依据波长的不同, 紫外线(ultraviolet, UV)可分为3类, 分别为短波(200~280 nm, UV-C)、中波(280~ 320 nm, UV-B)和长波(320~400 nm, UV-A)。臭氧对它们的吸收程度不同, 产生的生物效应也不同。UV-C几乎可以全部被臭氧吸收, 不能到达地面, 不会造成危害; UV-A能通过臭氧层, 但是对生物的危害较小; 对于UV-B, 臭氧层只能截留90%, 剩余的10%可以到达地面, 对地表的生物产生明显的生物学和生态学效应^{[1, 2]}。

在自然条件下, 臭氧的生成与分解处于动态平衡, 臭氧层基本保持稳定。但是自20世纪以来, 随着科技的发展, 氯氟烃(可用作制冷剂、发泡剂等)的大量使用和航空航天飞行器(排放氮化物等)的大量增加, 造成了臭氧层的破坏^[3]。在南极大陆上空, 臭氧空洞已形成, 到达地表的UV-B辐射不断增加^[4]。评估报告指出, 相比1980年, 目前因臭氧层破坏导致到达地表的太阳紫外辐射增加了6%~14%^[5]。近年来, 全球对日益增强的紫外线作用愈加关注, 紫外线对生物产生的生理生化影响以及生物对其响应的机制研究等也已经成为热点问题^[5-7]。

潮间带位于海洋和陆地的过渡地带, 是生物圈中最敏感的生态系统之一。许多大型海藻栖息于潮间带, 受潮汐作用的影响, 周期性地暴露于海水或空气中, 容易受到紫外胁迫的影响。研究表明, UV-B对大型海藻的生长、光合作用、色素合成等会产生不同程度的影响^[8-10]。孔石莼(Ulva pertusa), 主要生长在潮间带的岩石上或石沼中, 隶属于绿藻门, 广泛分布于世界各地, 在我国江苏、山东、河北、辽宁等地沿海均有分布。藻体富含多糖和不饱和脂肪酸等物质, 具有一定的抗氧化作用, 对癌症、心血管疾病、关节炎等的发病有抑制作用^[11-14]。此外, 孔石莼还具有一定的生态价值, 藻体可高效去除氨氮和磷酸盐, 适用于净化工厂化养殖废水, 防止富营养化水体危害养殖生物, 避免水体向外部海域排放时造成污染^[15-16]。

本研究选择孔石莼为研究对象, 拟进行藻体在不同UV-B辐射强度下生长发育、光合活性的变化分析, 以期为研究UV-B辐射对其他海洋生物或海洋生态系统的影响提供基础参考。

1 材料和方法 1.1 材料的采集与处理

本实验所使用的孔石莼采自青岛第二海水浴场, 取回后用灭菌海水洗净, 用打孔器打成直径为2 cm的圆片, 在含有灭菌海水的培养皿中培养, 培养温度为20℃, 光照强度为60 μmol/(m²·s), 光暗周期比为12 h︰12 h。

设置5种不同辐射强度的紫外线处理藻体, 分别为2, 4, 6, 8和10 kJ/m², 对照组采用正常日光灯照射。培养12天后, 测定各组材料的生理生化指标。

1.2 生长状况测定

培养12天后, 将藻体表面水分用吸水纸吸干, 测定质量, 以对照组生物量为参照将其转换成相对生长率(relative growth rate, R_RG)。计算公式为: R_RG = (m_{12, 处理}/m_{12, 对照})×100%。其中, m_{12, 处理}为处理组藻体第12天的质量, m_{12, 对照}为对照组藻体第12天的质量。

1.3 叶绿素荧光参数测定

藻体叶绿素荧光参数使用Dual-PAM-100(Walz, 德国)进行测量, 测定孔石莼在4 kJ/m²辐射强度下不同处理时间的光合活性。在测量光诱导曲线(Ind. Curve)前, 藻体需在暗处适应5~10 min。每个处理独立进行3次测量。

1.4 孢子萌发情况观察

将藻体置于高光下(~500 μmol /(m²·s))刺激孢子释放, 在显微镜下观察孢子释放情况, 孢子大量释放后1 000 r/min离心1 min, 弃上清, 重新用海水悬浮, 得到均匀的孢子悬液。吸取等量的孢子悬浮液于200 mL灭菌海水中进行培养, 设置不同的辐射强度(同上), 每个处理组设置3个平行, 15天后观察孢子的萌发情况。

2 结果 2.1 不同辐射强度对孔石莼生长的影响

根据孔石莼相对生长率的结果, 我们发现UV-B辐射增强对藻体生长具有明显的抑制作用; 随着UV-B辐射强度的增加, 抑制作用也更加明显(图 1)。在2 kJ/m²的辐射强度下, 孔石莼的生长已受到显著抑制(P < 0.05), 与对照组相比其相对生长率下降了18.00%。在10 kJ/m²的辐射强度下, 抑制作用最为明显, 藻体相对生长率比对照组下降了33.57%。

2.2 UV-B对孔石莼光合活性的影响

植物在逆境因子的胁迫下, 几乎所有的生理过程都会发生变化, 响应机制非常复杂。光合作用对胁迫反应最为敏感, 因此本研究从光合作用入手分析孔石莼在紫外线作用下的应对策略。F_v/F_m是研究光合生物生理状态的重要参数, 反映光系统Ⅱ最大光能转换效率^[17]。在正常条件下, 该参数变化范围较小, 但在逆境条件下(干出、高盐等), 该参数显著降低^[18-19]。

在UV-B辐射强度为4 kJ/m² 的条件下, 孔石莼F_v/F_m随着辐射时间的延长而下降(图 2)。培养12 d时, F_v/F_m下降到0.25, 相对于对照组降低了0.63, 表明藻体的光合活性受到了UV-B的胁迫。随着辐射时间的增加, 光系统Ⅰ和光系统Ⅱ的实际光合量子产量(Y_Ⅰ和Y_Ⅱ)也呈现下降趋势。但是在不同处理时间下, Y_Ⅰ均高于Y_Ⅱ, 光系统Ⅰ在此过程中保持了较高的活性。此外, Y_Ⅱ下降趋势较Y_Ⅰ更为显著。这些结果表明在UV-B胁迫过程中, 光系统Ⅰ的耐受能力更强。

2.3 不同辐射强度对孢子萌发的影响

在未经过UV-B辐射处理的对照组中, 孔石莼孢子可正常萌发成幼苗。在2 kJ/m²的UV-B辐射处理条件下, 孢子也能正常萌发, 生成小苗。但是在4 kJ/m²的辐射条件下, 仅有一小部分的孔石莼孢子顺利萌发, 说明该辐射强度已经对孔石莼的孢子萌发产生了抑制。随着辐射强度的增强, 孢子未能萌发, 说明此时UV-B的辐射强度对孔石莼孢子的萌发有较大的抑制作用(表 1)。

3 讨论

UV-B辐射增强对植物生长发育的影响是目前科学研究的热点之一。随着臭氧的不断减少, 到达地表的UV-B辐射增强, 对植物的形态结构、光合生理代谢、抗氧化系统等多方面造成了严重影响^[20]。藻类是海洋生态系统的初级生产者, 发挥着重要的作用。相关研究结果表明, 由于南极臭氧空洞的形成, 导致UV-B辐射增强, 使南极水域6%~12%的初级生产力受到损失, 严重影响了海洋浮游植物、动物乃至生态系统^[21-23]。在我们的实验结果中, 由图 1和表 1可知, 潮间带大型海藻孔石莼在遭受UV-B辐射增强时, 其生长和孢子萌发率均显著低于对照组; 随着辐射强度的增加, 藻体的生长和发育受到的影响越明显。即使在2 kJ/m²的辐射强度下, 藻体相对生长率也显著降低, 说明孔石莼对UV-B辐射非常敏感, 低量的UV-B辐射即会抑制其生长。这些结果表明UV-B辐射增强对孔石莼的生长和发育造成了一定的影响。

藻类的光合作用是其生长和应对不良环境胁迫的必须过程。光合作用需要两个光系统的协同互作, 分别为光系统Ⅰ和光系统Ⅱ。在UV-B的辐射作用下, 孔石莼的最大光化学量子产量F_v/F_m随着辐射的增强而下降, 说明孔石莼的最大光合作用能力受到抑制, 且辐射强度越强, 抑制作用越明显。与此同时, Y_Ⅰ和Y_Ⅱ也表现出相同的趋势(图 2), 说明光系统Ⅰ和光系统Ⅱ在UV-B辐射过程中受到了损伤。有研究表明, 在胁迫条件下, 光系统Ⅰ相对于光系统Ⅱ表现出更强的抗性^[24]。在本研究中, 孔石莼在UV-B辐射作用下, Y_Ⅰ下降程度小于Y_Ⅱ, 即光系统Ⅰ表现出较强的抗性, 这与之前的研究结果一致。我们推测是由于环式电子传递在此过程中持续为光系统Ⅰ提供电子, 维持了其在UV-B胁迫下的高活性, 从而帮助孔石莼抵御逆境。