氣候變化對(duì)海藻龍須菜生長與光合作用耐熱特性的影響

氣候變化對(duì)海藻龍須菜生長與光合作用耐熱特性的影響丁柳麗;鄒定輝;劉露;鄧亞運(yùn)【摘要】為探討大氣CO2升高和溫室效應(yīng)對(duì)龍須菜生長及生理生化特性的影響，在4種條件下培養(yǎng)龍須菜:1)對(duì)照組(390pL/LCO2+20^),2)CO2升高組(700"/LCO2+20°C),3)溫度升高組(390pL/LCO2+24°C),4)溫室效應(yīng)組(700pL/LCO2+24。0,測(cè)定藻體生長和生化組分以及高溫脅迫下的最大光化學(xué)量子產(chǎn)量(Fv/Fm)和光能利用效率(a)、光合速率(Pn)和呼吸速率(Rd).結(jié)果表明,CO2升高、溫度升高以及溫室效應(yīng)均促進(jìn)龍須菜的生長，溫室效應(yīng)下的促進(jìn)作用更明顯.溫室效應(yīng)使龍須菜具較高的Pn和Rd以及較低的可溶性蛋白(SP)和可溶性碳水化合物(SC)含量.高濃度CO2對(duì)葉綠素(Chla)和類胡蘿卜素(Car)含量沒有顯著影響而高溫使其上升;藻紅蛋白(PE)和藻藍(lán)蛋白(PC)含量不受CO2濃度和溫度的影響.龍須菜Fv/Fm、a、Pn和Rd值在32。處理3h后略有上升，在36C處理3h后下降，而在40。處理20min后降到極低水平.正常溫度(20。)生長的龍須菜最高耐受溫度在32-36C之間，而較高溫(24。)生長的龍須菜在36-40C之間;生長溫度對(duì)光合作用和呼吸作用耐熱性能的影響比CO2濃度的影響更大;而溫室效應(yīng)生長條件下的龍須菜光合作用表現(xiàn)出更突出的耐熱性能.【期刊名稱】《生態(tài)學(xué)報(bào)》【年(卷)，期】2015(035)010【總頁數(shù)】11頁(P3267-3277)【關(guān)鍵詞】CO2;溫度;龍須菜;生化組分;葉綠素?zé)晒?光合作用;呼吸作用【作者】丁柳麗;鄒定輝;劉露;鄧亞運(yùn)【作者單位】華南理工大學(xué)環(huán)境與能源學(xué)院廣州510006；華南理工大學(xué)環(huán)境與能源學(xué)院，廣州510006;工業(yè)聚集區(qū)污染控制與生態(tài)修復(fù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州I510006;華南理工大學(xué)環(huán)境與能源學(xué)院廣州510006;華南理工大學(xué)環(huán)境與能源學(xué)院廣州510006【正文語種】中文自然界中因植物光合作用和呼吸作用所引起的CO2交換量遠(yuǎn)大于因化石燃料燃燒所產(chǎn)生的CO2量［1］。因此，CO2濃度和溫度對(duì)植物光合作用和呼吸作用的影響，在極大程度上影響著全球大氣的變化。預(yù)計(jì)在21世紀(jì)末，CO2的濃度將上升到700m/L至1000pL/L,其所引起的全球變暖將導(dǎo)致全球海洋表面平均溫度上升1.0—4.4OC［2］。大氣中CO2濃度的上升將導(dǎo)致表層海水pH值下降0.3—0.4個(gè)單位，即海水中的H+將增加150%［3］，這種海水的酸化將進(jìn)一步導(dǎo)致海水無機(jī)碳系統(tǒng)(DIC)的改變。通常pH為8.2的天然海水中，DIC的3種形態(tài)和CO2所占比例分別約為90%、9%和1%。大氣中CO2濃度的加倍將引起表層海中水溶性CO2加倍，而對(duì)的影響則較小，其濃度僅從2.2mmol/L增加到2.34mmol/L［4］。CO2濃度升高對(duì)具有〃生物泵”功能的大型海藻生理生化以及無機(jī)碳的利用都會(huì)產(chǎn)生影響［5］。大型海藻對(duì)高CO2濃度的響應(yīng)很大程度上取決于其在天然海水系統(tǒng)中的無機(jī)碳受限程度［6］。大型海藻光合固碳作用因?yàn)楹Ｋ蠧O2溶解性和擴(kuò)散速率較低自發(fā)脫水形成CO2的速率較低以及光合作用關(guān)鍵酶對(duì)CO2親和力較低等因素而受到限制［7］。海藻在長期適應(yīng)生境的過程中逐步調(diào)整無機(jī)碳的利用方式，使得大部分海藻都具有碳濃縮機(jī)制(CCM),具有直接或者間接利用海水中的的能力，使得自然海水中的碳系統(tǒng)基本能滿足海藻光合作用對(duì)碳的需求。海藻對(duì)無機(jī)碳利用機(jī)制的不同使得其對(duì)高CO2濃度的響應(yīng)不同。此外，大氣CO2濃度對(duì)海藻的影響還與生長在潮間帶周期性干出和沉沒的生境特點(diǎn)有關(guān)，光合作用所利用的無機(jī)碳形式在CO2和之間轉(zhuǎn)變，也影響大型海藻對(duì)大氣CO2濃度升高的響應(yīng)［5］。CO2濃度升高除了影響大型海藻光合生理特性外，還影響生化組分含量。已有研究表明，高CO2濃度培養(yǎng)使條滸苔的葉綠素含量及可溶性蛋白含量下降，而可溶性碳水化合物含量增加［8］。高CO2濃度還會(huì)導(dǎo)致光合作用關(guān)鍵酶一酸酐酶(CA)和核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶(Rubisco)含量或活性下降［9］。CA酶活性下降影響了其催化脫水形成CO2的速率，CA酶及Rubisco酶活性的下降將直接或間接影響光合碳固定速率，進(jìn)而影響海藻光合特性。有研究發(fā)現(xiàn)，葉綠素a以及藻膽蛋白在高CO2濃度下也有所下降［10］。光合作用酶以及色素的下降影響著光合無機(jī)碳的利用以及光能的獲取。大氣CO2濃度上升引起的溫度變化也影響大型海藻生命活動(dòng)。光合作用涉及到的—系列酶促反應(yīng)以及作為光合作用反應(yīng)場(chǎng)所的葉綠體膜完整性幾乎都受溫度的影響。Kubler等［11］早期研究表明，角叉菜對(duì)其生長溫度的適應(yīng)很大程度上決定了其耐熱性能和熱脅迫后的恢復(fù)能力。溫度變化可導(dǎo)致光飽和光合作用電子傳遞或者碳代謝受抑制，從而影響海藻光合作用特性［12］。此外，隨著溫度的升高，Rubisco酶對(duì)O2的親和力逐漸增加并高于其對(duì)CO2的親和力，從而導(dǎo)致光呼吸作用增加，這種高溫引起的光呼吸作用增強(qiáng)也會(huì)影響飽和光合作用速率。雖然原初光化學(xué)反應(yīng)不受溫度的影響，但是光反應(yīng)階段的電子傳遞和光合磷酸化過程以及質(zhì)體醌的擴(kuò)散等與溫度密切相關(guān)，因此溫度會(huì)影響光能捕獲效率或者光能利用效率［12］。目前由于全球氣候變暖導(dǎo)致海洋表層平均溫度升高，同時(shí)大氣CO2濃度升高也使得表層海水酸化，這些顯著影響了海藻生長和栽培的生態(tài)環(huán)境條件。龍須菜作為廣泛分布在中國南方及北方海域的重要大型經(jīng)濟(jì)海藻之一，其生長及光合作用對(duì)溫度的耐受性是龍須菜應(yīng)對(duì)溫室效應(yīng)的重要影響因素。有研究表明龍須菜利用無機(jī)碳的方式主要是：通過胞外CA酶催化脫氫形成CO2，再擴(kuò)散進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)被Rubisco酶固定［13］。目前已有關(guān)于大氣CO2和溫度耦聯(lián)對(duì)幾種微藻［14-15］生理生化特性的研究，而對(duì)龍須菜生長和光合及生化特性在大氣CO2升高背景下的研究也考慮到了其他環(huán)境因素的共同影響，如光強(qiáng)［16］、氮營養(yǎng)鹽［17］等，然而關(guān)于CO2和溫度對(duì)龍須菜共同作用的研究則相對(duì)較少。在大氣CO2濃度加倍以及溫度上升4—5°C的溫室效應(yīng)背景下，本實(shí)驗(yàn)以正常條件(390pL/L+20°C)下生長的龍須菜為對(duì)照組，將CO2升高(700pL/L+20°C)、溫度升高(390pL/L+24。。以及溫室效應(yīng)(700pL/L+24°C)下生長的龍須菜與對(duì)照組進(jìn)行比較，探討以下3個(gè)問題：1)不同CO2濃度和溫度生長條件對(duì)龍須菜的生長和生化含量的影響；2)CO2濃度和溫度對(duì)龍須菜生理生化特性的影響是否存在相互作用；3)不同CO2濃度和溫度生長是否會(huì)影響龍須菜光合作用及生理特性對(duì)短時(shí)高溫的耐受性。1.1龍須菜采集及暫養(yǎng)龍須菜生長期為每年的1—6月，于2012年5月采自汕頭南澳島，此時(shí)汕頭海域水溫約為20°C。低潮時(shí)從潮間帶采集健康無損的龍須菜，用裝有少量海水的保溫箱將藻體控制在低溫并在最短時(shí)間內(nèi)運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室。藻體在溫度20°C和光照強(qiáng)度150—200pmolm-2s-1條件下進(jìn)行持續(xù)通氣暫養(yǎng)，光照周期為L：D=12h：12h(光照時(shí)間為9:00至21:00)。培養(yǎng)海水為過濾的天然海水，鹽度為32，添加一定濃度的NaNO3和NaH2PO4并使其終濃度分別為200pmol/L和25pmol/L。暫養(yǎng)3d后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。1.2實(shí)驗(yàn)處理及測(cè)定方法準(zhǔn)備12個(gè)裝有5L天然過濾海水的三角瓶來培養(yǎng)龍須菜，每個(gè)三角燒瓶中加入6.15g(±0.04g)龍須菜。將2個(gè)植物培養(yǎng)箱CO2濃度設(shè)定為700pL/L,溫度分別設(shè)定為20。。和24°C兩個(gè)溫度，每個(gè)溫度下放置6個(gè)重復(fù)樣，向其中3個(gè)平行樣通入正?？諝?通過氣泵從外界泵入空氣流通良好區(qū)域的空氣，CO2濃度約為390pL/L)，向另外3個(gè)平行樣通入高CO2濃度空氣(通過氣泵從培養(yǎng)箱內(nèi)泵入高CO2濃度的空氣，CO2濃度約為700pL/L)oM他條件與暫養(yǎng)條件一致。綜上所述，實(shí)驗(yàn)中龍須菜的4種培養(yǎng)條件分別為：1)對(duì)照組或CK組(390pL/L+20。0;2)CO2升高組(700pL/L+20°C);3)溫度升高組(390pL/L+24°C);4)溫室效應(yīng)組(700pL/L+24C)。培養(yǎng)10d后進(jìn)行相關(guān)生理生化特性測(cè)定及溫度脅迫實(shí)驗(yàn)。1.2.1生長和生化組分培養(yǎng)期間，每?jī)商旄鼡Q海水時(shí)測(cè)定龍須菜鮮重(FW,g),稱量前用吸水紙吸干藻體表面水分，通過相對(duì)生長速率(RGR,%d-1)來衡量藻體生長趨勢(shì)，計(jì)算公式為式中M0為初始鮮重，Mt為培養(yǎng)t天后的藻體鮮重。可溶性蛋白(SP)含量的測(cè)定采用考馬斯亮藍(lán)G-250染料結(jié)合法［18］。利用苯酚-硫酸法測(cè)定可溶性碳水化合物(SC)含量［19］。參照Beer和Eshel［20］的方法測(cè)定藻紅蛋白(PE)和藻藍(lán)蛋白(PC)含量。根據(jù)Jensen［21］,采用丙酮提取法測(cè)定葉綠素(Chla)和類胡蘿卜素(Car)的含量。1.2.2高溫脅迫對(duì)葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響培養(yǎng)結(jié)束后，將不同條件下生長的龍須菜進(jìn)行短期高溫(32、36。。和40。。)脅迫處理，并測(cè)定其葉綠素?zé)晒鈪?shù)隨時(shí)間的變化。從4種培養(yǎng)條件下生長的龍須菜中各自選出6枝生長狀態(tài)一致的藻體，放入預(yù)先準(zhǔn)備好的4個(gè)三角燒瓶?jī)?nèi)進(jìn)行脅迫處理(用光照培養(yǎng)箱將4個(gè)裝有1L過濾天然海水的三角燒瓶的溫度控制在脅迫溫度，實(shí)驗(yàn)前海水至少通氣12h以保證海水中無機(jī)碳系統(tǒng)達(dá)到平衡)，務(wù)必使龍須菜在脅迫處理時(shí)的通氣條件與其培養(yǎng)時(shí)的通氣條件保持一致。在高溫32。。和36C脅迫0、0.5、1、3h和6h時(shí)和高溫40C脅迫的0h、5min、10min、20min和30min時(shí)測(cè)定龍須菜葉綠素?zé)晒鈪?shù)。利用調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨xJunior-PAM(Walz,German)測(cè)定葉綠素?zé)晒鈪?shù)。向藻體連續(xù)照射8個(gè)光強(qiáng)梯度的光化光(66—820pmolm-2s-1)，照射間隔為10s,得到快速光曲線。光系統(tǒng)n(PSH)的最大光化學(xué)量子產(chǎn)量Fv/Fm可通過公式計(jì)算[22]:Fv/Fm=(Fm-Fo)/Fm，其中Fm為最大熒光值，F(xiàn)o為最小熒光值；對(duì)快速光曲線的非線性曲線擬合可得光能利用效率a，擬合公式[23]為：rETR=rETRmax?tanh(a?PPFD/rETRmax)，式中：rETR為相對(duì)電子傳遞速率；rETRmax為相對(duì)最大電子傳遞速率；PPFD為光量子通量密度。1.2.3高溫脅迫對(duì)呼吸速率和光合放氧速率的影響高溫脅迫處理方法與1.2.2相同，分別在高溫32°C和36°C脅迫的0、1、3h和6h時(shí)以及高溫40°C脅迫的0、10、20min和30min時(shí)測(cè)定各條件下生長的龍須菜呼吸速率(黑暗狀態(tài))和光合放氧速率(飽和光強(qiáng)400pmolm-2s-1)。呼吸速率和光合放氧速率采用氧電極測(cè)定(YSI-5300,USA)。將龍須菜剪成0.8cm左右的小段，放在原生長條件下至少恢復(fù)1h。稱取約0.15g鮮重藻樣，放入裝有8mL反應(yīng)介質(zhì)的反應(yīng)槽中，利用循環(huán)水浴使反應(yīng)槽的溫度與脅迫溫度保持一致。黑暗狀態(tài)利用不透光塑料膜遮蓋反應(yīng)槽所得，飽和光強(qiáng)通過光量子計(jì)測(cè)定來調(diào)節(jié)光源與反應(yīng)槽間距離而得。測(cè)定過程中用轉(zhuǎn)子不斷攪拌反應(yīng)介質(zhì)，每次測(cè)定在5min至10min內(nèi)完成。1.3統(tǒng)計(jì)與分析采用Origin8.0軟件繪制圖形，利用SPSS軟件進(jìn)行t-檢驗(yàn)或單因子方差分析鑒定數(shù)據(jù)差異性，設(shè)P<0.05為顯著性差異水平。2.1生長和生化組分含量如圖1所示，各組龍須菜FW隨時(shí)間的變化呈上升趨勢(shì)。CO2升高組、溫度升高組以及溫室效應(yīng)組龍須菜FW和RGR均大于對(duì)照組。溫室效應(yīng)組龍須菜RGR顯著高于其他條件下的龍須菜(P<0.05)(圖1)。各組龍須菜生化含量差異如表1所示。與CK組相比，CO2升高組SC含量明顯下降(P<0.05)，而其他生化指標(biāo)基本不受影響；溫度升高組龍須菜SP和SC含量明顯下降。溫室效應(yīng)組龍須菜SP和SC含量明顯下降（P<0.05）。溫度升高組和溫室交攵應(yīng)組Chla和Car含量均上升，而這兩種色素含量在兩組龍須菜之間未表現(xiàn)出顯著差異（P>0.05）。PE和PC基本不受CO2和溫度的影響（表1）。2.2葉綠素?zé)晒鈪?shù)高溫忍耐特性圖2所示為不同條件下生長的龍須菜Fv/Fm、a值在高溫32°C脅迫時(shí)隨時(shí)間的變化。隨脅迫時(shí)間的延長，各組龍須菜Fv/Fm值下降率均不超過10%（圖2）oa值呈上升趨勢(shì)，其中CK組龍須菜a值上升了43.0%，溫度升高組或者CO2升高組龍須菜的a值隨高溫32C處理時(shí)間變化的影響程度均不超過25%，而溫室效應(yīng)組龍須菜的a值在受高溫32C脅迫后上升了116.4%（圖2）。整個(gè)處理過程中，各組龍須菜的Fv/Fm和a值未表現(xiàn)出顯著差異（P>0.05）。*SP全稱為SolutionProtein;SC全稱為SolubleCarbohydrate;PE全稱為Phycoerythrin;PC全稱為Phycocyanin圖3為各條件下生長的龍須菜Fv/Fm和a受36C脅迫時(shí)隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。高溫36C脅迫使各組龍須菜Fv/Fm值明顯下降，其中CK組和CO2升高組分別下降了77.7%和71.2%，而溫度升高組和溫室效應(yīng)組則下降了不到25%（下降率分別為24.9%和21.8%）（圖3）。各組龍須菜的a值變化趨勢(shì)與Fv/Fm值一致，其中CK組和CO2升高組龍須菜a值下降了75%以上，而溫度升高組和溫室效應(yīng)組則分別下降了26.0%和7.8%（圖3）。整個(gè)脅迫過程中，溫度升高組以及溫室效應(yīng)組龍須菜Fv/Fm和a值顯著高于CK組和CO2升高組（P<0.05）。可見，高溫（24C）的生長條件使龍須菜光合參數(shù)在高溫36C脅迫下較穩(wěn)定。高溫40C脅迫對(duì)不同生長條件下的龍須菜Fv/Fm和a值的影響如圖4所示。各組龍須菜Fv/Fm值（圖4）和a值（圖4）的差異不顯著（P>0.05），在脅迫處理5min后均急劇下降到極低值。2.3光合作用和呼吸作用高溫忍耐特性圖5所示為不同生長條件下的龍須菜呼吸作用隨著高溫脅迫處理時(shí)間延長的變化。32°C脅迫6h使各組龍須菜Rd呈上升趨勢(shì)，其中CK組、CO2升高組、溫度升高組和溫室效應(yīng)組分別上升了11.23%、22.55%、14.27%和17.1%。整個(gè)過程中，溫度升高組龍須菜Rd顯著低于其他組龍須菜(P<0.05)°361脅迫6h后，CK組和溫室效應(yīng)組龍須菜Rd基本不變，溫度升高組和CO2升高組龍須菜Rd分別下降了7.95%和15.67%。401脅迫30min后，龍須菜Rd均呈下降趨勢(shì)，其中CK組龍須菜Rd下降率最大(下降了30.42%),溫度升高組和溫室效應(yīng)組龍須菜Rd顯著低于對(duì)照組(P<0.05)(圖5)。圖6為不同生長條件下的龍須菜光合放氧速率隨著高溫脅迫處理時(shí)間的變化。32C脅迫6h,各組龍須菜Pn呈上升趨勢(shì)，其中CK組龍須菜Pn上升幅度最大，高達(dá)40.72%。整個(gè)處理過程中，溫度升高組和溫室效應(yīng)組龍須菜Pn顯著大于CK組龍須菜(P<0.05)°361脅迫6h后，各組龍須菜Pn下降，其中溫室效應(yīng)組龍須菜Pn顯著高于其他組(P<0.05)°40C脅迫10min后，龍須菜Pn均下降到零，而此時(shí)呼吸作用維持相對(duì)較高的水平(圖6)。如圖7，溫度升高組或者CO2升高組龍須菜Rd與CK組未表現(xiàn)出顯著差異(P>0.05),而溫室效應(yīng)組龍須菜Rd顯著高于亦組和CO2升高組(P<0.05)。溫度升高組龍須菜Pn與CK組無之間無顯著差異，CO2升高組和溫室效應(yīng)組龍須菜Pn顯著高于CK組(P<0.05)。溫度升高組Rd和Pn與CK組無顯著差異，CO2升高組具有較低的Rd和較高的Pn，溫室效應(yīng)組則表現(xiàn)出較高的Rd和Pn(圖7)。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明CO2升高或者溫度升高以及溫室效應(yīng)均能促進(jìn)龍須菜的生長，但溫室效應(yīng)的促進(jìn)作用更顯著，表明高CO2濃度對(duì)龍須菜生長的影響可能與溫度有關(guān)。這與Zou等［16］關(guān)于高CO2濃度和光強(qiáng)對(duì)龍須菜生長的影響結(jié)果類似，高CO2濃度對(duì)高光強(qiáng)下生長的龍須菜具有明顯的促進(jìn)作用。大部分海藻具有碳濃縮機(jī)制，在光合作用過程中，海藻通過胞外CA酶催化脫水產(chǎn)生的OH-的速率大于CO2向海水形成H+的速率，會(huì)引起海水pH值上升。因此，本實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)這種現(xiàn)象，可能是海水pH值的上升導(dǎo)致溫度升高條件下生長的龍須菜光合作用對(duì)無機(jī)碳的親和力下降從而受到碳代謝的限制［13］，而不斷向海水中通入高CO2濃度空氣使得海水中無機(jī)碳濃度增加，解除了碳限制，增強(qiáng)其光合作用，進(jìn)而促進(jìn)了龍須菜生長。通常情況下，高CO2濃度培養(yǎng)使海藻可溶性蛋白含量下降，而可溶性碳水化合物含量增加［8］。本實(shí)驗(yàn)中，溫室效應(yīng)組龍須菜SP和SC含量均下降，這與該組龍須菜所表現(xiàn)出的較高RGR、Rd和Pn的現(xiàn)象一致。光合固碳和生長的加速使龍須菜對(duì)N的需求量更高，藻體內(nèi)可溶性蛋白含量下降可能是因?yàn)榭扇苄缘鞍妆蛔鳛樯L所需氮源而導(dǎo)致［24］。此外，呼吸作用的增強(qiáng)消耗了大量的糖類等能源物質(zhì)，因此溫室效應(yīng)組龍須菜SC含量也下降。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明Chla和Car含量不受CO2濃度的影響，溫度升高使龍須菜Chla和Car含量上升。這與Zou等［16］關(guān)于龍須菜Chla含量不受CO2水平影響而受光照水平的影響的結(jié)果一致。Chla和Car含量的增加為光合作用提供更多的光能，此外，Car的增加增強(qiáng)了保護(hù)光合膜的功能［25］。Zou等［16］發(fā)現(xiàn)龍須菜PE和PC含量受CO2濃度和光照強(qiáng)度的影響，而本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，龍須菜PE和PC不受CO2和溫度的影響。葉綠素?zé)晒鈱?duì)熱脅迫的感應(yīng)非常靈敏，當(dāng)夕卜界溫度變化時(shí)，植物通過迅速改變PSH反應(yīng)中心開合狀態(tài)使植物快速適應(yīng)外界溫度變化［1］。本實(shí)驗(yàn)中，龍須菜Fv/Fm和a值在32°C高溫脅迫6h后并無下降趨勢(shì)，在36°C高溫脅迫6h后表現(xiàn)出不同程度的下降，而在40。叫脅迫20min后均下降到極低。這表明龍須菜在6h高溫32C條件下并未受到脅迫，其潛在的最大光能轉(zhuǎn)換效率以及光能利用效率未受到影響；在高溫36°C處理時(shí)受到不同程度的脅迫，不同條件下生長的龍須菜最大光能轉(zhuǎn)換效率以及光能利用效率下降程度不同；龍須菜在高溫40°C處理時(shí)遭到嚴(yán)重脅迫，最大光能轉(zhuǎn)換效率以及光能利用效率在短時(shí)間下降到極低值，PSH反應(yīng)中心受損嚴(yán)重。類似的結(jié)果在Ralph［26］對(duì)高等植物Halophilaovalis的研究也有發(fā)現(xiàn)，該植物在25—30°C內(nèi)未受到脅迫影響，對(duì)超出該范圍外的其他溫度較敏感，高溫40C處理5h使得Fv/Fm下降了一半且PSH受到不可修復(fù)的損傷。此外，正常溫度生長(20C,包括對(duì)照組和CO2升高組)與高溫生長的龍須菜(24C,包括溫度升高組和溫室效應(yīng)組)Fv/Fm和a值在36C高溫脅迫下表現(xiàn)出明顯差異，前者Fv/Fm和a值下降了70%以上，而后者下降率不超過26%,表明正常溫度(20C)生長的龍須菜最高耐受溫度限度可能在32—36C之間，而高溫(24C)生長的龍須菜可能在36—40C之間，進(jìn)一步證明了低溫生長的植物對(duì)高溫脅迫的耐受力相對(duì)于高溫生長的植物會(huì)下降［12,27］。本實(shí)驗(yàn)中不同溫度生長下的龍須菜在熱脅迫下所表現(xiàn)出的葉綠素?zé)晒鈪?shù)敏感性的差異可能是龍須菜對(duì)各自生長溫度的長期適應(yīng)所引起，對(duì)溫度的長期適應(yīng)可能涉及到類囊體膜重組、熱激蛋白和脂類以及內(nèi)源蛋白的合成等生理過程［28］。此外，CO2升高與對(duì)照組龍須菜葉綠素?zé)晒鈪?shù)在高溫脅迫過程中的差異不顯著?？梢姡L溫度比CO2濃度對(duì)龍須菜抗高溫逆境脅迫能力的影響更大。光合作用和呼吸作用是影響植物碳代謝及生物量的兩個(gè)重要生理過程。本實(shí)驗(yàn)中，溫室效應(yīng)組龍須菜Rd顯著高于CO2升高組，而對(duì)照組和溫度升高組之間的差異不顯著，即CO2濃度升高只有在高溫生長條件下才對(duì)龍須菜呼吸作用表現(xiàn)出顯著影響，表明CO2對(duì)龍須菜Rd的影響可能與溫度有關(guān)。溫室效應(yīng)組和溫度升高組龍須菜Pn顯著高于其他兩組，表明溫度對(duì)龍須菜光合作用的影響更顯著。有研究表明，CO2濃度升高可通過增加光合固碳底物濃度和優(yōu)化光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來促進(jìn)植物光合作用［29］，該實(shí)驗(yàn)中CO2升高并未對(duì)龍須菜光合作用產(chǎn)生顯著促進(jìn)作用，可能是龍須菜所具有的CCM機(jī)制以及其光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并沒有發(fā)生太大的變化所致。高溫32C下，龍須菜Rd和Pn均隨時(shí)間的延長而上升；高溫36C下，各組龍須菜Rd和Pn表現(xiàn)出不同程度的下降；高溫40C脅迫時(shí)，所有Rd和Pn均急劇下降。這與葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變化趨勢(shì)一致。閔0等［30］關(guān)于葡萄藤研究表明，35OC高溫不足以對(duì)葡萄藤光合作用產(chǎn)生影響，而40°C脅迫引起的葡萄藤光合作用下降主要與Rubisco酶活性提高以及PSH反應(yīng)中心和受體側(cè)活性受抑制這三方面的因素有關(guān)。一般植物的光合作用都有其最適溫度，超出這個(gè)溫度范圍，光合產(chǎn)量將逐步減少最終導(dǎo)致CO2吸收的終止。植物在短期熱脅迫下，PSH中水裂解反應(yīng)受阻，最大光化學(xué)量子產(chǎn)量和來自PSH電子受體的電子流減少，從而引起PSH反應(yīng)中心關(guān)閉，發(fā)生光合作用下調(diào)現(xiàn)象，這是對(duì)短期溫度變化的有效適應(yīng)方式。對(duì)幾小時(shí)短期熱脅迫的適應(yīng)可能涉及到熱保護(hù)化合物的積累、類囊體pH值梯度的改變以及因淬滅機(jī)制改變所導(dǎo)致的下調(diào)等過程。紅藻光系統(tǒng)受熱脅迫時(shí)，按各器官對(duì)熱脅敏感程度的高低，會(huì)先后發(fā)生放氧復(fù)合體活性下降、捕光色素復(fù)合體解離、藻膽體內(nèi)部結(jié)構(gòu)改變以及PSH受體側(cè)活性受抑制等現(xiàn)象［31］。本實(shí)驗(yàn)中，脅迫溫度的高低和時(shí)間長短影響著光系統(tǒng)受損的狀態(tài)，進(jìn)而影響光合作用和呼吸作用。高溫脅迫使得Rubisco酶及Calvin循環(huán)酶等活性發(fā)生變化，光合膜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)因脂肪酸飽和程度的變化而改變，脅迫溫度越高對(duì)酶以及膜結(jié)構(gòu)損傷越嚴(yán)重并伴隨著相關(guān)生理功能的喪失［1］。在高溫脅迫光合作用的早期，主要涉及到葉綠體膜特性的變化和能量轉(zhuǎn)移機(jī)制的解偶聯(lián)等［1］，當(dāng)脅迫溫度足夠高時(shí)，脅迫時(shí)間越長終將導(dǎo)致蛋白質(zhì)的變性和細(xì)胞功能的完全喪失。此外，高溫（24C）生長的龍須菜（溫度升高組和溫室效應(yīng)組）在高溫32C脅迫下表現(xiàn)出較高的光合作用速率，其中溫度升高組龍須菜在整個(gè)過程中呼吸作用顯著低于其他組，溫室效應(yīng)組呼吸作用在脅迫3h后也逐漸低于其他兩組龍須菜，說明高溫生長條件下的龍須菜具有較好的高溫耐受性和碳代謝狀態(tài)。Zou等［32］研究表明，低溫生長的羊棲菜幼苗在其生長溫度下的光合速率高于高溫生長的羊棲菜在低溫下的光合速率，這種大型海藻光合作用對(duì)溫度的適應(yīng)性與高等植物具有相同的機(jī)制，對(duì)低溫的適應(yīng)涉及到光合作用限制酶（如Rubico酶）含量或者活性增加，對(duì)高溫的適應(yīng)與光合作用器官的熱穩(wěn)定增強(qiáng)有關(guān)［32,33］。高溫36°C脅迫時(shí)，對(duì)照組和溫室效應(yīng)組龍須菜Rd基本不受溫度脅迫影響，溫室效應(yīng)組龍須菜Pn顯著高于其他3種，說明溫室效應(yīng)使其在受36C高溫脅迫時(shí)保持較好的碳代謝狀態(tài)，即高CO2和高溫生長條件共同提高了龍須菜光合作用和呼吸作用的耐熱性能。溫度升高組和CO2升高組龍須菜Rd在36C脅迫時(shí)雖有所下降，但整個(gè)脅迫過程Rd值與其他兩組并未表現(xiàn)出顯著差異，溫度升高組Pn在脅迫過程中與對(duì)照組無顯著差異，而CO2升高組Pn顯著低于對(duì)照組。這些說明CO2升高使得龍須菜光合作用和呼吸作用的高溫耐受性下降，而溫度升高的生長條件對(duì)其并未產(chǎn)生負(fù)面影響。彭長連等［34］研究也表明，高CO2濃度的生長環(huán)境對(duì)水稻葉片短期高溫脅迫耐受能力未產(chǎn)生積極影響。綜上所述，CO2濃度或溫度升高提高了龍須菜的生長速率，而溫室效應(yīng)更促進(jìn)了龍須菜的生長；但溫室效應(yīng)降低了龍須菜SP和SC含量，溫度升高使Chla和Car上升，而CO2對(duì)兩種色素?zé)o顯著影響；CO2和溫度對(duì)PE和PC均無影響。對(duì)生長溫度的適應(yīng)使得龍須菜具有不同的最高耐受溫度限度，其中正常溫度(20C)生長的龍須菜可能在32—36C之間，而高溫(24C)生長的龍須菜可能在36—40C之間。生長溫度對(duì)光合作用和呼吸作用耐熱性能的影響比CO2濃度的影響更大，而溫室效應(yīng)更顯著的提高了龍須菜光合作用的耐熱性能。在溫室效應(yīng)背景下，龍須菜作為在海藻栽培最大重要地位的大型海藻之一，其生長加速以及光合固碳能力的增強(qiáng)，在全球碳循環(huán)和減緩未來大氣CO2濃度上具有非常重要的意義。【相關(guān)文獻(xiàn)】泰茲,齊格爾?植物生理學(xué).王學(xué)路,宋純鵬，譯.4版.北京:科學(xué)出版社,2009.TaizL,ZeigerE.PlantPhysiology.WangXL,Song,CP,Trans.4thed.Beijing:SciencePress,2009.SolomonS,QinD,ManningM,Chen乙Marquis,M,AverytKB,TignorM,MillerHL.Climatechange2007:Thephysicalsciencebasis//ContributionofWorkingGroupItotheFourthAssessmentReportoftheInter-governmentalPanelonClimateChange.Cambridge:CambridgeUniversityPress,2007:996-996.DoneySC,FabryVJ,FeelyRA,KleypasJA.Oceanacidification:theotherCO2problem.AnnualReviewofMarineScience,2009,1:169-192.芻S定輝，高坤山.高CO2濃度對(duì)大型海藻光合作用及有關(guān)過程的影響.生態(tài)學(xué)報(bào),2002,22(10):1750-1757.ZouDH,GaoKS.PhysiologicalresponsesofseaweedstoelevatedatmosphericCO2concentrations//SeaweedsandtheirRoleinGloballyChangingEnvironments.Netherlands:Springer,2010:115-126.BeardallJ,BeerS,RavenJA.Biodiversityofmarineplantsinaneraofclimatechange:somepredictionsbasedonphysiologicalperformance.BotanicaMarina,1998,41:113-123.鄒定輝，陳雄文.高濃度CO2對(duì)條滸苔(Enteromorphaclathrata)生長和一些生理生化特征的影響.海洋通報(bào),2002,21(5):38-45.MercadoJM,NiellFX,FigueroaFL.RegulationofthemechanismforHCO3-usebytheinorganiccarbonlevelinPorphyraleucosticathusinLeJolis(Rhotophyta).Planta,1997,201(3):319-325.MercadoJM,JavierF,GordilloL,NiellFX,FigueroaFL.EffectsofdifferentlevelsofCO2onphotosynthesisandcellcomponentsoftheredalgaPorphyraleucosticta.JournalofAppliedPhycology,1999,11(5):455-461.KublerJE,DavisonIR.High-temperaturetoleranceofphotosynthesisintheredalgaChondruscrispus.MarineBiology,1993,117(2):327-335.DavisonRI.Environmentaleffectsonalgalphotosynthesis:temperature.JournalofPhycology,1991,27(1):2-8.ZouDH,XiaJ,YangY.PhotosyntheticuseofexogenousinorganiccarbonintheagarphyteGracilarialemaneiformis(Rhodophyta).Aquaculture,2004,237(1/4):421-431.FuFX,WarnerME,ZhangYH,FengYY,HutchinsDA.EffectsofincreasedtemperatureandCO2onphotosynthesis,growth,andelementalratiosinmarineSynechococcusandProchlorococcus(Cyanobacteria).JournalofPhycology,2007,43(3):485-496.FuFX,ZhangYH,WarneME,FengYY,SunJ,HutchinsDA.Acomparisonoffutureincreas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