漂浮状态浒苔(Ulva prolifera)光合系统对典型环境变化的适应特征及其机理的研究

摘要

绿潮(green tides)是大型定生绿藻脱离固着基后漂浮并不断增殖，在此漂浮过程中其生物量迅速扩增，最终形成的藻类灾害防治。近年来，世界范围内绿潮的发生频率和影响规模呈明显上升趋势。我国黄海海域于2007-2014年连续暴发了的大规模绿潮，被科研工作者称为黄海绿潮。黄海绿潮连续八年的大规模暴发给暴发区的经济、生产生活甚至生态环境造成了严重的影响。黄海绿潮多年持续的暴发有其典型的特征:1、黄海绿潮单一优势种为浒苔（U.prolifera）;2、异地成灾，形成于江苏近岸，在日照、青岛等城市近岸沿海成灾;3、绿潮暴发时浒苔脱离固着基营漂浮状态生活。因此，浒苔长时间长距离漂浮迁移是黄海绿潮暴发最典型的特征。光照、温度、盐度等环境变化对海水表层的影响最为剧烈，浒苔能够如此长时间长距离漂浮迁移，其自身必定有能够适应海水表层环境剧烈变化的特征。然而截止目前，针对漂浮状态浒苔适应特征的研究较少。光合作用是植物体物质和能量储备的源动力，因此推测浒苔光合系统对海水表层剧烈的环境变化有其特有的适应特征，鉴于此，我们研究了上层及下层漂浮状态浒苔光合作用光反应阶段在绿潮暴发期的差异，探讨了漂浮状态浒苔光合系统对典型环境变化的适应特征及其机理。结果发现:
　　1、光合色素分析表明浒苔下层藻体叶绿素各组分均显著高于上层浒苔，而Chl a/Chlb结果则相反。
　　2、叶绿素荧光分析表明浒苔下层藻体最大潜在光合效率(Fv/Fm)显著高于上层藻体，且浒苔藻体PSⅡ和PSⅠ的光合有效量子产量[Y(Ⅰ)和Y(Ⅱ)]有相似的趋势，快速光响应曲线(RLCs)结果也可以进一步证明此结论。各项数据均表明下层藻体光合作用活性高于上层藻体。
　　3、荧光淬灭分析表明，浒苔上层藻体具有更高的非光化学能量耗散的量子产量[Y(NO）、Y(NPQ)、Y(ND)及Y(NA）]，说明上层浒苔与下层藻体相比虽然虽然藻体遭受较大环境扰动，但是其可以有效进行光保护，可以较好的适应这一环境变化。
　　4、PSⅡ、PSⅠ能量分配结果分析表明，上层藻体更多的将能量由PSⅡ向PSⅠ传递，当向两种状态浒苔藻体中加入抑制剂，可以发现上层藻体更多的依赖于PSⅠ的环式电子传递来进行光保护，以分担从PSⅡ传递来的较多的能量。
　　5、基因转录水平研究结果表明下层浒苔藻体中LhcSR基因及PsbS基因转录量水平均显著高于上层浒苔(P＜0.01，ANOVA)，说明上层藻体在遭受海水表层剧烈的环境变化诱导后，LhcSR及PsbS基因转录量上调，进一步从分子水平证明上层藻体在受到环境因子胁迫后，非光化学淬灭机制正常工作，将多余能量耗散掉，以达到光保护的作用。
　　由本研究结果可以推论:浒苔自身极强的光合作用能力保证了浒苔在长时间长距离迁移过程中能够获得足够的能量来实现自身生物量的不断扩增。另外，由于海浪等的作用，漂浮浒苔上下层之间是不断转变的，浒苔能够在长时间长距离漂浮迁移过程中适应不断转变的环境是与其光合可塑性分不开的，这种可塑性主要表现在:转变到下层的浒苔受到的光照强度相对较弱，可以通过提高叶绿素a、叶绿素b含量及降低Chla/Chlb比值等途径来提高利用光能的能力，进而提高其光合作用水平;其次，上层浒苔往往受到高光强、高温、盐度剧烈变化等环境胁迫，转变到上层的浒苔可以通过光合量子调节（能量淬灭及PSⅡ/PSⅠ之间能量重新分配）等途径来耗散掉多余韵能量避免光合系统受到不可逆的破坏，以使其更好的适应复杂的环境。
　　本论文首次以黄海绿潮浒苔长时间长距离漂浮迁移的特征为研究切入点，同时研究了漂浮状态浒苔PSⅡ及PSⅠ间的能量分配情况及能量分配典型特征对相应环境压力的适应机理;阐释了浒苔光合系统对漂浮迁移过程中典型环境变化的适应特征及机理，为浒苔绿潮的防治提供理论基础。

目录

声明

摘要

绪论

1 绿潮发生背景

2 绿潮绿藻

2．1 绿潮海藻分类

2．2 黄海绿潮海藻构成种

3 历年来我国境内黄海沿岸暴发的大规模绿潮

4 绿潮的暴发及其危害

4．1 绿潮的暴发机理

4．2 绿潮的危害

5 漂浮生长的绿潮海藻浒苔

5．1 绿潮海藻浒苔暴发状态及暴发起源地

5．2 环境因子对漂浮浒苔的影响

6 叶绿素荧光技术、P700测定及光合基因定量表达研究

6．1 光合作用

6．2 光反应过程

6．3 光系统Ⅱ与光系统Ⅰ(PSⅡ和PSⅠ)及光保护

6．4 叶绿素荧光测定

6．5 P700测定

6．6 荧光定量PCR

7 研究目的、内容及意义

第一章 实验体系的构建

1 实验设计

2 样品采集及处理

3 生理水平研究实验体系的构建

3．1 光合色素测定

3．2 叶绿素荧光参数的选择

3．3 电子传递抑制剂选择及处理

4 分子水平研究实验体系的构建

4．1 光合系统关键蛋白的选择-LHC

4．2 目的基因的确定-PsbS、LhcSR

4．3 引物设计

第二章 生理水平研究漂浮状态浒苔光合系统对典型环境变化的响应差异

1 研究材料与方法

1．1 研究材料

1．2 光合色素分析

1．3 PSⅡ叶绿素荧光参数分析

1．4 PSⅠ参数分析

1．5 抑制剂DCMU处理

1．6 数据处理与统计

2 实验结果

2．1 光合色素含量测定

2．2 最大潜在光合效率测定(Fv／Fm)

2．3 PSⅡ和PSⅠ的光合有效量子产量[Y(Ⅰ)和Y(Ⅱ)]

2．4 PSⅡ及PSⅠ非光化学量子产额分析

2．5 快速光响应曲线(RLCs)分析

2．6 能量在PSⅡ及PSⅠ之间分配情况分析

2．7 加入抑制剂后电子传递速率变化情况

3 讨论

4 本章结论

第三章 分子水平研究漂浮状态浒苔光合系统对典型环境变化的响应差异

1 研究材料与方法

1．1 研究材料

1．2 浒苔总RNA提取

1．3 反转录PCR

1．4 引物设计

1．5 荧光定量PCR

1．6 数据处理与统计

2 分子水平实验结果

2．1 总RNA抽提结果

2．2 荧光定量PCR结果

3 结果讨论

4 本章结论

第四章 结论与创新性

1 结论

2 创新性

参考文献

致谢

个人简历

学术论文发表情况