凯伦藻科(Kareniaceae)隶属于甲藻纲(Dinophyceae)裸甲藻目(Gymnodiniales), 是甲藻门(Dinophyta)下较近建立的一个新科, 由Bergholtz等(2006) 建立。该科种类为单细胞, 细胞大小不等, 长度一般为20微米, 也有部分种类小至十几微米或者大至三十几微米。该科的主要特征是: (1) 细胞无甲板(unarmoured); (2) 顶沟(apical groove)呈直线形或者“S”形; (3) 细胞主要辅助色素成分为岩藻黄素(fucoxanthin)或/及其衍生物而非甲藻素(Bergholtz et al, 2006)。

凯伦藻科种类属广域分布种, 从热带海域到极地海区都有分布(de Salas et al, 2008; Brand et al, 2012)。据报道, 凯伦藻科藻类在美国(Tester et al, 1997)、新西兰(Chang et al, 2001)、日本(Oda, 1935)、韩国(Cho, 1981)、中国(Lü et al, 2004; Lu et al, 2014)、挪威(Tangen, 1977)、智利(Clément et al, 2001)、澳大利亚( de Salas et al, 2004a, b )、南非(Botes et al, 2003)等地均有报道, 并在这些国家引发过严重的灾害性藻华。

自2005年凯伦藻科建立至今, 经过十多年的研究及修订, 目前该科共有3个属30个种(Nézan et al, 2014; Guiry et al, 2017)。与之相比, 我国海域凯伦藻种类多样性的研究较少, 目前仅报道3个属11个种(含香港海域) (刘瑞玉, 2008; Wang et al, 2011;罗秉全等, 2013; Gu et al, 2013)。本文就凯伦藻科的分类沿革、形态特征、种类多样性等进行综述, 结合拉丁文及其形态特征拟出其相应的中文译名, 以期为我国凯伦藻多样性研究提供基础的种源信息。

1 凯伦藻科的缘起及其分类沿革

成立之前, 凯伦藻科的种类多属于裸甲藻目(Gymnodiniales)裸甲藻属(Gymnodinium), 也有少数种类属于环沟藻属(Gyrodinium)。20世纪80年代, 随着扫描电子显微镜技术的发展, 裸甲藻类的一些微小结构如顶沟被发现, 并成为裸甲藻类的重要分类依据(Takayama, 1985), 促进了裸甲藻系统结构的进一步分化。Daugbjerg等(2000) 根据藻细胞顶沟特征, 并结合分子生物学信息对裸甲藻属进行修订, 将原先的裸甲藻属划分为四个属, 分别为裸甲藻属(Gymnodinium Stein)、凯伦藻属(Karenia Hansen & Moestrup)、卡尔藻属(Karlodinium Larsen)和赤潮藻属(Akashiwo Hansen & Moestrup), 其中, 凯伦藻属、卡尔藻属和赤潮藻属为新属。

根据Daugbjerg等(2000) 的分类方法, 具有直线形顶沟的裸甲藻类被归至凯伦藻属和卡尔藻属, 即后来构成凯伦藻科的两个属。据此分类方法, 原本属于裸甲藻属的多个种, 如G. breve、G. mikimotoi和G. brevisulcatum被修订至凯伦藻属, 分别被命名为K. brevis、K. mikimotoi和K. brevisulcata; 而另外一些裸甲藻属种类如G. micrum、G. veneficum和G. vitiligo被修订移至卡尔藻属, 分别被命名为Karl. micrum、Karl. veneficum和Karl. vitiligo。此时, 凯伦藻科下有6个种, 含凯伦藻属4个种(K. brevis, K. brevisulcata, K. digitata和K. mikimotoi)和卡尔藻属2个种(Karl. veneficum = Karl. micrum和Karl. vitiligo)。

自凯伦藻属和卡尔藻属建立之后, 其种类多样性在随后几年快速增长, 尤其是2003至2004年, 仅凯伦藻属的种类就增长至13种。Botes等(2003) 报道了两种分离自南非沿岸的凯伦藻K. cristata和K. bicuneiformis; Haywood等(2004) 报道了分离自新西兰海域的3种凯伦藻K. papilionacea, K. sellformis和K. bidigitata。Chang等(2004) 鉴定了2002年新西兰豪拉基湾(Hauraki Gulf)的藻华肇事种, 命名为K. concordia。de Salas等(2004b)报道了2003年澳大利亚塔斯马尼亚(Tasmania)南部凯伦藻藻华肇事种之一K. asterichroma。与此同时, de Salas等(2003) 补充了日后属于凯伦藻科的另一个属-塔卡藻属(Takayama de Salas, Bolch, Botes et Hallegraeff), 报道了该属下的2个种: T. tasmanica和T. helix, 并将原属于裸甲藻属的G. pulchellum、Gyr. acrotrochum和Gyr. cladochroma等3个种移至塔卡藻属, 成立伊始的此属下共有5个种。

Bergholtz等(2006) 综合形态学特征、核糖体大亚基DNA序列(LSU rDNA)和色素组成等信息, 建议将凯伦藻属、卡尔藻属和塔卡藻属等3个属归入一个新科--凯伦藻科(Kareniaceae), 并界定该科的特征为:细胞裸露, 细胞色素成分为岩藻黄素或其衍生物, 顶沟直线形或“S”形。自此之后, 凯伦藻科作为一个新科, 逐渐引起藻类学家的关注。

2008年是凯伦藻科成立之后, 其种类数量大幅增长的一年。de Salas等(2008) 通过对南极地区的浮游藻类分析, 发现了5种卡尔藻和1种塔卡藻。2008年之后至今, 凯伦藻科的种类数量又增加了3种, 分别是由Gyr. corsicum修订而来的Karl. corsicum (Siano et al, 2009) 以及由Gu等(2013)和Nézan等(2014) 发表的两个新种T. xiamenensi和Karl. gentienii。

2 凯伦藻科各属种及其形态特征

目前, 凯伦藻科共3个属30个种(Nézan et al, 2014; Guiry et al, 2017)。

(1) 凯伦藻属(Karenia Hansen & Moestrup, 2000):该属以美国著名海洋藻类学家Karen Steidinger的名字命名, 以彰显其对甲藻研究的卓越贡献。该属的主要特征是细胞色素主要成分为岩藻黄素、19′-乙酰氧基岩藻黄素和/或19′-丁酰氧基岩藻黄素, 细胞核裸露没有核被膜和核室, 顶沟直(Daugbjerg et al, 2000)。

(2) 卡尔藻属(Karlodinium Larsen, 2000):本属以挪威藻类学家Karl Tangen为名, 用以纪念其对Daugbjerg等(2000) 一文中所用藻种的贡献。该属藻类的主要特征是细胞裸露, 色素体内含有扁豆状蛋白核, 主要细胞色素为岩藻黄素或其衍生物。细胞表面存在表质膜, 表质膜因其上面塞状结构的排布而呈六边形。顶沟直。具有腹孔(Daugbjerg et al, 2000)。

(3) 塔卡藻属(Takayama Salas, Bolch, Botes et Hallegraeff, 2003):该属以日本著名海洋藻类学家Haruyoshi Takayama为名, 以纪念其首次阐述了顶沟在裸甲藻分类学中的重要性。该属的主要特征是细胞裸露, 主要细胞色素为岩藻黄素或其衍生物, 顶沟为“S”形(de Salas et al, 2003)。

          凯伦藻科分属检索表

1.顶沟直······························································· 2

1.顶沟弯, “S”形···························塔卡藻属(Takayama)

2.有腹孔································卡尔藻属(Karlodinium)

2.无腹孔······································凯伦藻属(Karenia)

2.1 凯伦藻属种类及其形态特征

凯伦藻属目前有12个种, 该属模式种为短凯伦藻(K. brevis), 属下各种的分类学特征及地理分布概况详见表 1。

2.2 卡尔藻属种类及其形态特征

卡尔藻属目前有11个种, 本属的模式种为剧毒卡尔藻(Karl. veneficum), 属下各种的分类学特征及地理分布概况详见表 2。

2.3 塔卡藻属种类及其形态特征

塔卡藻属目前有7个种, 模式种为塔斯马尼亚塔卡藻(T. tasmanica)。本属各种的分类学特征及地理分布概况详见表 3。

          凯伦藻属分类检索表

1.细胞背腹扁平····················································· 2

1.细胞背腹扁平程度低, 或呈圆球形························· 9

2.上顶端突出形成龙骨突状····································· 3

2.上顶端不突出, 无龙骨突······································ 4

3.下壳部腹面凹进, 背面凸起

    ·····························蝶形凯伦藻(K. papilionaceae)

3.下壳部无内凹····························短凯伦藻(K. brevis)

4.顶端因顶沟呈冠状················冠状凯伦藻(K. cristata)

4.顶端无冠状结构·················································· 5

5.下壳部底部平截, 中央凹陷程度低························· 6

5.下壳部底部不平截, 中央凹陷深···························· 8

6.细胞核位于细胞上壳部

    ·······························星状凯伦藻(K. asterichroma)

6.细胞核位于细胞下壳部········································ 7

7.顶沟长, 延伸至横沟终端的上边缘

    ··································协和凯伦藻(K. Concordia)

7.顶沟短, 仅达横沟起点的上边缘

    ····································米氏凯伦藻(K. mikimotoi)

8.下壳部底端两裂片呈锯齿状

    ······························双揳凯伦藻(K. bicuneiformis)

8.下壳部底端两裂片呈马鞍形

    ···································鞍形凯伦藻(K. selliformis)

9.顶沟长, 腹面达到横沟上边缘之下, 背面为上壳

部的1/2-2/3················································ 10

9.顶沟短, 腹面始于横沟之上, 背面为上壳部的

1/3-1/2······················································· 11

10.上壳部有8条纵行的沟, 纵沟延伸上壳部成指状

入侵································伞辐凯伦藻(K. umbella)

10.上壳部无纵行的沟, 纵沟在上壳部无入侵

    ·····································长沟凯伦藻(K. longicannalis)

11.顶沟短, 腹面为上壳部的1/3-1/2;纵沟形成指

状入侵····························指沟凯伦藻(K. digitata)

11.顶沟极短, 腹面为上壳部的1/3或更短

    ································短沟凯伦藻(K. brevisulcata)

          卡尔藻属分类检索表

1.细胞卵圆形或椭圆形··········································· 2

1.细胞呈五边形或双锥形········································ 9

2.顶沟长, 背面长度约占上壳部的1/2······················· 3

2.顶沟短, 背面长度约占上壳部的1/3或更短············ 4

3.细胞长约为宽的两倍, 腹孔不明显或者无

    ·····························南极卡尔藻(Karl. antarcticum)

3.细胞长稍大于宽, 腹孔明显呈裂隙状

    ································螺旋卡尔藻(Karl. decipiens)

4.腹孔清晰可见····················································· 5

4.腹孔不明显或缺失

    ····························巴氏卡尔藻(Karl. ballantinum)

5.色素体数量多, 多于10个···································· 6

5.色素体少于10个, -般2-8个···························· 7

6.细胞表面分布刺细胞, 纵沟内无管状结构

    ··································甲胄卡尔藻(Karl. armiger)

6.细胞表面横沟之下有两排小突起, 纵沟内有管状

    结构·······················科西嘉卡尔藻(Karl. corsicum)

7.细胞核位于细胞上顶端

    ··································南方卡尔藻(Karl. australe)

7.细胞核位于细胞中间或者略靠下··························· 8

8.上壳部分布平行排列的犁沟, 沟内有成列的微小

    突起··························让氏卡尔藻(Karl. gentienii)

8.细胞上壳部无平行排列的犁沟················剧毒卡尔藻

    (Karl. veneficum)或白斑卡尔藻(Karl. vitiligo)*

9.个体大, 细胞核位于下壳部

    ··································锥形卡尔藻(Karl. conicum)

9.个体小, 细胞核位于细胞中央靠右, 上壳部有平

    行纵纹···················波纹卡尔藻(Karl. corrugatum)

*白斑卡尔藻(Karl. vitiligo)与剧毒卡尔藻(Karl. veneficum)细胞形态极为相似, 主要区别在于生理方面:白斑卡尔藻不具毒性, 而剧毒卡尔藻具有细胞毒性。

          塔卡藻属分类检索表

1.顶沟深, 弯曲, 呈“S”形········································· 2

1.顶沟浅, 略弯曲, “S”形不明显

    ···········································螺旋塔卡藻(T. helix)

2.细胞核大, 呈杯状··············································· 3

2.细胞核小, 椭圆形或圆球形·································· 5

3.色素体自中央蛋白核成放射性分布, 分枝状············ 4

3.色素体小, 30-40个, 不分枝

    ·································厦门塔卡藻(T. xiamenensis)

4.细胞个体大于20μm, 有腹孔和指状入侵

    ··························塔斯马尼亚塔卡藻(T. tasmanica)

4.细胞个体小, 腹孔不明显, 下壳部遍布疣状突起

    ··································覆疣塔卡藻(T. tuberculata)

5.细胞核位于细胞上壳部

    ···································绕顶塔卡藻(T. acrotrocha)

5.细胞核位于细胞左侧··········································· 6

6.色素体数量少, 呈分枝状

    ································分枝塔卡藻(T. cladochroma)

6.色素体几个, 形状不规则

    ·····································纤美塔卡藻(T. pulchella)

3 我国的凯伦藻科分类学研究

我国对凯伦藻的研究始于1998年珠江口的大规模米氏裸甲藻(米氏凯伦藻的前称)藻华, 此后对于其种类鉴定、生态生理和成灾机理等已开展了诸多研究(吕颂辉等, 2007;李雁宾等, 2008;姚炜民等, 2007; Lei et al, 2011; Yuan et al, 2012)。相较于生理生态学研究, 目前国内在凯伦藻科的分类学和种类多样性研究方面略显不足。但是, 国内研究者对凯伦藻分类学研究的方法起点较高, 分类研究中综合了形态学、分子生物学甚至毒理学方法(Yang et al, 2001; Wang et al, 2011; Zhou et al, 2011;徐娜等, 2012;罗秉全等, 2013; Gu et al, 2013; Lu et al, 2014)。

目前我国甲藻种类收录较为全面的是《中国海洋生物名录》(刘瑞玉, 2008) 一书, 其中凯伦藻属4个种, 卡尔藻属1个种, 塔卡藻属1个种, 没有单列凯伦藻科。马新等(2013) 结合AlgaeBase数据库将《中国海洋生物名录》中的甲藻进行整理, 建议与国际分类同步成立凯伦藻科, 其下共有6个种, 分别为短凯伦藻、指状凯伦藻、米氏凯伦藻、长沟凯伦藻、微小卡尔藻和美丽塔卡藻。Lu等(2014) 列举了我国沿海常见的藻华生物, 其中包含凯伦藻科种类5个种, 分别为剧毒卡尔藻、短凯伦藻、米氏凯伦藻、指状凯伦藻和长沟凯伦藻。Gu等(2013) 补充了凯伦藻科的一个新种厦门塔卡藻(T. xiamense)。另外, 我国香港海域已记录的凯伦藻科含3个属9个种, 分别为双揳凯伦藻、短沟凯伦藻、指沟凯伦藻、长沟凯伦藻、米氏凯伦藻、蝶形凯伦藻、剧毒卡尔藻、美丽塔卡藻和塔斯马尼亚塔卡藻(Yang et al, 2001;罗秉全等, 2013)。

在我国, 迄今已发现的凯伦藻科种类较少, 不及AlgaeBase已报到数量的1/3。由于国内已有对凯伦藻分类学的研究仅局限于个别种类的发现和描述, 种类多样性及地理分布研究缺乏系统性。同时, 有关该科的分子系统学信息更是相对匮乏。

4 凯伦藻科分类学研究展望

凯伦藻科的种类具有较为近似的形态学特征, 其准确鉴定需借助于光学显微镜和电子显微镜技术。即便如此, 在细胞培养以及样品固定、脱水处理等过程中也会导致某些特征的丢失, 造成种类鉴定的困难。分子序列信息的获得为裸甲藻类的分类提供了非常有利的辅助信息, 可完成相似种之间的区分, 实现对形态上无法准确鉴定的种类进行种属的归类, 同时也可提供准确的系统发育信息(Orr et al, 2012)。形态学和分子生物学方法相结合, 极大促进凯伦藻新种的发现, 丰富种类多样性。但是目前凯伦藻科的分类学研究中仍存在一些问题。

(1) 某些形态特征用于区分凯伦藻种类的有效性还有待考究。凯伦藻科成立时, 其下凯伦藻属与卡尔藻属最主要的区别是前者无腹孔, 后者有腹孔(Bergholtz et al, 2006)。但是, 近几年的研究发现, 卡尔藻的某些种类(Karl. ballantinum)缺乏腹孔(de Salas et al, 2008)。可见, 仅依据形态学特征对凯伦藻科种类实现准确鉴定存在一定的难度。

(2) 分子生物学信息在凯伦藻种类鉴定中的有效利用。DNA序列信息在一定程度上可弥补仅依据形态学特征进行藻类分类的不足, 为凯伦藻科的分类提供了非常有利的辅助信息。但是目前分子生物学信息在凯伦藻科的分类学中的应用仍存在一些问题。研究发现, 常用标记序列(如LSU rDNA)在凯伦藻科的塔卡藻属内高度保守, 无法实现种类的有效区分(Gu et al, 2013)。Re é等(2015) 曾发现一个未知种类的LSU rDNA序列信息与两种塔卡藻T. tasmanica和T. buberculata的相似性分别为99.5%和99.3%, 而这两种塔卡藻在形态学上具有明显的不同。Yang等(2000) 根据细胞具有直顶沟和无腹孔特征将1998年在我国香港等地引起大规模藻华的肇事种指状凯伦藻(K. digitata)归于凯伦藻属, 而Lee等(2011) 通过分子序列比对分析发现, 指状凯伦藻在分子系统树中与卡尔藻种类聚在一支, 并非是与凯伦藻种类聚在一起。故仅凭分子生物学信息无法实现凯伦藻类尤其是新的未知种的准确鉴定。凯伦藻科种类的准确鉴定需在形态学特征的基础上, 综合分子生物学信息, 乃至细胞色素组成信息以及毒理特征才能完成。

(3) 相近属种的进一步修订。随着研究的深入, 更多近似种类可能被修订至凯伦藻科。研究发现, 野外样品中Brachidiniaceae科下的Brachydinium属和Asterodinium属种类常与某些凯伦藻属的种类, 尤其是蝶形凯伦藻混合出现(Gómez et al, 2005)。光镜下这两个属形态与凯伦藻类非常相似, 电镜下观察都具有直顶沟(Gómez et al, 2005; Gómez, 2006)。近年, Henrichs等(2011) 通过分子序列分析表明, Brachydinium属下的Brachydinium. capitatum聚在了凯伦藻属下。那么, Brachidiniaceae科下的种类会不会原本属于凯伦藻科？目前还不得而知。今后还需进一步加强对这几个近似属的分类学、系统学的研究与修订。

(4) 凯伦藻种类多样性和地理分布研究亟需加强。已有的对凯伦藻类的分类学研究多是基于在藻华暴发后对肇事种的鉴定需要, 对该科种类的地理分布研究较少。一般情况下凯伦藻类在海水中的浓度较低, 极易被忽视。Zingone等(2006) 通过对地中海坎帕尼亚地区(Campania region, Mediterranean Sea)有害藻类进行系统调查并报道了5种凯伦藻和1种塔卡藻。Nézan等(2014) 对法国沿海的凯伦藻科进行调查, 基于分子生物学信息(LSU rDNA序列)报道了凯伦藻科12个种类。本文研究者通过对中国近海凯伦藻科种类分布的初步研究, 目前已发现3个国内新纪录种。若广泛开展凯伦藻科种类多样性和地理分布研究, 或许会有更多的种类被发现, 同时也会丰富已有种类的地理分布信息。

综上所述, 凯伦藻科种类是全球近岸海域重要的藻华生物, 开展分类学和种类多样性研究有助于凯伦藻藻华肇事种的准确鉴定。今后的研究中, 应加强对该科甲藻的分类学基础研究, 广泛采集、分离和鉴定野外样品, 开展不同地理株的形态比较和分子生物学信息采集, 以丰富我国凯伦藻科的种源信息, 加深对凯伦藻藻华的认识。