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赤潮拟菱形藻形态学分类和分子生物技术鉴定研究概述



全 文 :Marine Sciences/Vol.29, No.1/2005 67
近年来 , 随着环境的恶化和人类对环境监测重视
程度的提高 , 有关赤潮爆发的报道频繁出现 。特别是
关于有害藻赤潮(Harmful Algal Blooms)发生地域 、频
率、密度及其危害的报道日渐增多 , 人们的注意力开
始集中在对有害赤潮藻的控制上 。这就需要对控制有
害赤潮藻的生态和环境方面的参数有更好的了解 。相
应的 , 在赤潮发生中对有潜在产毒能力的赤潮藻的监
测也成为研究的热点 。
有毒赤潮藻的研究长期以来都集中于甲藻和蓝
藻上 ,但是 , 1987年 11月在加拿大发生的一次大规模
拟菱形藻 (Pseudo nitzschia)赤潮造成了至少 3人死
亡 , 上百人中毒患病的严重后果 。经研究发现 ,这次危
害的罪魁祸首是神经性毒素 ———软骨藻酸 (Domoic
acid ,简称 DA)。它是一种低分子量的氨基酸 ,是由拟
菱形藻产生后 , 经过滤食性动物积累并进入食物链 ,
进而影响海洋生物和人类的健康[ 1] 。这是人们第一次
发现硅藻会产生毒素 ,拟菱形藻从此引起了越来越广
泛的关注 [1 ] 。
目前 , 关于拟菱形藻软骨藻酸的理化性质 、中毒
机理 、毒素产生与藻类生长的关系等方面研究已有很
多报道 [1 ,2 ] 。而有关拟菱形藻属的分类系统则比较混
乱 , 种类鉴定也比较困难 , 国内外对其种类界定尚无
统一认识 , 且产毒种和非产毒种在形态学上很难
区分 , 这些都影响了对由拟菱形藻引发赤潮的研
究[ 3 ~6 ] 。作为目前藻类分类研究中一个争论的热点 ,
作者在此对拟菱形藻的形态和分子鉴定方面的研究
进展进行综述 。
1 形态学研究历史及现状
拟菱形藻 (Pseudo nitzschia)是一种常见的海洋微
型藻类 。它属于硅藻门 ,羽纹纲 ,管壳缝目 ,菱形藻科 ,
可以广泛分布在两极 、温带 、亚热带和热带等地区 [7 ]。
拟菱形藻主要通过细胞相互重叠的形式形成群体 。单
个细胞和群体都有运动能力 ,可以纵向滑动。运动方式
是先朝一个方向滑动几秒 ,接着朝相反方向滑动 。每个
细胞含有 2个叶绿体 ,位于细胞两端 ,有中央核区 。藻
细胞的壳环面是由一些线形条带组成 。在壳面和壳环
面观上 , 藻细胞通常是直的披针形 , 但是部分种 (如:
P.seriata)在壳面观上是不以顶轴对称的 。间点条的
数目通常与小肋突的数目相等或者接近其 2倍 。细沟
间经常有一到多排的孔纹 。壳缝不位于壳面正中 ,而且
嵌入壳面 ,壳缝的沟壁上没有孔 。细胞的 2条壳缝在两
个壳面上对角排列 。一些种在中央壳缝末端之间有中
节 。光学显微镜下可观察到在中央小肋突之间有很大
的空隙(中央间隙)[3] 。
1.1 拟菱形藻属系统分类地位的确定
“拟菱形藻”的名字第一次出现在 1899年出版的
研究综述
R EVIEWS
赤潮拟菱形藻形态学分类和分子生物技术鉴定研究概述
Review of morphological andmolecular identification of Pseudo-nitzschia ,
a bloom forming diatom
高 杨 , 梁君荣 , 高亚辉 , 王 鹏 , 虞秋波
(厦门大学生命科学学院 ,福建厦门 361005)
中图分类号:Q946.8 文献标识码:A 文章编号:1000-3096(2005)01-0067-06
收稿日期:2003-08-13;修回日期:2004-02-14
基金项目:国家重点基础研究发展规划项目(2001CB409701);
国家自然科学基金(3027118);中国科学院海洋研究所海洋生
态与环境科学重点实验室开放基金课题。
作者简介:高杨(1977-), 男 , 在读硕士研究生 , 研究方向:
微藻分子生物学 , E-mail:flytohigh@eyou.com;梁君荣 , 通
讯作者 ,女 ,讲师 ,博士 , E-mail:sunljr@163.com
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研究综述
R EVIEWS
由 Peragallo[ 8]编写的书中 , 最早被归为菱形藻属
(Nitzschia)。但是由于拟菱形藻中的 Nitzschia seriata 和
Nitzschia fraudulenta与菱形藻属其他种相比具有细胞
末端更尖锐 , 并且聚集在一起的细胞可以相互滑动而
形成链状的特征 , 所以把它们独立出来成为拟菱形藻
属 [8 ]。后来因为其他形态学上的争论(例如 N.fraud-
ulenta 和 N.seriata 的壳缝与 Fragilariopsis相比只是
部分缩短 , 而且它的运动能力至少得到部分保留),
Hustedt又在 1958年把它们重新归为菱形藻属的一部
分 。1972年 ,Hasle因为拟菱形藻和 Fragilariopsis之间
在形态上具有很大相似性 , 把 Fragilariopsis也归为菱
形藻的一个部分 , 而 Round等因为 Fragilariopsis在形
态上和菱形藻有一定的差别 ,所以建议还是将其保留
为单一属 。最后 Hasle [3 ]在比较了拟菱形藻和菱形藻
某些亚属 (包括 Nitzschia sigmoideae 、 Nitzschia spathu-
latae和 Nitzschia dissipatae)的形态学特征后 , 重新建
议将拟菱形藻作为一个单独的属 ,但仍然强调拟菱形
藻和 Fragilariopsis之间有密切的联系 。由此可见 , 拟
菱形藻属的系统分类一直以来都是一个有争议的问
题 。这些争议源于拟菱形藻形态结构上的细微差别 ,
而这些细微的差别通常被作为种类划分的依据 。
1.2 拟菱形藻种间形态学分类研究进展
拟菱形藻在属水平上的鉴定工作在光学显微镜
下就可以比较容易地完成 ,但是属内种间的鉴定就十
分困难。不同种类间形态结构差异微小 , 必须通过电
子显微镜才可以辨别 。事实上 ,目前拟菱形藻的分类
鉴别主要是对藻细胞的大小 、形态 、硅质壳的超微结
构等特征进行辨析 。例如壳缝中是否存在居中的大的
空隙 ,壳面孔纹和小肋突的数目和结构上的不同等 。
细胞壳面的宽度被作为一个重要的拟菱形藻种
间鉴定特征 [9 ] 。基于这个特征拟菱形藻被细分为 2个
群 。属于`P.delicatissima 混合群 的种壳面较狭窄(壳
面的宽度≤3μm),而属于`P.seriata 混合群 的是壳
面比较宽(壳面的宽度≥3μm)的种 [10 ]。但是 ,仍有 3
个种不符合这个判定标准 ,它们的壳面宽度范围刚好
介于 3μm左右 [10 ] 。前面的 2个种已经被归为 `P.
delicatissima混合群 中 [8 ] ;而 P.americana是否属于拟
菱形藻还在争议中 。但在实际分析中 , 只有 P.
turgidula 是壳面比较狭窄的种 (`P.delicatissima 混合
群 ), 而其他 2个种壳面比较宽 (`P.seriata混合
群 )[ 7] 。这表明了细胞壳面的宽度并不是一个用来区
分种的特别理想的特征 ,细胞壳面的大小范围在硅藻
类中由于他们的特有细胞分隔可能会非常宽 。
对拟菱形藻属的不同种进行分析发现 ,以壳面条
纹和小肋突的数量和结构作为不同种的重要分类特
征 ,在系统发生学研究中也未获得一个一致的结果 。
事实上 , 条纹和小肋突数量相当的种 , 也可能被划分
在亲源关系非常近或非常远的分支中 。如 P.pungens
和 P.multiseries具有相同数量的条纹和小肋突 (每
10μm内条纹数:10~ 15;小肋突数:10~ 13)[5 ] ,是在
系统进化上属于亲缘关系十分相近的两个种 。而相
反 , P.delicatissima 和 P.multistriata同样也包含相同
数目的条纹和小肋突 ,同样以显微结构的条纹作为区
分标准 ,但亲缘关系却比较远 。这在目前已知的所有
系统进化发生树中都得到体现 。作者依据 LSU rDNA
基因序列采用最大简约法所作的 19种拟菱形藻系统
进化树也体现了这一点(图 1)。此外 , 作者也发现系
统发生接近的种如 P.fraudulenta和 P.subfraudulenta
却具有不同的条纹和小肋突数量 。可见 ,这些形态学
特征属性 , 虽然有助于种的确认 , 但是其在属内识别
不同种类的价值是有限的 。
此外 ,就以已经发表的作为种间鉴定依据的形态
学上的特征来说 ,相同种的不同地理株系之间也会存
在差别 。以 P.multistriata为例 ,Orsini [9 ]等对其所采集
和培养的 P.multistriata 细胞在光镜和透射电镜下进
行观察 ,其壳面观为:细胞中部线形 ,边缘渐细变窄到
圆滑的末端 。壳环观为:壳面两端是 S形的 ,由此群体
呈现出波浪形的外观 。细胞顶轴长度 38 ~ 50μm(平
均44μm);切顶轴长 2.5 ~ 4μm(平均 3.2μm)。透射
电镜观察:壳面 10μm内有 23 ~ 32个小肋突 , 37 ~ 44
个条纹 。每个条纹有 2排小孔(个别有 1排或 3排),
在 1μm内含有 11 ~ 13个孔 。这些和已经报道的种描
述的电镜照片特征基本相符 。但缺少了通常作为
P.multistriata鉴定标准的一些特征 ,如:壳面每 10μm
只有 5~ 6个孔 ,而且缺乏居中的大空隙 ,壳面末端在
接近顶部则有 1或 2排倾斜的小孔 。
Orsini [9 ] 研究的其他几种拟菱形藻 P.delicatissi-
ma , P.pseudodelicatissima , P.fraudulenta 和 P.sub-
fraudulenta的主要形态特征也基本符合目前世界上公
认的特征描述 , 但是在一些次要的形态特征方面却有
所不同 。如 Hasle等描述 P.fraudulenta细胞的 2种不
同的壳面末端 。一种靠近顶端处有 1或 2排倾斜的孔 ,
而那不勒斯湾采集的样品靠近顶端为直线形排列的
孔 。相反 ,另外一种末端是直线形的孔 ,在那不勒斯湾
采集的该样品中却恰好是倾斜排列 。P .subfraudulenta
细胞最初的描述是“壳环观呈明显的 S形” , 但是这个
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特征并没有出现在采集自那不勒斯湾的藻细胞中 , 它
们的壳环观上呈直线形 。
2 拟菱形藻分子生物学技术鉴定研究
进展
以形态学的细微特征对拟菱形藻进行鉴定存在
许多困难和争议 , 于是人们开始把目光投向各类分子
生物学技术 。这些技术的应用大大地加快了包括拟
菱形藻在内的各种赤潮微藻的种类鉴定效率 , 且这
些方法已成为拟菱形藻形态学鉴定非常必要的辅助
工具[ 11 ,12] ,并展现出越来越广泛的应用前景 。
2.1 目的基因序列的分析和比较
近十年 , 分子标记技术在生物界得到了充分的发
展。在所有的方法中 , DNA序列的比较分析是最直接
的揭示遗传物质变异的方法。DNA序列分析的数据既
可以用于种间的宏观进化研究 , 也可以用于种内的微
进化研究 。赤潮微藻中 , 研究较多的基因序列为核糖
体 RNA基因 ,它包括核糖体大亚基(LSU rRNA)、核糖
体小亚基(SSU rRNA)和转录间隔序列(ITS)等几个区
域。rRNA普遍存在于所有的生物细胞中 ,具有相似的
结构和功能 , 并且同时交替分布着保守区和高变区 。
其中核糖体大亚基基因高变区的序列差别很大 , 甚至
完全不同 。核糖体大亚基基因这一进化模式 , 在用于
亲缘关系远近不同的生物特征分析时具有极大的优
越性 。至今为止 , 拟菱形藻的基因序列分析主要集中
在 LSU rRNA这个区域上(表 1),且研究藻种多为产毒
藻。如 P.multiseries , P.pungens , P.australis , P.deli-
catissima , P.pseudodelicatissima等均为基因序列分析的
热点 。
作者根据 NCBI国际基因数据库中已录入的拟菱
形藻的 LSU rDNA基因序列作出了 19种拟菱形藻的最
大简约法系统进化树(图 1)。从该系统进化树可以看出
P.australis和 P.seriata是亲缘关系很近的 2个种 , 序
列分析表明它们之间差异很小(0.13%~ 0.5%)。虽然
它们在形态学上确实存在细微差别 , 但总的来说 , 2个
种在形态和分子数据方面的极大相似性以致 Rivera建
议把它们作为同种对待 。
但是 , 通过序列分析获得的分析结果和根据形态
学进行分类所得的结果有时也存在一些偏差。比如:上
面提到的 P.pungens和 P.multiseries ,从图 1可知它们
在系统发生上是亲缘关系相距较远的种 , 但这 2个种
的形态学特征却非常相似 , 差别仅在于节间带和条纹
膜结构的不同 。由于二者之间很大的相似性 , Hasle最
初认为 P.multiseries和 P.pungens属于同一个种 。不
过基于分子水平数据的最新分析支持把 P.multiseries
作为一个独立的种。
再如 P.fraudulenta 和 P.subfraudulenta ,由图 1可
知它们在分子水平非常相似 (1.7%~ 2.5%的碱基对
差异),但是在形态学上的特征有所不同:P.fraudulen-
ta有相同数目的条纹和小肋突 ,披针形的壳面外观 ,而
P.subfraudulenta 的内条纹数目更多而且壳面外观更
接近直线形 ,这些差异又支持将这 2个种完全分开 。
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2.2 分子探针的设计与应用
通过 DNA序列分析进行拟菱形藻分类鉴定的优
势在于信息量的完整性 , 但近年来出于方法的快速 、
简单甚至自动化的需求 , 在分子鉴定中 , 尝试较多的
另一种方法是针对核基因编码的核糖体 RNA(rRNA)
序列设计合成具有种特异性的 DNA寡聚核苷酸探
针 , 利用这些特异性分子探针进行种类鉴定 。对拟菱
形藻种特异性基因序列的搜寻结果主要为 rRNA基因
(rDNA), 这其中包括核糖体小亚基 , 5.8S RNA , 部分
核糖体大亚基(LSU)编码区和 ITS区的序列 。应用分
子探针对拟菱形藻进行鉴定所采用的方法也在不断
完善中 。目前主要采用 2种方法:全细胞杂交和“三明
治”杂交 [12 ,13 ] 。在全细胞杂交中 ,通过增加细胞膜的通
透性使探针进入到细胞内和目标序列进行杂交 ,因被
杂交细胞的外部形态得到完整的保存而较受青睐。探
针事先做好荧光标记 , 以便杂交后能通过荧光显微镜
或流式细胞仪进行检测 。Miller和 Scholin [12 , 13]以不同
种拟菱形藻的 LSU rRNA为目的序列设计了一系列种
特异性的寡核苷酸探针 。这些探针在对从加利福尼亚
的蒙特利湾(Monterey Bay)分离到的拟菱形藻进行鉴
定时 ,取得了很好的效果 。对新采集的 31个样品进行
的探针分析中 ,成功检出了 P.multiseries , P.pungens ,
P.australis , P.fruadulenta和 P.pseudodelicatissima等
5个种 , 并使用电子显微镜进行了形态学特征的验
证 ,得到一致的结果。其他 4个未与任何探针杂交的
样品中无拟菱形藻的存在 。但是在为上述拟菱形藻设
计的 15种特异性探针中 , 有些探针并没有取得预期
的效果 。例如其中 3个样品同时与 P.fruadulenta和
P.hemii 的探针杂交 , 经形态学鉴定发现是 P.sub-
pacifica(Hasle)Hasle 。而为 P.hemii设计的 3种探针
中 ,只有 1种是有效的 。这可能由于不同种之间的最
有效的探针序列往往位于 LSU rRNA 的不同区域上 ,
且不同种拟菱形藻的核糖体三级结构对探针接近目
的序列难易程度不同 ,从而影响了特异性分子探针的
特异性。
Parsons [ 14 ] 等将在Monterey Bay的拟菱形藻进行
鉴定时取得良好效果的探针用于路易斯安那沿海的
相应拟菱形藻的鉴定工作中 ,发现了一些问题 。对采
集样品同时进行探针鉴定和电子显微镜观察后 ,发现
所有探针中只有为 P.multiseries设计的特异探针与
该藻的杂交相符性较好 ,这说明两地该种拟菱形藻该
目的序列相同 。对其他样品进行鉴定过程中有 15%
的假阳性 (探针检出而电子显微镜下未检测到)和
19%的假阴性(探针未检测到而电子显微镜下可以观
察到)的现象 ,以及部分探针的非特异性杂交现象 。例
如 P.pseudodelicatissima不与其特异性探针杂交 (在
Monterey Bay 的样品中显示该探针可成功与 P.
pseudodelicatissima 杂交)而与为 P.delicatissima和 P.
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australis设计的探针发生非特异性杂交 。产生假阳性
结果的原因可能有以下几方面:(1)探针的最低检出
误差低于电子显微镜的最低检出误差 。扫描电镜的最
低检出误差在 1%(100个细胞有 1个无法检出), 而
探针的最低检出误差为 0.043%[14 ] 。当样品丰度较小
的情况下 , 很有可能产生假阳性的现象;(2)受到非
特异性杂交的影响 。比如 P .pseudodelicatissima与为
P.delicatissima 和 P.australis设计的探针发生非特
异性杂交后会产生 P.delicatissima 或 P.australis 的
假阳性现象 。而产生假阴性的原因可能包括以下几
点:(1)由于探针荧光淬灭或变暗 , 影响检测效果;
(2)死亡或衰亡期的硅藻无法用探针检出但是可以
通过电子显微镜检出;(3)非特异性杂交 , 例如使用
特异性探针对 P.pseudodelicatissima进行鉴定时并未
成功杂交而引起假阴性结果 。错误的杂交结果也可能
与这两处地点的同种拟菱形藻数千年来受地理隔离
等因素影响的分子进化导致 LSU rRNA序列产生差异
有关 。
拟菱形藻分子探针检测技术还存在一个问题 ,
即不同地区的相同种在 LSU rRNA的序列上存在一定
的差异性 。这导致该种的“特异性”探针并不能在全世
界范围内对该种进行准确鉴定 。为加州的拟菱形藻种
设计的分子探针被用于对世界范围内的拟菱形藻
进行鉴定 , 显示的结果表明不是所有探针都是特异
性的 [13 ,14 ] 。在将种特异性的拟菱形藻探针序列和从那
不勒斯湾分离的种的序列进行比较时 ,会出现探针与
特定种的序列不匹配而和不同种的序列匹配的情
况 。可见物种遗传多样性对特异性探针的设计可产生
不利影响 。所以 ,在正确的探针合成完善之前 ,对全世
界范围的种内多样性进行彻底筛选是非常必要的 。
2.3 其他方法
应用藻细胞的遗传物质进行拟菱形藻种类鉴定
的方法还在不断尝试 ,如采用直接作用于拟菱形藻细
胞的多系抗体来进行不同种的区分 ,最终结果需要免
疫荧光才可以观察到种间的差别 。Rhodes等已经成功
地将该方法应用于 P.pungens和 P.multiseries的鉴
定中 。
3 中国拟菱形藻的研究概况
近年来 ,国外学者采用形态学和分子生物学方法
对拟菱形藻进行种类鉴定作了大量工作 ,而国内在拟
菱形藻的相关方面研究十分有限 , 有记录的种较少 ,
而且对是否有产毒种(株)的存在也是众说纷纭 。金德
祥等首次对我国近海的尖刺拟菱形藻进行了种的描
述 。齐雨藻等报道了我国沿海的一个拟菱形藻新种
P.sinica及其赤潮生态学特征 。邹景忠等对中国近海
尖刺菱形藻种下分类做了初步研究 , 将其分为 2个
型:尖刺型(F.pungens)和多列型(F.multiseries), 前
者不产毒 , 后者产毒 , 他们在所观察的早期采集的样
品中只见到尖刺型 。钱宏林等在对广东沿海赤潮的特
点及成因研究中列出了广东近海主要赤潮生物名录 ,
记录了拟菱形藻属的 7个种:P.australis 、P.delicatis-
sima 、P.pseudodelicatissima 、P.pungens 、P.multiseries 、
P.seriata 、 P.sinica(中华拟菱形藻), 这是目前国内
报道种类最多的 。
对中国沿海拟菱形藻的分类和生态分布虽然已
有一些初步的研究报道。但目前在中国沿海到底有多
少种拟菱形藻 , 多少有毒种或变种存在 , 这些种类在
中国沿海的生态分布和地理分布情况 , 还没有系统的
调查研究报道 , 而且目前也未见该藻引起的中毒事件
的报道 。因此 ,很有必要通过光学显微镜 、扫描电镜 、
透射电镜 , 并结合分子生物学技术 , 对中国沿海存在
的拟菱形藻的种类组成和生态地理分布及其可能存
在的产毒种类(株系)做一全面系统的调查研究 。这不
仅对丰富中国的海洋浮游植物和海洋硅藻研究有重
要的理论意义 , 而且对中国赤潮生物的地理分布及赤
潮的监测和防治研究 ,保障人民生活和水产养殖业的
健康发展 ,具有重要的理论和实际意义 。
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海洋科学/2005年/第 29卷/第 1期72
Application of microeclogics on the culture of Litopenaeus van-
namei in Low-Standing soline-alkali fields along Huanghe(Yellow)River
FANG Bo1 , PAN Lu-qing1 , DONG Shuang-lin1 , WANG Guo-feng2 , ZHANG Le-chun2 ,
WANG Huan-tai 2
(Key Laboratory of Mariculture , Ministry of Education , Ocean University of China , Qingdao 266003 , China;Ocean and
Fishery Bureau of Dongying District , Dongying 257000 , China)
Received:Nov., 11 , 2003
Key words:microeclogics;soline-alkali soil;Litopenaeus vannamei
Abstract:The effect of microeclogics on the culture of Litopenaeus vannamei in low-standing soline-alkali-soil based
fields along Huanghe(Yellow)River was studied.The results show that microeclogics can improve water quality of so-
line-alkali soil obviously , decrease NH3-N , COD and Basility , and increase output.In addition the livability of the BZT-
added group increased by 14.5%, the output of the group increased by 33.3%, and the ratio of input vs output increased
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(本文编辑:谭雪静)
(上接第 3页)
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(本文编辑:张培新)
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