全 文 ：收稿日期:2005-03-23;修订日期:2006-12-05
基金项目:国家自然科学基金资助项目(30400062);江苏省自然科学基金项目(BK2004165);国家重点基础研究发展计划项目
(2002CB412305);中国科学院知识创新项目(KZCX2-311)资助
作者简介:杨州(1971—),男 ,安徽蚌埠人;博士 ,副教授;在职博士研究生;主要从事淡水生态学研究。 E-mail:zhouyang@niglas.ac.cn
通讯作者:孔繁翔
研究简报
角突网纹 培养滤液对铜绿微囊藻和栅藻形态及生长率的影响
杨 州1 ,2 孔繁翔1 史小丽1 曹焕生1
(1.中国科学院南京地理与湖泊研究所 ,南京 210008;2.南京师范大学生命科学学院 ,南京 210097)
EFFECT OF CERIODAPHNIA CORNUTACULTURE MEDIA FILTRATE ON THE
MORPHOLOGICAL ALTERATION AND GROWTH RATE OF MICROCYSTIS AERUGINOSA
AND SCENEDESMUS OBLIQUUS
YANG Zhou1 , 2 , KONG Fan-Xiang1 , SHI Xiao-Li1 and CAO Huan-Sheng1
(1.Nanjing Institute of Geography and Limnology , Chinese Academy of Sciences , Nanjing 210008;
2.School of Biological Sciences , Nanjing Normal University , Nanjing 210097)
关键词:角突网纹 ;形态变化;生长率;铜绿微囊藻;斜生栅藻;化学信息物质
Keywords:Ceriodaphnia cornuta;Morphological alteration;Growth rate;Microcystis aeruginosa;Scenedesmus obliquus;Infochemi-
cals
中图分类号:Q14 文献标识码:A 文章编号:1000-3207(2007)02-0282-04
在藻类中 ,随着环境条件的变化而产生相应的单细胞和
群体之间的形态转化是一种广泛存在的现象 ,称为表型可塑
性[ 1] 。例如 ,栅藻属成员就是这些藻类的代表 , 在野外具有
典型的群体特征[ 2—4] , 但在室内纯培养条件下栅藻常较少形
成群体而是保持以单细胞形态为主[ 5] 。 很多因素都可以影
响藻类单细胞或群体生态型的形成[ 6—10] , 包括非生物因素和
生物因素两大类。竞争和牧食被认为是影响初级生产者和
消费者种群最重要的生物因素[ 11] , 其中牧食作用过程
中———牧食者释放的信息化学物质诱发藻类形成群体在最
近已得到很多研究者的关注 ,并在栅藻等一些藻类中得到证
实[ 12—15] 。另外 , 常常在我国大多数浅水湖泊中形成有毒水
华的铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa),在自然环境中一般被
普通的胶状基质粘在一起形成肉眼可见的群体 , 而当它们从
野外分离纯化转入实验室无机营养培养基连续多代培养后 ,
这种群体形态往往消失 ,以单细胞形态存在[ 16 , 17] , 这种现象
说明在人工培养基中缺乏诱发藻类形成典型群体特征的因
素[ 18 , 19] 。我们采用太湖浮游动物高峰期的湖水滤液添加至
纯培养的铜绿微囊藻中 , 2d 后出现了一些由几十到数百个细
胞形成的群体 ,而浮游动物含量很少的湖水处理组仍保持单
细胞形态[ 20] , 这说明在自然湖水中的某些浮游动物 , 类似于
能诱发栅藻形成群体一样 ,或许是诱发微囊藻形成典型群体
特征的因素之一。目前 ,国内外尚无关于角突网纹 (Cerio-
daphnia cornuta)对铜绿微囊藻和斜生栅藻(Scenedesmus obliqu-
us)的形态变化及生长率是否存在影响的研究报道。本文报
道了分离自太湖 、在实验室条件下培养的角突网纹 的培养
滤液对铜绿微囊藻和斜生栅藻形态及生长率的影响 , 并分析
了在藻类中存在的诱发性反牧食防御。
1 材料与方法
1.1 藻种来源及其培养条件 试验用铜绿微囊藻和斜生栅
藻取自中科院武汉水生生物研究所藻种库。全部采用 BG-11
培养基培养 ,光照强度为 2200 Lx ,培养温度25℃, 光周期L∶D=
12h∶12h。
1.2 角突网纹 来源及其培养条件 试验用角突网纹 采
自太湖梅梁湾 ,分离后纯培养于实验室。每天投喂一次斜生
栅藻 ,投喂藻液的密度约 0.50×106 cell/mL, 培养温度 25℃,
第 31卷 第 2 期 水 生 生 物 学 报 Vol.31 , No .2
2 0 0 7 年 3 月 ACTA HYDROBIOLOGICA SINICA Mar., 2 0 0 7
室内自然光照强度及光周期。
1.3 网纹 培养滤液的制备 为了得到角突网纹 代谢过
程中释放的一些物质 ,首先把网纹 饥饿 1d 排空 , 去除可能
的排泄物质而带来的外源营养盐 , 然后按照 300ind/ L初始密
度 ,在 25℃、光照强度 2200 Lx、光周期 L∶D = 12h∶12h 条件
下 ,投喂斜生栅藻(密度约 1.00×106 cell/mL)培养 24h。 24h
后 ,使用 300 目网布过滤去除网纹 , 然后把网纹 培养液
用孔径 0.15μm的微孔滤膜抽滤 ,得到的即为网纹 培养滤
液 ,在此滤液中含有网纹 生命活动过程中释放的一些物
质。
1.4 试验设计 取铜绿微囊藻和斜生栅藻各 80mL 置于
250mL锥形瓶中 ,试验处理组添加 20mL网纹 培养滤液(体积
比为20%),对照组添加20mL BG-11 培养基。铜绿微囊藻和斜
生栅藻的试验起始密度分别为 7.80×106 cell/mL和 1.35×106
cell/mL。每组设 3个重复 ,试验条件同上。上述操作过程均
在无菌状态下进行。试验进行 7d ,期间每天定时取样 , 显微镜
下计数每个样品单位体积(斜生栅藻计数 0.1mm3 ,铜绿微囊藻
0.02mm3)中总个体数以及总细胞数。
1.5 采用指标及数据处理 为了能较准确地反应出试验藻
类可能出现的由单细胞到群体的形态变化 ,采用平均每个个
体的细胞数量来表达。根据上述显微计数 ,可以计算出藻类
平均每个个体(unit)的细胞数量及生长率 , 然后对试验处理
组和对照组的结果进行显著性检验。 生长率(r)计算公式
为:r=(lnN t-lnN 0)×Δt-1 , 其中 N t为试验结束时的藻细胞密
度(cell/mL), N0为试验起始的藻细胞密度 , Δt 为试验持续时
间(d)。所有试验数据使用MS-Excel进行处理。
2 结 果
2.1 角突网纹 培养滤液对藻类形态的影响
试验期间 ,没有发现铜绿微囊藻有群体形成现象 , 但处
理组的两细胞比例要高于对照组;而在栅藻 , 处理组出现了
一些 8细胞群体 , 而对照组几乎没有。如图 1 所示 , 试验期
间 ,铜绿微囊藻处理组平均每个个体细胞数量由 1.182 增加
至1.243 , 而对照组基本保持不变 , 经统计分析 , 处理组和对
照组的平均每个个体细胞数量从第 3d 起出现显著性差异
(p<0.05);斜生栅藻处理组平均每个个体细胞数量由2.48
增加至 3.12 , 而对照组由 2.38增加至 2.52 ,处理组和对照组
的平均每个个体细胞数量从第 2d 起出现显著性差异(p <
0.05)。这说明角突网纹 培养滤液能显著地提高铜绿微囊
藻和斜生栅藻平均每个个体的细胞数量。
2.2 角突网纹 培养滤液对藻类生长率的影响
如图 2 所示 , 试验期间 , 铜绿微囊藻处理组和对照组的
生长率分别为 0.122±0.0205/d 和 0.120±0.0014/ d , 但两者
之间无显著差异(p>0.05);斜生栅藻处理组和对照组的生
长率分别为 0.162±0.0148/ d 和 0.167±0.0438/ d , 类似于铜
绿微囊藻 , 两者之间也无显著差异(p >0.05)。这说明角突
网纹 培养滤液对铜绿微囊藻和斜生栅藻的生长没有明显
的作用。
图 1 角突网纹 培养滤液对铜绿微囊藻(A)
和斜生栅藻(B)形态的影响
Fig.1 Effect of C.cornuta culture media filtrate on mean numbers
of cells per unit of M.aeruginosa (A)and S.obliquus(B)
图 2 角突网纹 培养滤液对铜绿微囊藻和斜生
栅藻生长率的影响
Fig.2 Effect of C.cornuta culture media filtrate
on growth rate of M.aeruginosa and S.obliquus
3 讨 论
采用浮游动物培养滤液添加到藻类培养液中 , 用来检查
藻类是否会对浮游动物释放到培养液中的信息物质产生有
2期 杨 州等:角突网纹 培养滤液对铜绿微囊藻和栅藻形态及生长率的影响 283
效反应 ,在研究水生态系统中物种之间的信息传递时是一种
行之有效而且简化的方法 ,已被广泛应用[ 12—15 , 19 , 21—23 , 27 , 28] 。
这种间接接触试验相对于直接把浮游动物加入到藻类中的
方法 ,避免了两个物种种群因直接的牧食作用均呈现剧烈的
动态变化而可能导致的不确定性及难以定量。本试验采用
这种方法 ,使用确定密度的角突网纹 的培养滤液对铜绿微
囊藻和栅藻形态及生长率的可能影响进行了研究。结果表
明 ,角突网纹 培养滤液对铜绿微囊藻和斜生栅藻的形态都
有不同程度的影响。对铜绿微囊藻尽管能提高平均每个个
体细胞数量 ,但没有真正的多细胞群体形成 , 只是两细胞比
例有所增加所致 ,因此可以说明网纹 类似于轮虫[ 21] , 对诱
发铜绿微囊藻群体形成不具有诱发作用 , 同时也表明 , 本实
验室曾采用含有众多混合浮游动物的湖水滤液诱发铜绿微
囊藻形成几十到数百个细胞构成的群体时[ 20] , 网纹 在其
中几乎不起作用。角突网纹 培养滤液对栅藻形态的影响
明显强于铜绿微囊藻 , 能诱发出由更多细胞组成的群体 , 结
果类似于其他浮游动物对栅藻的诱发效果[ 12—15 , 18 , 19 , 22, 23] ,
说明角突网纹 培养滤液中含有其生命活动过程中释放的
能诱发栅藻形成群体的信息物质。众所周知 ,很多藻类相对
于它们的牧食者都要小的多 ,这意味着一旦遭遇牧食者就不
可能幸存 ,一种有效的反牧食方法就是增加个体大小。如果
单细胞藻类在遭遇牧食者之前就能通过感受牧食者释放的
信息物质觉察到牧食者的存在并产生相应的形态变化 ,增大
摄食阻力 , 从而降低被牧食风险 , 将是一种有效的防御策略 ,
一些研究已证明了这一点[ 12—15 , 18 , 19 , 22, 23] 。因此 , 藻类在变
化的牧食压力作用下而产生的能增大摄食阻力的形态变化
可以解释为一种诱发性反牧食防御[ 12—14] 。也就是说 , 在水
生态系统中 , 藻类的牧食者浮游动物在时空上常常变动很
大 ,当浮游动物处于高峰期牧食压力大时 , 藻类就会被诱发
产生以群体为主的形态变化 ,避免被过度牧食;当浮游动物
处于少量时 ,藻类种群就会以单细胞为主 , 相对增大与环境
接触面积 ,便于获得资源。相对于固定防御而言 , 诱发性防
御具有更明显的益处 , 不需要消耗很多代价来维持这种防
御 ,只是在需要时才被诱发出来发挥作用[ 24 , 25] ,起诱发作用
的就是变化的牧食压力。显然这种诱发性防御对于藻类是
极端有利的 ,可以降低被摄食强度而维持种群规模;同样 , 对
于牧食者浮游动物而言也是有利的 , 避免它们的食物被过度
牧食而危及到自身的生存 , 因此 ,这种诱发性防御应该是藻
类和浮游动物两者间长期协同进化的结果[ 26] 。当然 , 影响
斜生栅藻形态变化的因素很多[ 6—10] , 这种诱发性防御导致的
群体形态形成只是其中因素之一。在本试验中 , 尽管未发现
角突网纹 这种浮游动物诱发出铜绿微囊藻的多细胞群体 ,
但相对于室内纯培养的单细胞个体 , 在野外形成的大群体很
难被摄食 ,很可能也是铜绿微囊藻的反牧食防御方式之一 ,
相关问题有待深入研究。
采用其他浮游动物培养滤液对栅藻群体形成的研究中 ,
都发现对栅藻的生长率没有显著影响[ 15 , 19 , 23 , 27, 28] , 本试验
采用角突网纹 得出与上述研究类似的结果 ,这也说明诱发
性群体形成与生长率是不相关的。对于栅藻 , 在诱发形成群
体产生有效防御的过程中 , 获得了降低被牧食的益处时 , 肯
定会在其他某些方面付出代价 ,比如大群体相对于单细胞而
言 ,在获得溶解性营养物质 、光照等资源时要弱 , 表现在生长
水平上可能有较低的生长率[ 29] 。但是 , 在栅藻的诱发性防
御中 , 这 种 防 御 代 价 在 生 长 指 标 上 却 难 以 检 测
到[ 15 , 19 , 23 , 27, 28] , 可能是由于人工培养条件环境优越资源总
是易于获得 ,也可能是这种防御代价已经体现在其他方面但
尚未反映到生长率水平 , 一些研究者认为 , 在栅藻中形成群
体后增加了沉降 , 这种沉降损失可能就是反牧食防御代
价[ 19 , 23 , 28] 。因此 , 从宏观到微观不同层次上来探索藻类的
诱发性防御代价相当必要 ,值得进一步研究。
参考文献:
[ 1 ] West-Eberhard M.Phenotypic plasticity and the origins of diversity
[ J] .Ann Rev Ecol Syst , 1989 , 20:249—278
[ 2 ] Holtmann T , Hegewald E.The inf luence of nutrient solutions on the
variability of the genus Scenedesmus subgenus Acutodesmus [ J] .Al-
gol Stud , 1986 , 44:365—380
[ 3 ] Krienitz K.Studies to the morphology and taxonomy of the subgenus
Acutodesmus(Chlorellales)[ J] .Algolog Stud , 1987, 46:1—37
[ 4 ] Canter-Lund H , Lund J W G.Freshwater Algae.Their microscopic
world explored.Biopress Ltd., Bristol , 1995
[ 5 ] Van den Hoek C , Mann D G , Jahns H M.Algae:an int roduction to
phycology [M] .Cambridge , United Kingdom :Cambridge University
Press.1995
[ 6 ] Trainor F R.Cyclomorphosis in Scenedesmus communis Hegew:eco-
morph expression at low temperature [ J] .Br Phycol J , 1992, 27:
75—81
[ 7 ] Trainor F R.Cyclomorphosis in Scenedesmus armatus(Chlorophyta):
an ordered sequence of ecomorph development [ J] .J Phycol , 1992 ,
28:553—558
[ 8 ] Trainor F R.Cyclomorphosis in Scenedesmus subspicatus (Chlorococ-
cales , Chlorophyta):stimulation of colony development at low tem-
perature [ J] .Phycologia , 1993 , 32(6):429—433
[ 9 ] Trainor F R.The sequence of ecomorph format ion in a phenotypicly
plastic , multispined Scenedesmus species(Chlorophyceae)[ J] .Arch
Hydrobiol , 1995 , 133:161—171
[ 10] Lǜrling M.Grazer-induced coenobial format ion in clonal cultures of
Scenendesmus obliquus (Chlorococcales , Chlorophyceae)[ J] .J
Phycol , 1999 , 35(1):19—23
[ 11] Gurevitch J , Morri son J A , Hedges L V.The interaction between
competition and predation:a meta-analysis of field experiments [ J] .
Am Nat , 2000 , 155:435—453
[ 12] Hessen D O , VanDonk E.Morphological-changes in Scenedesmus in-
duced by substances released from Daphnia [ J] .Arch Hydrobiol ,
1993 , 127(2):129—140
[ 13] Lampert W , Rothhaupt K O , Von Elert E.Chemical induct ion of
colony formation in a green-alga (Scenedesmus acutus)by grazers
(Daphnia)[ J] .Limnol Oceanogr , 1994 , 39(7):1543—1550
[ 14] Lǜrling M , Van Donk E.Morphological changes in Scenedesmus in-
284 水 生 生 物 学 报 31卷
duced by infochemicals released in situ from zooplankton grazers [ J] .
Limnol Oceanogr , 1997 , 42(4):783—788
[ 15] Lǜrling M.Effect of grazing-associated infochemicals on growth and
morphological development in Scenedesmus acutus Meyen (Chloro-
phyceae)[ J] .J Phycol , 1998, 34:578—586
[ 16] Bolch C J S , Blackburn S I.Isolation and purif ication of Australian
isolates of the toxic cyanobacterium Microcystis aeruginosa Kǜtz [ J] .
J App Phycol , 1996, 8:5—13
[ 17] Lei L M , Song L R , Liu Y D.Comparison of growth and toxin analy-
sis in two phenotype Microcystis aeruginosa[ J] .Acta Hydrobiologica
Sinica , 2001 ,25:205—209 [雷腊梅 , 宋立荣 , 刘永定.铜绿微
囊藻两种表型的生长生理特性及毒素组成比较分析.水生生
物学报 , 2001 , 25:205—209]
[ 18] Van Donk E , Lurling M , Lampert W.Consumer-induced changes in
phytoplankton:inducibility , cost s, benefits and the impact on grazers
[ A] .In Harvell D , Tollrian R(Eds.), Consequences of Inducible
Defenses for Population Biology [ C] .Princeton , New Jersey:Prince-
ton University Press.1999
[ 19] Lǜrling M.Grazing-associated infochemicals induce colony formation
in the green alga Scenedesmus[ J] .Protist , 2001 , 152(1):7—16
[ 20] Yang Z , Kong F X , Shi X L.Effects of filtered lake water on colony
formation and growth rate in Microcystis aeruginosa of different physi-
ological phases [ J] .J Freshwater Ecol , 2005 , 20(3):425—429
[ 21] Yang Z , Kong F X , Shi X L , et al.Effect of Brachionus calyciflorus
culture media filtrate on colony formation and growth of Microcystis
aeruginosa , Scenedesmus obliquus , and Chlorella vulgaris[ J] .Chin J
Appl Ecol , 2005, 16(6):1138—1141 [ 杨州 ,孔繁翔 ,史小丽 ,
等.萼花臂尾轮虫培养滤液对铜绿微囊藻 、斜生栅藻和小球
藻群体形成及生长的影响.应用生态学报 , 2005 , 16(6):
1138—1141]
[ 22] Lǜrling M , Van Donk E.Zooplankton-induced unicellcolony transfor-
mation in Scenedesmus acutus and its effect on growth of herbivore
Daphnia [ J] .Oecologia , 1996 , 108:432—437
[ 23] Lǜ rling M , Van Donk E.Grazer-induced colony formation in
Scenedesmus:are there cost s to being colonial [ J] .Oikos , 2000 ,
88:111—118
[ 24] Schlichting C D.Phenotypic integration and environmental change
[ J] .Bioscience , 1989 , 39:460—464
[ 25] Clark C W , Harvell C D.Inducible defenses and the allocat ion of re-
sources:A minimal model [ J] .Am Nat , 1992 , 139:521—539
[ 26] Smetacek V.A watery arms race [ J] .Nature , 2001 , 411:745
[ 27 ] Lǜ rling M , Van Donk E.Grazer-induced colony formation in
Scenedesmus acutus(Chlorophyceae):Ecomorph expression at dif fer-
ent temperatures[ J] .J Phycol , 1999 , 35:1120—1126
[ 28] Lǜrling M.Phenotypic plasticity in the green algae Desmodesmus and
Scenedesmus with special reference to the induction of defensive mor-
phology[ J] .Ann Limnol-Int J Limnol , 2003 , 39(2):85—101
[ 29] Reynolds C S , Morison H R, Butterwick C.The sedimentary flux of
phytoplankton in the south basin of Windemere [ J ] .Limnol
Oceanogr , 1982 , 27:1162—1175
2期 杨 州等:角突网纹 培养滤液对铜绿微囊藻和栅藻形态及生长率的影响 285