMLB無顯著交互效應(yīng)(>0.05)。相關(guān)性分析表明鈣化顆石藻胞內(nèi)PIC含量與沉降速率(圖8c)呈顯著正相關(guān)關(guān)系(圖8c,2=0.601 7,=15.11,<0.05)。

圖7 不同溫度條件下Emiliania huxleyi PMLB (a)與Emiliania huxleyi RCC1266 (b)的細(xì)胞大小, 以及酸化處理后Emiliania huxleyi RCC1266的顆石粒大小(c)

圖8 不同溫度條件下Emiliania huxleyi PMLB (a)與Emiliania huxleyi RCC1266 (b)的沉降速率及RCC1266株系胞內(nèi)PIC含量與沉降速率的相關(guān)性分析(c)

2.5 交互作用

升溫和溫度波動對非鈣化株系PMLB的生長速率、生物量以及元素計量學(xué)指標(biāo)的交互作用見表2。通過對培養(yǎng)后PMLB各參數(shù)的分析發(fā)現(xiàn), 升溫和溫度波動對PMLB的生長速率、C/N、N/P和C/P產(chǎn)生協(xié)同性交互效應(yīng), 對胞內(nèi)chl、蛋白質(zhì)、碳水化合物、POP、POC和PON含量、POC生產(chǎn)速率以及沉降速率產(chǎn)生拮抗性交互效應(yīng)。且升溫和溫度波動對PMLB的生長速率、胞內(nèi)碳水化合物和POC含量有顯著的交互作用(<0.05)。

升溫和溫度波動對非鈣化株系RCC1266的生長速率、生物量以及元素計量學(xué)指標(biāo)的交互作用見表3。通過對培養(yǎng)后RCC1266各參數(shù)的分析發(fā)現(xiàn), 升溫和溫度波動對RCC1266的生長速率、胞內(nèi)POC、PON和PIC含量、C/N、N/P、C/P、PIC/POC、POC與PIC生產(chǎn)速率產(chǎn)生協(xié)同性交互效應(yīng), 對胞內(nèi)chl、蛋白質(zhì)、碳水化合物、POP含量以及沉降速率產(chǎn)生拮抗性交互效應(yīng)。且升溫和溫度波動對RCC1266的生長速率、胞內(nèi)蛋白質(zhì)、碳水化合物和PIC含量、C/N、POC與PIC生產(chǎn)速率以及沉降速率有顯著的交互作用(<0.05)。

表2 升溫和溫度波動對E. huxleyi PMLB生長速率、生物量及元素計量學(xué)指標(biāo)的交互作用

注: OE1和OE2分別為升溫和溫度波動對.PMLB生理參數(shù)的表觀影響; OE1+2為升溫和溫度波動交互對.PMLB生理參數(shù)的表觀影響; ME1+2為升溫和波動的交互效應(yīng); + 表示協(xié)同性交互效應(yīng);-表示拮抗性交互效應(yīng); *表示Two-way ANOVA的結(jié)果為<0.05; 無標(biāo)記表示Two-way ANOVA的結(jié)果為>0.05

表3 升溫和溫度波動對E. huxleyi RCC1266生長速率、生物量及元素計量學(xué)指標(biāo)的交互作用

注: OE1和OE2分別為升溫和溫度波動對.PMLB生理參數(shù)的表觀影響; OE1+2為升溫和溫度波動交互對.PMLB生理參數(shù)的表觀影響; ME1+2為升溫和波動的交互效應(yīng); + 表示協(xié)同性交互效應(yīng);-表示拮抗性交互效應(yīng); *表示Two-way ANOVA的結(jié)果為<0.05; 無標(biāo)記表示Two-way ANOVA的結(jié)果為>0.05

3 討論

升溫與溫度波動對兩株系顆石藻的生長均起到了抑制作用, 導(dǎo)致兩株的生長速率均在高溫波動組最低。不同的是, 升溫對非鈣化株系生長速率的影響更明顯, 而溫度波動對鈣化株系生長速率的影響更顯著。溫度對浮游植物的生長至關(guān)重要, 直接影響藻細(xì)胞代謝途徑中酶的活性。在一定溫度范圍內(nèi), 溫度升高通?？梢詫?dǎo)致浮游植物細(xì)胞生長顯著升高(Fu, 2014; O’Donnell, 2017)。顆石藻的最佳生長溫度范圍通常為20～25 °C (Rosas-Navarr, 2016), 而本研究中由20 °C至25 °C的升溫使兩株的生長速率顯著降低, 表明分離自溫帶海域的兩個株系的最優(yōu)生長溫度均低于25 °C。在溫度波動條件下, 本研究中兩株顆石藻的生長速率則進一步降低。針對分離自馬尾藻海域的鈣化株系CCMP371的研究也發(fā)現(xiàn), 溫度波動生長的削弱作用在平均溫度較高的條件下尤為明顯(Wang, 2019)。這潛在表明在溫度波動條件下的最佳生長溫度范圍之外的高溫條件將對顆石藻生長產(chǎn)生更強的負(fù)面影響。藻細(xì)胞適應(yīng)高溫可能需要合成新的蛋白質(zhì)(如熱休克蛋白)來加強細(xì)胞修復(fù)機制對抗惡劣環(huán)境, 從而可能對能量和營養(yǎng)重新分配, 降低生長速度(O’Donnell, 2018; Schaum, 2018)。而由于浮游植物對溫度的響應(yīng)是非線性的, 其生理過程對溫度波動變化的響應(yīng)與穩(wěn)態(tài)條件下有顯著差異(Jensen, 1906)。

升溫顯著降低了兩種顆石藻胞內(nèi)葉綠素、碳水化合物、POP、PON含量, 其主要原因可能是高溫降低了藻細(xì)胞對營養(yǎng)鹽的吸收和利用(Reynolds, 2006a, 2006b; O’Donnell, 2018; Qu, 2018)。已有研究表明, 在較高的溫度下, 浮游植物會顯著提高蛋白質(zhì)的合成以對抗惡劣環(huán)境(Toseland, 2013; Fu, 2022), 而在本研究中尤其是鈣化株系的胞內(nèi)蛋白質(zhì)含量在升溫組顯著高于對照組, 有助其對抗升溫導(dǎo)致的不利影響, 導(dǎo)致其胞內(nèi)碳氮元素含量的下降遠沒有非鈣化株系顯著, 這也潛在表明了顆石藻的鈣化作用可能對其應(yīng)對高溫環(huán)境的負(fù)面效應(yīng)起緩沖保護作用。此外, 兩株顆石藻的生長速率與元素組成對升溫和溫度波動的響應(yīng)存在著不一致的趨勢, 這是由于浮游植物可通過改變代謝途徑的方式適應(yīng)環(huán)境的變化, 如通過降低生長速率的方式來增加對其他生理功能的能量分配(Toseland, 2013; Halsey, 2015; Yvon-Durocher, 2015)。

升溫和溫度波動對鈣化和非鈣化株系的元素組成的影響趨勢存在株間差異, 而且兩株系對溫度波動的生理響應(yīng)在兩種不同的平均溫度條件下也有不同的趨勢, 這可能與其是否具有鈣化功能有關(guān)及兩株藻的最優(yōu)生長溫度范圍有關(guān)。在本研究中,盡管升溫降低了非鈣化株系的胞內(nèi)葉綠素、蛋白質(zhì)及碳水化合物含量, 但在溫度波動條件下, 這些指標(biāo)的含量均顯著上升; 溫度波動使非鈣化顆石藻胞內(nèi)大分子和元素含量與POC生產(chǎn)速率也都顯著升高。這表明溫度的波動變化可能在一定程度上增強了顆石藻的可塑性, 溫度升高導(dǎo)致的負(fù)效應(yīng)在一定程度上被波動狀態(tài)下短暫出現(xiàn)的良性條件所補償(Schuam, 2018)。通過對兩株系的生理響應(yīng)結(jié)果進行對比分析, 發(fā)現(xiàn)非鈣化株系各生理參數(shù)尤其是元素組成對升溫和溫度波動變化更為敏感, 而鈣化株系的組間差異較小。Flynn等(2016)研究揭示了顆石藻可通過鈣化作用保持藻細(xì)胞周圍微環(huán)境(如pH)處于相對穩(wěn)態(tài), 以抵抗外界環(huán)境變化, 而本研究中鈣化株系細(xì)胞元素組成的不敏感性也可能來自于顆石藻的鈣化作用對其應(yīng)對環(huán)境波動下的極端環(huán)境條件起緩沖保護作用。近期對同種甲藻不同株系的研究也發(fā)現(xiàn)了甲藻應(yīng)對溫度波動變化的生理響應(yīng)的株間效應(yīng)與其生活史所處溫度范圍有關(guān)(Fu, 2022)。顆石藻鈣化與非鈣化株系不同響應(yīng)的相關(guān)機制尚有待后續(xù)深入研究。

升溫與溫度波動均顯著削弱了兩株顆石藻的向下沉降, 且升溫對鈣化株系沉降速率的減緩作用尤為顯著。顆石藻鈣化作用產(chǎn)生的顆石粒的壓重效應(yīng)可大大加速顆石藻的沉降速率(Lecourt, 1996), 導(dǎo)致本研究中鈣化株系沉降速率遠高于非鈣化株系, 并隨著升溫引起的PIC生產(chǎn)即鈣化作用受到顯著削弱, 鈣化株系的沉降速率也顯著降低。且這種削弱作用在高溫波動環(huán)境中更加顯著, 并進一步降

低了鈣化株系的沉降速率。這主要是因為溫度的波動迫使藻細(xì)胞間歇性地應(yīng)對不利于其生長的極端高溫(29 °C) (Rosas-Navarr, 2016), 顆石藻細(xì)胞反復(fù)經(jīng)歷極端高溫環(huán)境會大幅削弱其鈣化作用降低其顆石粒的生成(Gerecht, 2014; Feng, 2017, 2018), 并隨之引起PIC/POC值的顯著降低。PIC和POC的比值即雨率(rain ratio)是碳向深海輸出的重要參數(shù)(Doney, 2009), 而顆石粒的壓重效應(yīng)推動的沉降對在海洋生物碳泵所主導(dǎo)的碳向深海的輸運與埋藏起到重要作用。本研究結(jié)果表明海水升溫可潛在削弱顆石藻相關(guān)的碳沉降, 而溫度震蕩變化將進一步加劇這種效應(yīng)。

本研究也進一步揭示了升溫與溫度波動對兩株顆石藻的生長及元素組成產(chǎn)生交互作用。升溫與溫度波動對兩株系顆石藻的交互作用表現(xiàn)為對生長速率的協(xié)同降低作用以及對碳水化合物含量的拮抗作用。升溫與溫度波動的交互對非鈣化顆石藻生理參數(shù)的影響多為拮抗, 這更加說明溫度波動可以緩解升溫對非鈣化顆石藻的不利影響。而鈣化株系由于其鈣質(zhì)外殼的存在, 致使升溫與溫度波動的交互未對其生理參數(shù)未出現(xiàn)完全一致的影響, 體現(xiàn)了升溫與溫度波動的交互對兩株系生理參數(shù)的影響存在株間差異。升溫與溫度波動兩種環(huán)境條件協(xié)同抑制了兩株系的生長速率, 這表明氣候變暖導(dǎo)致的海洋表層溫度升高及波動的頻率增加不利于顆石藻的生長, 進而加劇降低與顆石藻相關(guān)的由表層向深海輸出碳的速度。同樣的, Cabrerizo等(2021)通過總結(jié)分析近年來等相關(guān)研究結(jié)果, 也發(fā)現(xiàn)升溫與溫度波動對海洋微生物在從個體到種群以及不同時間尺度上均存在不同程度的復(fù)雜交互效應(yīng)。

4 結(jié)論與展望

顆石藻的非鈣化與鈣化株系的生長速率、元素組成及沉降速率等生理指標(biāo)均受到了升溫和溫度波動變化的影響, 而升溫和溫度波動變化對兩株的生長速率以及胞內(nèi)碳水化合物含量均產(chǎn)生了顯著的交互效應(yīng), 溫度的波動變化可能在一定程度上增強了顆石藻的可塑性。通過對兩株系的生理響應(yīng)結(jié)果進行對比分析, 結(jié)果表明非鈣化株系各生理參數(shù)對升溫和溫度波動變化更為敏感, 潛在表明顆石藻的鈣化作用可能對其應(yīng)對環(huán)境波動下的極端環(huán)境條件起緩沖保護作用。升溫和溫度波動變化顯著削弱了顆石藻的沉降速率, 可對顆石藻相關(guān)的海洋碳沉降與輸出產(chǎn)生顯著的削弱效應(yīng)。因此, 在全球變化背景下, 疊加在升溫基礎(chǔ)上的溫度波動變化的環(huán)境異質(zhì)性對海洋顆石藻的生理生態(tài)學(xué)效應(yīng)不容忽視。

值得注意的是, 盡管本研究初步發(fā)現(xiàn)顆石藻非鈣化及鈣化株系對升溫和溫度波動變化的響應(yīng)存在株間差異, 但其分子機制在本研究中并未涉及。因此, 未來的研究還需從分子水平如轉(zhuǎn)錄組及基因組層面對其機制進行深入分析。此外, 海洋中環(huán)境因子變化的時間尺度可從較短(幾秒至幾小時)一直到較長(幾十年至上百年)甚至到更長的特征時間尺度(Kremer, 2018), 而環(huán)境變化作用于浮游植物的長期效應(yīng)可能不同于短期效應(yīng)。要更準(zhǔn)確地預(yù)測顆石藻對未來全球氣候變化的響應(yīng)和相關(guān)機制, 也需要從進化學(xué)的角度研究顆石藻應(yīng)對溫度波動震蕩變化的長期響應(yīng)趨勢。

王鑫威, 2019. 溫度波動和CO2濃度升高對典型浮游植物的影響[D]. 廈門: 廈門大學(xué): 69-74.

馮媛媛, 席茂年, 2020. 全球氣候變化下的海洋顆石藻生理生態(tài)學(xué)響應(yīng)研究進展[J]. 海洋環(huán)境科學(xué), 39(6): 945-952.

郭世安, 張海彥, 魏皓, 等, 2022. 2013～2019年渤海夏季高溫現(xiàn)象及機制分析[J]. 海洋與湖沼, 53(2): 269-277.

BERNHARDT J R, O’CONNOR M I, SUNDAY J M,, 2020. Life in fluctuating environments [J]. Philosophical Transactions of the Royal Society B, 375(1814): 20190454.

Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences, 285(1886): 20181076.

BIENFANG P K, 1981. SETCOL – a technologically simple and reliable method for measuring phytoplankton sinking rates [J]. Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences, 38(10): 1289-1294.

BOYD P W, STRZEPEK R, FU F X,, 2010. Environmental control of open-ocean phytoplankton groups: now and in the future [J]. Limnology and Oceanography, 55(3): 1353-1376.

BRADFORD M M, 1976. A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein-dye binding [J]. Analytical Biochemistry, 72(1/2): 248-254.

BROWN C W, 1995. Global distribution of coccolithophore blooms [J]. Oceanography, 8(2): 59-60.

CABRERIZO M J, MARA?óN E, 2021. Temperature fluctuations in a warmer environment: impacts on microbial plankton [J]. Faculty Reviews, 10: 9.

CUBILLOS J C, WRIGHT S W, NASH G,, 2007. Calcification morphotypes of the coccolithophoridin the Southern Ocean: changes in 2001 to 2006 compared to historical data [J]. Marine Ecology Progress Series, 348: 47-54.

DOBLIN M A, VAN SEBILLE E, 2016. Drift in ocean currents impacts intergenerational microbial exposure to temperature [J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 113(20): 5700-5705.

DONEY S C, FABRY V J, FEELY R A,, 2009. Ocean acidification: the other CO2problem [J]. Annual Review of Marine Science, 1(1): 169-192.

DUBOIS M, GILLES K A, HAMILTON J K,, 1956. Colorimetric method for determination of sugars and related substances [J]. Analytical Chemistry, 28(3): 350-356.

EPPLEY R W, 1972. Temperature and phytoplankton growth in the sea [J]. Fishery Bulletin, 70(4): 1063-1085.

FENG Y Y, ROLEDA M Y, ARMSTRONG E,, 2017. Environmental controls on the growth, photosynthetic and calcification rates of a Southern Hemisphere strain of the coccolithophore[J]. Limnology and Oceanography, 62(2): 519-540.

FENG Y Y, ROLEDA M Y, ARMSTRONG E,, 2018. Environmental controls on the elemental composition of a Southern Hemisphere strain of the coccolithophore[J]. Biogeosciences, 15(2): 581-595.

FENG Y Y, WARNER M E, ZHANG Y H,, 2008. Interactive effects of increased pCO2, temperature and irradiance on the marine coccolithophore(Prymnesiophyceae) [J]. European Journal of Phycology, 43(1): 87-98.

FISCHETTI M, 2013. Deep heat threatens marine life [J]. Scientific American, 308(4): 92.

FLYNN K J, CLARK D R, WHEELER G, 2016. The role of coccolithophore calcification in bioengineering their environment [J]. Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences, 283(1833): 20161099.

FU F X, TSCHITSCHKO B, HUTCHINS D A,, 2022. Temperature variability interacts with mean temperature to influence the predictability of microbial phenotypes [J]. Global Change Biology, 28(19): 5741-5754.

FU F X, YU E, GARCIA N S,, 2014. Differing responses of marine N2fixers to warming and consequences for future diazotroph community structure [J]. Aquatic Microbial Ecology, 72(1): 33-46.

GAO K S, BEARDALL J, H?DER D P,, 2019. Effects of ocean acidification on marine photosynthetic organisms under the concurrent influences of warming, UV radiation, and deoxygenation [J]. Frontiers in Marine Science, 6: 322.

GERECHT A C, ?UPRAHA L, EDVARDSEN B,, 2014. High temperature decreases the PIC/POC ratio and increases phosphorus requirements in(Haptophyta) [J]. Biogeosciences, 11(13): 3531-3545.

GUILLARD R R, RYTHER J H, 1962. Studies of marine planktonic diatoms: I.nana Hustedt, and(cleve) Gran [J]. Canadian Journal of Microbiology, 8(2): 229-239.

HAGINO K, OKADA H, MATSUOKA H, 2005. Coccolithophore assemblages and morphotypes ofin the boundary zone between the cold Oyashio and warm Kuroshio currents off the coast of Japan [J]. Marine Micropaleontology, 55(1/2): 19-47.

HALSEY K H, JONES B M, 2015. Phytoplankton strategies for photosynthetic energy allocation [J]. Annual Review of Marine Science, 7(1): 265-297.

HOBDAY A J, ALEXANDER L V, PERKINS S E,, 2016. A hierarchical approach to defining marine heatwaves [J]. Progress in Oceanography, 141: 227-238.

HUTCHINS D A, DITULLIO G R, ZHANG Y,, 1998. An iron limitation mosaic in the California upwelling regime [J]. Limnology and Oceanography, 43(6): 1037-1054.

IPCC, 2022. Climate Change 2022: impacts, adaptation and vulnerability [R/OL]. (2022-02-28) [2022-05-09]. https:// www.ipcc.ch/report/ar6/wg2/.

IUCN, 2016. Explaining ocean warming: causes, scale, effects and consequences [R/OL]. 359-372. (2016-08-19) [2022-05-09]. https://doi.org/10.2305/IUCN.CH.2016.08.en.

JENSEN J L W V, 1906. Sur les fonctions convexes et les inégalités entre les valeurs moyennes [J]. Acta Mathematica, 30(1): 175-193.

KREMER C T, FEY S B, ARELLANO A A,, 2018. Gradual plasticity alters population dynamics in variable environments: thermal acclimation in the green alga[J]. Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences, 285(1870): 20171942.

LECOURT M, MUGGLI D L, HARRISON P J, 1996. Comparison of growth and sinking rates of non-coccolith- and coccolith-forming strains of(Prymnesiophyceae) grown under different irradiances and nitrogen sources [J]. Journal of Phycology, 32(1): 17-21.

LEINWEBER A, GRUBER N, FRENZEL H,, 2009. Diurnal carbon cycling in the surface ocean and lower atmosphere of Santa Monica Bay, California [J]. Geophysical Research Letters, 36(8): L08601.

MCINTYRE A, Bé A W H, 1967. Modern coccolithophoridae of the Atlantic ocean–I. Placoliths and Cyrtoliths [J]. Deep Sea Research and Oceanographic Abstracts, 14(5): 561-597.

NORBERG J, 2004. Biodiversity and ecosystem functioning: a complex adaptive systems approach [J]. Limnology and Oceanography, 49(4): 1269-1277.

O’DONNELL D R, HAMMAN C R, JOHNSON E C,, 2017. Temperature selection drives evolution of function-valued traits in a marine diatom [J]. bioRxiv, doi: 10.1101/167817.

O’DONNELL D R, HAMMAN C R, JOHNSON E C,, 2018. Rapid thermal adaptation in a marine diatom reveals constraints and trade-offs [J]. Global Change Biology, 24(10): 4554-4565.

PARMESAN C, YOHE G, 2003. A globally coherent fingerprint of climate change impacts across natural systems [J]. Nature, 421(6918): 37-42.

PERKINS-KIRKPATRICK S E, LEWIS S C, 2020. Increasing trends in regional heatwaves [J]. Nature Communications, 11(1): 3357.

PIGGOTT J J, TOWNSEND C R, MATTHAEI C D,, 2015. Reconceptualizing synergism and antagonism among multiple stressors [J]. Ecology and Evolution, 5(7): 1538-1547. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ece3.1465.

POULTON A J, ADEY T R, BALCH W M,, 2007. Relating coccolithophore calcification rates to phytoplankton community dynamics: regional differences and implications for carbon export [J]. Deep Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography, 54(5/6/7): 538-557.

QU P P, FU F X, HUTCHINS D A, 2018. Responses of the large centric diatomsp. to interactions between warming, elevated CO2, and nitrate availability [J]. Limnology and Oceanography, 63(3): 1407-1424.

RASCONI S, WINTER K, KAINZ M J, 2017. Temperature increase and fluctuation induce phytoplankton biodiversity loss – Evidence from a multi-seasonal mesocosm experiment [J]. Ecology and Evolution, 7(9): 2936-2946.

RAVEN J A, GEIDER R J, 1988. Temperature and algal growth [J]. New Phytologist, 110(4): 441-461.

REYNOLDS C S, 2006a. Photosynthesis and carbon acquisition in phytoplankton [M] // REYNOLDS C S. The Ecology of Phytoplankton. Cambridge, UK: Cambridge University Press: 93-144.

REYNOLDS C S, 2006b. Nutrient uptake and assimilation in phytoplankton [M] // REYNOLDS C S. The Ecology of Phytoplankton. Cambridge, UK: Cambridge University Press: 145-177.

ROSAS-NAVARRO A, LANGER G, ZIVERI P, 2016. Temperature affects the morphology and calcification ofstrains [J]. Biogeosciences, 13(10): 1-22.

ROST B, RIEBESELL U, 2004. Coccolithophores and the biological pump: responses to environmental changes [M] // THIERSTEIN H R, YOUNG J R. Coccolithophores. Berlin, Germany: Springer: 99-125.

SALINGER M J, 2005. Climate variability and change: past, present and future - An overview [J]. Climatic Change, 70(1/2): 9-29.

SCHAUM C E, BUCKLING A, SMIRNOFF N,, 2018. Environmental fluctuations accelerate molecular evolution of thermal tolerance in a marine diatom [J]. Nature Communications, 9(1): 1719.

SETT S, BACH L T, SCHULZ K G,, 2014. Temperature modulates coccolithophorid sensitivity of growth, photosynthesis and calcification to increasing seawaterCO2[J]. PLoS One, 9(2): e88308.

SHURIN J B, WINDER M, ADRIAN R,, 2010. Environmental stability and lake zooplankton diversity-contrasting effects of chemical and thermal variability [J]. Ecology Letters, 13(4): 453-463.

SOLóRZANO L, SHARP J H, 1980. Determination of total dissolved phosphorus and particulate phosphorus in natural waters [J]. Limnology and Oceanography, 25(4): 754-758.

TOSELAND A, DAINES S J, CLARK J R,, 2013. The impact of temperature on marine phytoplankton resource allocation and metabolism [J]. Nature Climate Change, 3(11): 979-984.

TYRRELL T, MERICO A, 2004.: bloom observations and the conditions that induce them [M] // THIERSTEIN H R, YOUNG J R. Coccolithophores. Berlin, Germany: Springer: 75-79.

VASSEUR D A, DELONG J P, GILBERT B,, 2014. Increased temperature variation poses a greater risk to species than climate warming [J]. Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences, 281(1779): 20132612.

WANG X W, FU F X, QU P P,, 2019. How will the key marine calcifierrespond to a warmer and more thermally variable ocean? [J]. Biogeosciences, 16(22): 4393-4409.

WELSCHMEYER N A, 1994. Fluorometric analysis of chlorophyll a in the presence of chlorophyllb and pheopigments [J]. Limnology and Oceanography, 39(8): 1985-1992.

WESTBROEK P, BROWN C W, VAN BLEIJSWIJK J,, 1993. A model system approach to biological climate forcing. The example of[J]. Global and Planetary Change, 8(1/2): 27-46.

WILLIAMS I N, TORN M S, RILEY W J,, 2014. Impacts of climate extremes on gross primary production under global warming [J]. Environmental Research Letters, 9(9): 094011.

WINTER A, HENDERIKS J, BEAUFORT L,, 2014. Poleward expansion of the coccolithophore[J]. Journal of Plankton Research, 36(2): 316-325.

YVON-DUROCHER G, DOSSENA M, TRIMMER M,, 2015. Temperature and the biogeography of algal stoichiometry [J]. Global Ecology and Biogeography, 24(5): 562-570.

ZONDERVAN I, ROST B, RIEBESELL U, 2002. Effect of CO2concentration on the PIC/POC ratio in the coccolithophoregrown under light-limiting conditions and different daylengths [J]. Journal of Experimental Marine Biology and Ecology, 272(1): 55-70.

STRAIN SPECIFIC RESPONSES OF COCCOLITHOPHORETO WARMING AND TEMPERATURE FLUCTUATION

WANG Ya-Nan1, 2, FENG Yuan-Yuan2, 3, LI Tong-Tong1, CAI Ting4, BAI You-Cheng4

(1. College of Marine and Environmental Sciences, Tianjin University of Science and Technology, Tianjin 300457, China; 2. School of Oceanography, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200030, China; 3. Shanghai Polar Frontier Scientific Research Base; Shanghai 200030, China; 4. Second Institute of Oceanography, Ministry of Natural Resources, Hangzhou 310012, China)

Under global climate change, with increased frequency of extreme weather, marine organisms are also affected by environmental heterogeneity—the fluctuation of environmental conditions based on average level. Therefore, the strain-specific effects of temperature fluctuation on coccolithophores was studied by conducting a semi-continuous incubation on a non-calcified and a calcified strain of coccolithophore, an important role player in marine carbon cycle. The physiological responses of the two strains to ocean warming and temperature fluctuation at low (20 °C) and high (25 °C) mean temperatures were examined. Results suggest that the temperature increase and fluctuation inhibited the growth of, while significant interactive effects of temperature increase or fluctuation on growth and cellular carbohydrate content of two strains of, PIC content of non-calcified, and protein and PIC contents of calcifiedwere observed. Temperature fluctuation enhanced the adaptability of coccolithphores in response to an elevated temperature. Comparison between the physiological responses of the two strains reveals that the physiology of non-calcified strain was more sensitive to warming and temperature fluctuation, indicating that the calcification of coccolithophores may play a protective role in an extreme environment change. Warming and temperature fluctuation significantly decreased the sinking rate of coccolithophores, suggesting a weakened carbon export by coccolithophores in a warmer and temperature fluctuating environment. Therefore, to precisely predict the response of marine coccolithophores to climate change and the biogeochemical feedbacks, the effects of temperature fluctuation should be considered.

coccolithophores; ocean warming; temperature fluctuations; calcification; strain specific responses

Q948

10.11693/hyhz20220500122

*國家自然科學(xué)基金, 41676160號; 天津市自然科學(xué)基金項目, 1JCYBJC22900號; 上海市極地前沿科學(xué)研究基地資助項目。王雅婻, 碩士研究生, E-mail: 13654956546@163.com

馮媛媛, 研究生導(dǎo)師, 副教授, E-mail: yuanyuan.feng@sjtu.edu.cn, yyfengcocco@126.com

2021-05-09,

2022-08-10