全 文 ： 一 8
第 l5卷 第 1期
1 0 9 5年 3月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
}o徘 )
Vol_15．NO．1
M ar．．1 0 9 5
中华半管藻繁殖生物学研究
I．细胞分裂与环境因子
郑 ‘磊一 林均民 ／金德祥
， ‘ — — —— ——～ r — —— —— —— —— — (厦门大学生物摹，厦r1．361005} ，z
摘 要 中单半蕾 l：I颤簧的细昭分裂进行簧殖．实验结皋表明．谖 每天的细胞分裂和叶绿素音成量
理一定的节律性 ．在光培备 12h条件下 ．每天光照 Bh后形成最大的分裂高．．·黑暗后 2h出现分裂lI：高
峰．进^光照期，叶绿素台戚开始，维之增长率急剧上升．8h后达到最高值 ．黑暗期细胞增殖率和叶绿索
增 长率迅遗下降 ．井降至盘 日最低值．。适溢范圈为 8—32c，生长的最适置虞在 25-30~之间 ·适盐艳圈
为7—50．最遁盐虚为2B左右．最适光照强度为75 菌 I1··-‘．同时撮据宴验结皋·璋立了中华半蕾
种群生长与环境园子关系的多元回归动态模型．
关t ±竺±!!．，墨苎 !苎 塑堕’苎 !旦 ’ 落尝
人们在藻类培养过程中发现 ，浮游植物具有光合作用和细胞分裂的双重节律性“ ，这种
节律性受光暗周期的调节。在外界调节机制发生改变后，藻俸内在的生物钟仍可使原来的节律
性持续一段时间
过去 ，研究环境固子对海洋浮游植物生长繁殖的影响已取得一些很有价值的成果 。从某
种浮游植物在 自然界的分布情况可 了解该种藻类的一般生态特征 ；也可以从实验生态研究
中了解该种藻类的生理特征 ，并预测该种在自然界的适应规律。光照、温度和盐度是藻类生长
的主要环境因子。近十年来。国外进行了许多藻类生态生理的实验工作，期望通过建立藻类对
环境 因子反应的数学模型，估测藻类在 自然环境中的一些适应情况。
中华半管藻是我国东南和南部沿海常见的浮游硅藻 ，它的繁殖情况(细胞分裂、休眠孢
子和有性生殖)至今未见报道。本文仅以该藻细胞分裂为研究内容，通过比较该藻在各种光照、
温度和盐度条件下的细胞增殖情况，探索其细胞分裂的昼夜节律变化模式和最适生长条件，为
硅藻繁殖生物学研究提供有益资料。
1 材料与方法
实验材料中华半管藻( m “f“s slnens‘is Grey[1ie)是由林均民1988年 9月分离 自厦门近
岸海区。用Guilard’s(1968)f／2改良培养液 培养。配制培养液用的海水取自厦门大学近岸的
满潮水。所有实验均在恒温培养室中进行 ，用白色日光灯作为光源。一般培养条件为 2s℃(士
1℃)，75gEin·m ·s一，盐度 32和光暗周期 i2h：1 2h。
-车文在投据分析过程中碍到厦门大学海洋秉彭*跃 同志帮助·在此致酣．
--现在暨南大学术生生物研究所工作．
收穑 日期 1993 0510，恬改稿收到 日螂 t19931o 04．
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1期 郑 磊等：中华半管藻繁殖生物学研究
光照实验分 5个梯度 ，光强度分别为 4．5，18．45，75和 100tzEin·m ·S一，用 Li一185B型
量子计量仪测量}温度实验以水浴隔室，用 WMZK一01温度指示控制仪分别调控 ，温度分为
lO，15，20，25和 30"C 5个梯度，各组误差为±0．5℃；盐度实验分为 12，20，28，36和 44等 5个
梯度 ，配制各种盐度是以消毒海水为基液 ，高盐度组按比例加入浓缩海水，低盐度组加入消毒
自来水稀释，再按f／2培养液配方配制。盐度用日本 New—S一100型盐度折光仪测定。每组实验
设置 2个重复。
叶绿素提取采用联合国教科文组织统一方法 ，用 日本 Shimadzu UV-240型紫外一可见
光分光光度计测定光密度 ，叶绿素含量计算公式采用 Jeffery(1975)公式。 ：
[Chla]=l1．47(EⅢ一E7 )一0．40(E‘∞一E75o)
CChlc3— 24．36(EⅢ 一E75o)一3．72(E6B‘一日 50)
式中，CChla)、CChlc3分别为叶绿素 a、c的浓度(tzg／m1)，E 。、E 、E ；。分别为校对后相应波长
下的吸光值。叶绿素增长率用 一1／t In[(co+Ac)／co]表示 ，其中 c。为起始叶绿紊浓度 ，AC
为单位时间内叶绿素浓度变化 ，t为时问。
细胞增殖率采用 u=1／t log (M +Ⅳ。)公式计算，其中 Ⅳo为起始细胞散。Ⅳ。为终止细胞
数。
昼夜节律实验每 2h取样一次，进行 2天，取平均值 ；日均增殖率计算每天取样一次，取指
数期连续 3天最大值平均。以上实验均重复 2次以上。
2 试验结果
2．1 细胞分裂和叶绿素变化的昼夜节律
图 1是中华半管藻在指数生长期中 24h的细胞增殖率和叶绿素增长率的昼夜变化模式。
在温度 25"C，盐度 32，光强度 75~Ein’m ‘s 和每天光暗局期各 12h的条件下，每天细胞
分裂出现 2次高峰(图 la)，最大分裂峰是在光照 8h形成 ，次高峰出现在黑暗后的 2h中，两次
l
盆
军
时间 o’clock
图 1 中华半管藻在25c，光暗 12h 1 条件下以
时间为函投的平均特定增殖率(a)和叶绿素增
长章 (b)
F ．1 AveraSe 5p ific growth ra，e and chioro—
phyil inc~ase t ⋯ function 0f time for
H曲r面 H5 sMen~is gr；fivn a c Z5C 0n L l D=
l2 ，12
后，叶绿素合成迅速降低，到暗周期末 值达最
低值 ，在昼夜变北 中叶绿素增长率高峰与细胞增
殖率的最大高峰同步于光照后 8h形成。
2．2 环境因子对增殖率的影响
2．2．1 光照和温度效应 用盐度为 32的培养
液进行不同温度和光照强度组合实验，中华半管
藻在指数生长期的细胞增率韵 25组实验结果表
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生 态 学 报 l5卷
1
J
=
。
光 照强度 (uE ·m ·s—J
L L t intensity
田 z 中华半管 在不同光强度和诅皮下培傩的
增殖率曲缦
Fig．2 Growth ¨e c-of H．J M ⋯ ca]tared
Jt vs~oas ll t ntcn ieB snd )empera)ures
示于图 2中 。
从图 2可以看出，各种光温变化条件下诙藻
细胞呈现不同的增殖率，在 4．5-45vEin·m ·
8-i光强度范围内，细胞增殖率随着光强度的增强
而增大 ，高温组细 胞的增殖明显快于低温组，在
45-75vEin·m ·s 范围内，各组处 于较平缓
的增殖，到 75vEin·m ·s-1时各组 值均达到
最大，超过 75vEin·m ·8-i时增殖率里降低趋
势。图中显示 ，5个温度组中 25℃组最大增殖率
1．47次／d，在 5组中最高；其次是 3O℃组，最大增
殖率为 1．40次／d，但在光强度为 45vEin·m ·
s 时，30℃组的增殖率却高于 25℃组 I 25℃以下
的 2O℃、15℃和 lO℃ 3组，在各种光强度条件下
的最大增殖率随着温度的降低而减少 ，分别为 1．18次／d，0．9次／d和 0．79次／d．从上述结果
可以看出，该藻生长的最适光强度为 75vEin·m ·s。‘，最适温度在 25—3O℃之间。
为了更直观地表示 值与实验条件之间的相关性 ，利用多元回归法，建立表面响应模 型，
表示它们之间的整体关系，见图 3。
图 3 以温度‘℃)和光强度(pESn·m ·‘一’)为
函数的增殖率多元响应面 ．
F ． 3 M uldvaHate response sur{ace of specific
growth r且1e·，(d一 )_朋 -funn n of t~r／t-
perature．T (℃ )．and I~ghl intensity．L
(止 jn·m一}·5一’)．
模型由以下方程给出：
= A + B × T + C × + D × T
(y= 0．996)
^ = 6．8660 × 10 + 7．8941
× l0一 × 工 一 1．2360
× 10 。× 工。+ 6．7652
× l0一 × 工
B = 1．9441 × 10～ 一 9、6181
× lO一 × 工 + 1．4920
× lO一 × 工 一 8．4835
× lO一 × 工
C 1·2502× 10 + 5·6208× 10 × 工 一 8·3247
× 10一‘× 工 + 4．5490× 10—0× 工
D = 一 3．4279× 10一 一 9．3635× 10一 × 工 + 1．4071
× 1O一 × 工 一 7．7898× 10一 × 工
其中 为种群增殖率 (d )，T为温度(℃)，工为光强度(vEin·na ·s。。)。这一模型的回归系
数为 0．996，与实验结果极为相似。从这一模型上可以找出在盐度 32条件下，温度 1O一3O℃之
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间，光强度 4．5—100pEin·m ·sl1之阃任何一点上中华半管藻增殖率变化情况 。
实验中发现，光照强度高于 100．t~Ein·m ·s 时 ，该藻指数生长期缩短，许多细胞原生
质变为空球状，甚至死亡；光强度过低．则停滞期延长。另外．该藻在 8—32℃温度范围内均能
正常生长，但在 5℃或 35℃下藻细胞死亡．体现该藻耐温范围在 5—35℃之间。
2·2·2 光照和盐度效应 在 25℃温度条件下进行各种光强度和培养液盐度实验 ．结果
如图 4，各盐度组的细胞增殖率随着光强度增高而增大，在光强度为 75,~Ein·m。 ·s-一时达最
高值，超过 75,uEin·m ·s一．增殖率趋于降低。在各种光照条件下．随着培养液盐度的增高，
各组细胞增殖率提高，盐度为 28时，细胞增殖率达最大值 1．72次／dj盐度继续提高时 ．细胞增
殖率随之而降低。盐度为 12、20、36和 44四组的最大增殖率分别为 0．58次／d，1。43次／d，
1．26次／d和 0．66次／d。
≥
一
0
光 照强 度 ( E ·m ·0
Ligh~intensity
图 5的表面模型用多元回归法表现了 值与
光、盐范围之间的整体关系。模型由以下方程给
出 ：
一 a+ bL + C × 上 + d ×
(y= 0．955)
a ： 一 6．1685× 10 + 3J 5712
× 10 × + 1．6551
× 10一 × S — 5．5371
× 10- × S
b= 4．7635 × 10一 + 4．8649
× 10一 × S + 2．5148
田4 中华半瞥蔫在不同光强度和盐度下培养的 × lO-‘× S 一 2·7350
增殖丰曲线 × 10一 × S
Fig-4 GrowthⅢ 0r -sinen~ euhured a c= 一 1．6956× 10一 + 2．2290 × 10一‘×
～ light n剐 ㈣ and Ⅷ S 一 9
． 6267 × 10一 × + 1．0801
× 10一 ×
d 一 9．6840 × 10一 一 1．3374 × 10一‘× S + 5．68494
× 10一。× S 一 6．4997× 10一‘。× S
其 中 为种群增殖率(d-1)，工是光强度(rEin·m ·sl1)，S为盐度。该模型回归系数为
0．955，基本上能真实反映实验情况。从图 5可以找出 25℃温度条件下，光照 4．5-100~Ein·
m ·s-。，盐度 12—44范围内任何一点上中华半管藻增殖率的近似值。
实验中发现光强度超过 100~Ein·m ·s 时，低盐度组(12，20)要比高盐度组(36，40)
生长好。实验中也观察到．突然增高或降低培养液浓度，将导致细胞发生严重的质壁分离或解
体直至死亡。采取逐级增加或降低盐度 ，可以使藻细胞生长在 7—50的盐度范围内．而放入盐
度为 4或 52的培养液中，该藻不能存活。
3 讨 论 ，
自养性浮游植物以光为能量 ．它们的生长和增殖在不同程度上都依赖光暗周期而变化 。60
年代人们就发现，Gonyaulax polyedra和 Euglena gracilis等种类的细胞分裂严格控制在光周
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生 态 学 报 l5卷
光照强度 (uE m一 s
L gh：in ⋯ i
期的某一时刻，以后更多的研究证实 ，大多数浮游
植物光合作用和细胞周期都由一个内在的生物钟
通过光暗周期控制m。
中华半管藻细胞增殖和叶绿素增长也存在一
定的节律性。硼图 la所示 ，该藻在光 暗周期 12h
t 12h的情况下的细胞分裂情况，一天中分别在
光照后 8h和进入暗周期 2b出现 2次分裂高峰，
日均增殖率 1．3次／d。但Thalassiosirafht-oiatilis
匝5 光强蛊和盐蛊为函数的增殖率多元响应面 在光照后 8h和黑暗 6h后出现 2次高峰·日均增
H 5 m l‘ ar Ⅲ口。n⋯ u h㈣ ，s gTOWlh殖率为 1．28次／d 。而 T．~ islTogi在 8h l 16h
n t
．d )一 a lutu：tion of light intensity，L光暗周期中分裂高峰在黑暗中 12h后形成。 ，这
‘ ⋯ ” ’and salinity 显示不同种类在不同条件下细胞分裂节律互不相
同。因此Chisholm等认为，浮游植物不同的分裂与同化节律可以使它们减少种间竞争，也是它
们适应环境 ，以利生存的一种内在调节机制 。
该藻种群叶绿素昼夜增长情况显示(图 lb)，在光周期中叶绿素合成不断加快 ，进入暗周
期叶绿素增长率减缓。许多事例证实了浮游植物的这一共同特征。Brand研究 8种浮游植物叶
绿素荧光的光周期变化时发现，它们在光周期里细胞叶绿素荧光和 DCMV增强叶绿素荧光的
增长率较高，而在暗周期较低 ，Skeletone~rm cosIalu~rl在整个光周期都进行叶绿素 a的合成 ，
光周期中期光合能力最高．暗周期中期最低 。 。0wens认为S．costatum细胞内叶绿素 a和 c
含量变化的周期性并非细胞分裂的结果。而是由光暗周期控制⋯ 。这些实验显示了叶绿素合
成在光暗厨期控制下的变化规律。反应了浮游植物对光反应的共同特征。
Darley(1982)指出、在限定的光强度范围内，光台速率与光强度成正 比，光饱和时，光合速
率趋于平稳。而过高的光强度对光合作用产生抑制 。 。对于整个浮游植物群落而言，光合速率
与细胞增殖率基本上是一致的。图 2和图 4的各条曲线都符合这个规律。
媪度和饱和光强度关系在不同藻类中也各不相同。冷水性的丁 nodenskiodi培养在 5—
15℃范围内显示．随着温度升高最适生长的光强度则降低 ”。对 S．costatum 的研究表明．在
5一l8"C下饱和光强度为 12000-160001x，若超过．18℃就降到 4000-60001x，同时．温度升高
最适光强度范围也缩小 。中华半管藻中未发现温度对最适光强度的明显影响 ．但在 l0—
25℃范围内，韫度升高时饱和光强度范固也随之缩小。Yoder对 S costatum 的研 究也得到了
同样的结果
生态类型不同反映各种硅藻有不同的适盐范围．一般沿岸性浮游植物培养时所要求的最
适盐度可能在 2O一25之间，略低 于 自然状态的盐度，而外海性 种类在 盐度 35中生 长最
好““ ”。冰J1I硅藻，S．costatum和 Detemula confervacea等都有不同的适盐范围“ 卜” 。中华
半管藻可生长在 7—50的盐度范围内，最适盐度为 28，显示广盐性的沿岸种类特征。
用多元回归分析法进行数学模拟基本概括了中华半管藻对环境因子响应特征 (图 3，5)。
这两个模型的复合相关系数分别达 0．996和 0．955，拟合值与宴验值的相对误差极小，这种模
型更 加直观地表现了增殖率与环境因子的关系。根据摸型预测 ，零增长时温度接近 4℃．盐度
为 4左右 ，这与实验中 5℃或盐度为 4时藻类不能生长相吻合的。M[tier描述过 Nitschia“，
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1期 部 磊等 ：中华半管藻繁殖生物学研究 37
ica~a的生长率与环境因子模型，发现在低盐范围内，细胞增殖率急剧降至零“ 。中华半管藻
以温度或盐度为函数的生长模型，是随着温度或盐度的增加，生长增长到最大值，随后增长率
降低井突然降至接近零的最低点。
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生 态 学 报 l5卷
STUDY 0N THE REPR0DUCTIVE B10L0GY 0F
日E ^ AU工U ⅣEⅣ GREVILLE：I．CELL
DIVISlON AND ENVIR0NM ENTAL FACT0RS
Zheng Lei Lin Junmin Jin Dexiang
(Dept．ofBiology．Xiamen Univcrs ．Xiamen．341005)
Cel1 division was found to be the major reproductive manner of Hemiaulus ；crisis，an
estuarine diatom．The experimental results revealed that this species present a diurnal period—
ieity in cell division and chlorophyll synthesis．Under a I2hL l 1 2hD condition，the highest
peak of cell division appeared after 8 hour illumination，and the second peak appeared after 2
hour darkness，while chlorophyll synthesis had also got the highest peak after 8 hour illumi—
nation and then decreased gradually to the lowest value at the end of the dark．H ．sinensis had
an optimal salinity of 28，a suitable salinity in the range of 7～ 5O。an optlmal temperature in
the range of 25— 3O℃ ，and a saturatedlightintensity"of 75 ：In．m ～．s～，foritsgrowth Dy—
namic surface models based on multiple regression were developed to represent the overall re—
lationship between the reproductive rate( )of this diatom species and the environmental
conditions．It was thus concluded that H ．sinensis was a subtropical and wide—range—of-salini—
ty adapted species of algae．
Key words：H emiaulus sinensls Greville，diurnal periodicity，growth rate，env~ronmenta
factors．
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