2022, Vol. 53
中国海洋湖沼学会主办。
文章信息
- 张清春, 向玲, 王锦秀, 刘扬, 宋敏杰, 王云峰, 孔凡洲, 耿慧霞, 颜天, 于仁成. 2022.
- ZHANG Qing-Chun, XIANG Ling, WANG Jin-Xiu, LIU Yang, SONG Min-Jie, WANG Yun-Feng, KONG Fan-Zhou, GENG Hui-Xia, YAN Tian, YU Ren-Cheng. 2022.
- 南黄海首次暴发“巨囊”生态型球形棕囊藻藻华
- FIRST REPORT OF PHAEOCYSTIS GLOBOSA BLOOM CAUSED BY"GIANT-COLONY" ECOTYPE IN THE SOUTH YELLOW SEA
- 海洋与湖沼, 53(5): 1098-1107
- Oceanologia et Limnologia Sinica, 53(5): 1098-1107.
- http://dx.doi.org/10.11693/hyhz20220100017
文章历史
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收稿日期：2022-01-21
收修改稿日期：2022-02-09
2. 青岛海洋科学与技术国家试点实验室海洋生态与环境科学功能实验室 山东青岛 266071;
3. 中国科学院大学 北京 100049;
4. 中国科学院海洋大科学中心 山东青岛 266071;
5. 青岛科技大学 山东青岛 266045
2. Laboratory for Marine Ecology and Environmental Science, Pilot National Laboratory for Marine Science and Technology (Qingdao), Qingdao 266071, China;
3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
4. Center for Ocean Mega-Science, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China;
5. Qingdao University of Science & technology, Qingdao 266045, China
2021年11月底12月初, 南黄海青岛沿岸突发球形棕囊藻(Phaeocystis globosa)形成的有害藻华(harmful algal bloom, HAB)。大量球形棕囊藻囊体聚集于青岛市黄岛至胶南沿岸海域, 这是南黄海海域首次暴发球形棕囊藻藻华。球形棕囊藻广泛分布于热带至温带海洋, 能产生二甲基丙酸盐, 对全球气候变化具有重要影响(Charlson et al, 1987; Wassmann et al, 2005; Whipple et al, 2005)。球形棕囊藻具有复杂的异形生活史, 含有游离单细胞和囊体群体两种迥异的细胞形态(齐雨藻等, 2001), 其中囊体是由黏多糖包裹成千上万个藻细胞形成(VanRijssel et al, 1997)。球形棕囊藻常以囊体形式形成藻华, 在全球许多近海海域均有该藻藻华记录(Qi et al, 2004; Smith et al, 2014b)。在球形棕囊藻藻华衰退过程中, 死亡藻体分解消耗大量溶解氧, 囊体分解形成泡沫物质, 影响海洋生态系统和旅游景观, 亦会产生溶血毒素等有毒有害化学物质, 危害海水养殖业发展; 藻华期间形成的大量囊体易堵塞冷却水过滤网, 影响核电等沿海大型设施的安全运行(齐雨藻等, 2001; Yu et al, 2017)。
1997年, 球形棕囊藻首次在我国东南沿海形成有害藻华(陈菊芳等, 1999), 之后在广东、海南和广西近海海域连年暴发, 成为我国东南沿海最为突出的藻华灾害(李亚男等, 2012; 沈萍萍等, 2018)。在渤海也多次暴发该藻藻华(曲凌云等, 2008; 屠建波等, 2011)。在本次青岛沿岸藻华之前, 未见有东海和南黄海发生球形棕囊藻藻华的报道。
球形棕囊藻具有囊体大小和特征色素组成等性状分化。包括我国近海在内的东亚至南亚一带沿岸海域, 球形棕囊藻囊体常达到厘米级, 称为“巨型囊体”(Giant colony) (齐雨藻等, 2001; Smith et al, 2014b)。与之相比, 全球其他海域的球形棕囊藻囊体多为毫米级, 通常不超过3 mm (Rousseau et al, 1990; Smith et al, 2014b)。除了囊体大小, 该藻的特征色素组成差异明显(Vaulot et al, 1994; Zapata et al, 2004)。岩藻黄素(fucoxanthin, Fuco)的两种衍生物19′-己酰氧基岩藻黄素(19′-hexanoyloxyfucoxanthin, Hex-fuco)和19′-丁酰氧基岩藻黄素(19′-butanoyloxyfucoxanthin, But-fuco)为棕囊藻的特征色素(Zapata et al, 2000, 2004)。具体到球形棕囊藻, 部分株系含有上述两种特征色素, 但也有株系仅含有其中一种特征色素或两种特征色素都不含有(Vaulot et al, 1994; Antajan et al, 2004; Zapata et al, 2004; Seoane et al, 2009; 王锦秀等, 2019)。基于核糖体18S rDNA、28S rDNA和ITS等常见分子标记的研究发现, 球形棕囊藻具有种下遗传多样性(Lange et al, 2002; Chen et al, 2003; Medlin et al, 2007), 但是现有分子标记过于保守或高变, 与性状特征分化或地理分布之间无法关联。近年的研究发现, 叶绿体和线粒体基因组中的高变区能较好地分辨球形棕囊藻不同地理株系, 与囊体大小、特征色素组成等也有很好的对应关系, 可以用作球形棕囊藻种下遗传分化的分子标记(Song et al, 2020, 2021; Zhang et al, 2021; Niu et al, 2022)。
基于球形棕囊藻叶绿体rbcS-rpl27基因间隔区和线粒体atp8基因高分辨率分子标记, 可以将全球不同海域20余株球形棕囊藻分为4个基因型, 其中Ⅰ型和Ⅱ型广布于世界各海域, 而Ⅲ型株系仅分布于大西洋北海海域, Ⅳ型仅分布于我国南海海域。前3个基因型的球形棕囊藻仅形成直径≤3 mm小囊体, 含有Hex-fuco和But-fuco两种特征色素, 但Ⅳ型可形成“巨型囊体”, 仅含But-fuco一种特征色素(王锦秀等, 2019; Zhang et al, 2021, 2022; Niu et al, 2022)。综合其遗传特征、囊体大小和特征色素组成, Ⅳ型球形棕囊藻被定义为一个独特的“巨囊”生态型(Zhang et al, 2022)。2015~2021年间, 南海多起球形棕囊藻藻华期间采集的囊体均以But-fuco为特征色素, 且都属于Ⅳ型, 表明“巨囊”生态型引发了南海球形棕囊藻藻华(Wang et al, 2022; Zhang et al, 2022)。
目前对引发青岛沿岸藻华的球形棕囊藻色素组成和遗传特征都不了解。在球形棕囊藻藻华发生期间, 本文在青岛沿岸采集了球形棕囊藻囊体, 对囊体大小、色素组成以及遗传信息进行了分析, 初步研判了此次球形棕囊藻藻华原因种的生物学特征, 以期为解析南黄海球形棕囊藻发生机制和有效防控藻华危害提供科学依据。
1 材料与方法 1.1 样品采集2021年12月6日, 分别在青岛市黄岛区沿岸的唐岛湾(TDW)、星光岛(XGD)和古镇口(GZK)海域设置采样点(图 1)。在每个采样点采集表层海水1~2 L, 倒入白瓷盘中, 以刻度尺测量囊体直径, 最小可测量囊体直径约0.5 mm。每个采样点挑取单个或多个囊体, 测量并记录直径后, 以灭菌海水清洗去除囊体表面附着物, 分别在低负压下过滤到孔径为0.4 μm聚碳酸酯膜(Millipore, 美国)和孔径约为0.68 μm GF/F玻璃纤维滤膜(Whatman, 英国) 上, 迅速放入液氮中保存, 带回实验室于−80 ℃冰箱中存放, 用于囊体分子和色素特征分析。取80 mL海水样品用经450 ℃灼烧的GF/F玻璃纤维滤膜过滤, 装入100 mL聚碳酸酯瓶中, 带回实验室存放于−40 ℃冰箱, 用于营养盐分析。现场海水温度、盐度、pH以及溶解氧(DO)由梅特勒多参数测试仪(Mettler Toledo, Columbus, 美国)测定。
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| 图 1 我国渤海和黄海(a)和青岛沿岸采样站位地图(b) Fig. 1 Maps of the Bohai Sea and the Yellow Sea (a), and the sampling sites in coastal waters of Qingdao (b) 注: TDW: 唐岛湾站; XGD: 星光岛站; GZK: 古镇口站 |
用铜-镉还原法测定硝酸盐(
棕囊藻囊体色素提取和分析参照Zapata等(2000)和Kong等(2012)的方法。将囊体色素滤膜剪碎后, 加入1 400 μL 95%甲醇水溶液进行色素提取, 同时加入100 μL 8′-apo-β, ψ-carotaldehyde (750 μg/L)作为内标, 充分搅拌后冰浴超声处理5 min。以孔径0.22 μm有机相针头滤器对提取液进行过滤, 吸取800 μL滤液至1.5 mL棕色样品瓶中, 加入160 μL超纯水, 震荡混匀, 立即进行高效液相色谱(HPLC)色素分析。
1.4 DNA提取、PCR扩增和测序采用十六烷基三甲基溴化铵(Hexadecyl trimethyl ammonium Bromide, CTAB)提取法提取囊体过滤膜样基因组DNA (Winnepenninckx et al, 1993), 提取的DNA溶解于TE溶液中, 保存于−20 ℃用于PCR扩增。利用前期研发的高分辨分子标志扩增球形棕囊藻叶绿体rbcS-rpl27基因间隔区, 引物为rbcS-rpl27-F (5′-GAAGCATACGCACCAAGC-3′)和rbcS-rpl27-3R (5′-ATTGTTGAGTTTACGACGGATA-3′) (Zhang et al, 2021), PCR体系和扩增条件分别参照Zhang等(2021)。用1%琼脂糖凝胶电泳检测PCR扩增产物, 然后送测序公司进行双端测序, 测序获得序列用Invitrogen 11.0 ContigExpress (ThermoFisher, 美国)进行组装。
1.5 系统进化分析从GenBank下载全球不同海域的20株球形棕囊藻叶绿体rbcS-rpl27基因间隔区序列(表 1), 加上本研究获得的6条序列, 并以南极棕囊藻(Phaeocystis antarctica) CCMP1374和约氏棕囊藻(Phaeocystis jahnii) CCMP2496为外群进行系统进化分析。使用ClustalW对序列进行比对; 使用MEGA10.0程序中Find Best DNA/Protein Models (ML)功能选择最适合替换模型T92, 构建最大似然进化树(maximum-likelihood tree), bootstrap值为1 000 (Kumar et al, 2018); 使用Modelfinder程序选择贝叶斯树(Bayesian tree)最适合替换模型为HKY+F+G4 (Kalyaanamoorthy et al, 2017), 使用MrBayes3.2.6构建贝叶斯树, 四条MCMC链运行2 000 000代, 每1 000代进行一次取样(Ronquist et al, 2012)。
| 种名 | 株系 | 分离年份 | 分离地 | 囊体直径 | 特征色素 | GenBank ID | 参考文献 |
| 球形棕囊藻 | MEL42 | 2015 | 中国南海北部湾 | 厘米级巨型囊体 | But-fuco | MW981522 | (Zhang et al, 2022) |
| 球形棕囊藻 | MEL43 | 2018 | 中国南海北部湾 | ≤3 mm小囊体 | Hex-fuco、But-fuco | MN935489 | (Zhang et al, 2021, 2022) |
| 球形棕囊藻 | MEL44 | 2017 | 中国南海北部湾 | ≤3 mm小囊体 | Hex-fuco、But-fuco | MN935490 | (Zhang et al, 2021, 2022) |
| 球形棕囊藻 | MEL45 | — | 中国南海珠江口 | ≤3 mm小囊体 | Hex-fuco、But-fuco | MN935491 | (Zhang et al, 2021, 2022) |
| 球形棕囊藻 | MEL47 | 2017 | 中国东海泉州海域 | ≤3 mm小囊体 | Hex-fuco、But-fuco | MN935492 | (Zhang et al, 2021, 2022) |
| 球形棕囊藻 | MEL68 | 2018 | 中国南海北部湾 | ≤3 mm小囊体 | Hex-fuco、But-fuco | MW981524 | (Zhang et al, 2022) |
| 球形棕囊藻 | MEL69 | 2017 | 中国南海北部湾 | ≤3 mm小囊体 | Hex-fuco、But-fuco | MN935493 | (Zhang et al, 2021, 2022) |
| 球形棕囊藻 | MEL70 | 2019 | 中国南海北部湾 | 厘米级巨型囊体 | But-fuco | MW981525 | (Zhang et al, 2021, 2022) |
| 球形棕囊藻 | MEL71 | 2019 | 中国东海霞浦海域 | ≤3 mm小囊体 | Hex-fuco、But-fuco | MN935494 | (Zhang et al, 2021, 2022) |
| 球形棕囊藻 | MEL78 | 2019 | 越南海域 | ≤3 mm小囊体 | Hex-fuco、But-fuco | MW981526 | (Zhang et al, 2022) |
| 球形棕囊藻 | TIO393 | 2016 | 中国南海大亚湾 | 厘米级巨型囊体 | But-fuco | MW981523 | (Zhang et al, 2022) |
| 球形棕囊藻 | CCMP628 | 1965 | 大西洋加勒比海 | ≤3 mm小囊体 | Hex-fuco、But-fuco | MN935496 | (Zhang et al, 2021, 2022) |
| 球形棕囊藻 | CCMP629 | 1982 | 大西洋墨西哥湾 | ≤3 mm小囊体 | Hex-fuco、But-fuco | MN935497 | (Zhang et al, 2021, 2022) |
| 球形棕囊藻 | CCMP1524 | 1992 | 泰国湾海域 | / | Hex-fuco、But-fuco | MN935498 | (Zhang et al, 2021, 2022) |
| 球形棕囊藻 | CCMP2754 | 2003 | 大西洋北美海域 | / | Hex-fuco、But-fuco | MN935499 | (Zhang et al, 2021, 2022) |
| 球形棕囊藻 | RCC678 | 2000 | 大西洋北海海域 | / | Hex-fuco、But-fuco | MW981528 | (Zhang et al, 2021, 2022) |
| 球形棕囊藻 | RCC736 | 1991 | 大西洋北海海域 | / | Hex-fuco、But-fuco | MN935501 | (Zhang et al, 2021, 2022) |
| 球形棕囊藻 | RCC1736 | 1991 | 大西洋北海海域 | / | Hex-fuco、But-fuco | MW981527 | (Zhang et al, 2022) |
| 球形棕囊藻 | RCC2055 | 2003 | 大西洋英吉利海峡 | ≤3 mm小囊体 | Hex-fuco、But-fuco | MN935500 | (Zhang et al, 2021, 2022) |
| 球形棕囊藻 | Pg-G(A) | — | 大西洋北海海域 | — | — | NC021637 | (Smith et al, 2014a) |
| 南极棕囊藻 | CCP1374 | — | 南极罗斯海 | — | — | JN117275 | (Smith et al, 2014a) |
| 约氏棕囊藻 | CCMP2496 | — | 地中海 | — | — | — | (Zhang et al, 2021) |
| 注: /表示株系不成囊或偶尔形成直径≤3 mm小囊体; —表示具体信息不详 | |||||||
调查期间, 青岛沿岸三个站位表层海水的温度和盐度分别为12.2~13.8 ℃和28.02~29.47, pH值为8.18~8.28, DO为8.73~9.54 mg/L。溶解无机氮(DIN)浓度范围为5.04~9.45 μmol/L, 唐岛湾氨氮(
| 站位 | 温度/℃ | 盐度 | pH | DO /(mg/L) |
 /(μmol/L) |
 /(μmol/L) |
 /(μmol/L) |
DIN /(μmol/L) | DON /(μmol/L) | DOP /(μmol/L) | DIP /(μmol/L) | DSi /(μmol/L) | DIN /DIP |
DSi /DIN |
| 唐岛湾(TDW) | 13.8 | 28.46 | 8.18 | 8.73 | 5.42 | 0.56 | 3.48 | 9.45 | 23.10 | 0.47 | 0.66 | 7.68 | 14.2 | 0.8 |
| 星光岛(XGD) | 12.2 | 28.02 | 8.25 | 9.54 | 2.69 | 0.48 | 5.18 | 8.36 | 20.98 | 0.30 | 0.21 | 3.55 | 40.4 | 0.4 |
| 古镇口(GZK) | 12.9 | 29.47 | 8.28 | 9.42 | 2.52 | 0.38 | 2.14 | 5.04 | 22.07 | 0.29 | 0.11 | 2.06 | 47.8 | 0.4 |
在唐岛湾采集1 L表层海水中, 观测到直径介于0.5~18 mm的球形棕囊藻囊体27个; 星光岛采集2 L表层海水中直径介于1~12 mm的球形棕囊藻囊体37个; 古镇口1 L表层海水中直径介于4~8 mm球形棕囊藻囊体3个(图 2)。将3个站位的囊体信息综合分析表明, 现场海水中直径在5~10 mm的囊体占优势(55%), 其次是直径1~5 mm的囊体(30%), 直径大于10 mm囊体数量较低, 最大囊体直径可达18 mm (图 3)。
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| 图 2 球形棕囊藻藻华囊体的现场照片(a, b)和显微照片(c) Fig. 2 Field (a, b) and microscope (c) pictures of Phaeocystis globosa colonies in the coastal waters of Qingdao in December 2021 |
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| 图 3 2021年12月青岛沿岸球形棕囊藻藻华期间囊体直径分布状况 Fig. 3 Distribution of colony sizes during the bloom of Phaeocystis globosa in the coastal waters of Qingdao in December 2021 |
藻华现场采集9个直径介于4~18 mm的球形棕囊藻囊体进行色素分析, 结果如图 4所示。检测到的主要色素包括脱植基叶绿素a (chlide a)、甲基脱植基叶绿素a (Me-chlide a)、19′-丁酰氧基岩藻黄素(But-fuco)、岩藻黄素(fuco)、硅甲藻黄素(diad)、硅藻黄素(diat)、叶绿素a (chl a)、α-胡萝卜素(βε-Car)和β-胡萝卜素(ββ-Car)。所有囊体样品中都未检测到Hex-fuco, 仅检测到But-fuco。结果表明形成藻华的球形棕囊藻以But-fuco为特征色素。
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| 图 4 球形棕囊藻囊体色素色谱图(440 nm) Fig. 4 Chromatogram of Phaeocystis globosa colonies in the coastal waters of Qingdao in December 2021 (absorbance detected at 440 nm) |
参照王锦秀等(2019)前期建立的囊体直径-囊体细胞数方程Y=0.0076X2.120 4, 根据囊体直径换算得出每个囊体样品中含有藻细胞数, 计算出囊体中单细胞主要色素含量(表 3)。fuco和chl a是球形棕囊藻囊体细胞中的主要色素组分, 含量分别为0.120~0.279 pg/cell和0.076~0.303 pg/cell; 其次为diad, 含量为0.009~0.092 pg/cell; 细胞特征色素But-fuco含量为0.005~0.019 pg/cell。
| 样品名称 | 采样站位 | 囊体数量 | 囊体大小/mm | 色素含量/(pg/cell) | |||||||
| But-fuco | fuco | diad | diat | βε-Car | ββ-Car | chl a | Me-chlide a | ||||
| TDW-1 | 唐岛湾 | 1 | 12 | 0.010 | 0.184 | 0.015 | 0.000 | 0.001 | 0.008 | 0.186 | 0.010 |
| TDW-2 | 唐岛湾 | 1 | 11 | 0.005 | 0.181 | 0.017 | 0.000 | 0.002 | 0.010 | 0.146 | 0.007 |
| TDW-3 | 唐岛湾 | 3 | 6 | 0.006 | 0.279 | 0.023 | 0.000 | 0.003 | 0.012 | 0.152 | 0.009 |
| TDW-4 | 唐岛湾 | 3 | 8 | 0.007 | 0.158 | 0.012 | 0.001 | 0.001 | 0.005 | 0.161 | 0.009 |
| TDW-5 | 唐岛湾 | 3 | 10 | 0.008 | 0.108 | 0.009 | 0.001 | 0.001 | 0.005 | 0.165 | 0.005 |
| TDW-6 | 唐岛湾 | 1 | 18 | 0.007 | 0.120 | 0.010 | 0.001 | 0.001 | 0.005 | 0.076 | 0.017 |
| XGD-1 | 星光岛 | 2 | 4 | 0.019 | 1.187 | 0.092 | 0.000 | 0.000 | 0.043 | 0.303 | 0.000 |
| XGD-2 | 星光岛 | 3 | 8 | 0.012 | 0.244 | 0.019 | 0.001 | 0.002 | 0.007 | 0.220 | 0.010 |
| XGD-3 | 星光岛 | 2 | 7 | 0.012 | 0.279 | 0.020 | 0.001 | 0.002 | 0.009 | 0.214 | 0.013 |
| 注: *因缺少childe a标准品, 未计算细胞内childe a色素含量 | |||||||||||
采自三个站位的6个球形棕囊藻囊体的叶绿体rbcS-rpl27基因间隔区序列完全一致。根据构建的系统进化树可以看出, 所有球形棕囊藻聚集在一起, 远离南极棕囊藻和约氏棕囊藻。球形棕囊藻可分为4个独立簇, 其中第1和2簇聚集在一起, 第3和4簇聚集一起。第1簇包括中国南海北部湾株系MEL43、MEL44、MEL68和MEL69, 南海珠江口株系MEL45、东海泉州海域株系MEL47, 越南海域株系MEL78、泰国湾株系CCMP1524以及大西洋加勒比海, 墨西哥湾和英吉利海峡株系CCMP628、CCMP629和RCC055, 这11个株系内部还有遗传分化。第2簇包括分离自东海霞浦海域西株系MEL71以及大西洋北美海域株系CCMP2754。第3簇包括分离自大西洋北海海域株系RCC678、RCC736、RCC1736和Pg-G(A)。第4簇包括分离自南海北部湾和大亚湾株系MEL42、MEL70和TIO393, 以及本研究中从青岛沿岸采集的6个囊体(图 5)。
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| 图 5 基于rbcS-rpl27序列建立的球形棕囊藻系统进化树 Fig. 5 Phylogenetic tree established for Phaeocystis globosa based on the rbcS-rpl27 intergenic spacer 注: 图中数值斜线左边是最大似然bootstrap值, 右边是贝叶斯分析值, 图中加粗的为本研究中从青岛沿岸采集的6个球形棕囊藻囊体 |
本研究首次报道了南黄海海域暴发的球形棕囊藻藻华。球形棕囊藻主要分布于热带至温带大洋和近海海域, 可引发有害藻华。20世纪80~90年代, 球形棕囊藻藻华主要出现在北大西洋的北海及其邻近海域(Rousseau et al, 1990; Lancelot et al, 2009)。20世纪末, 太平洋西部的东亚和东南亚海域频发球形棕囊藻藻华, 位于印度洋的阿拉伯海等也有零星出现(Madhupratap et al, 2000; Qi et al, 2004; Hai et al, 2010; Smith et al, 2014b)。1997年10月, 中国东南沿海首次暴发大规模球形棕囊藻藻华, 随后, 广东、海南和广西沿海亦频频发生。2004年6月至2006年10月, 渤海沿海多次发生球形棕囊藻藻华(曲凌云等, 2008; 屠建波等, 2011)。在本次青岛沿岸发生球形棕囊藻藻华之前, 未曾有南黄海发生球形棕囊藻藻华的报道。
前期研究发现, 球形棕囊藻具有种下遗传多态性, 且存在囊体大小和特征色素等性状分化(Vaulot et al, 1994; Zapata et al, 2004; Medlin et al, 2007; Smith et al, 2014b)。基于核糖体18S rDNA、28S rDNA、ITS和rbcL等常见分子标记研究表明, 球形棕囊藻具有复杂的种下遗传多态性(Medlin et al, 2007)。在大西洋北海海域, 球形棕囊藻囊体一般小于3 mm, 含Hex-fuco和But-fuco两种特征色素。而在东南亚沿海, 球形棕囊藻藻华中常出现厘米级大小的“巨型囊体”, 且仅含有But-fuco一种特征色素。随着研究深入, 在我国近海也陆续发现了仅形成小囊体、以Hex-fuco和But-fuco为特征色素的球形棕囊藻株系(王锦秀等, 2019)。尽管球形棕囊藻囊体形成受到光照、温度、营养盐、硅藻, 以及浮游动物摄食等多种因素影响(Tang, 2003; Sazhin et al, 2007; Wang et al, 2010, 2011), 但上述因素并非决定球形棕囊藻大小的根本因素。棕囊藻特征色素含量会受到光照等环境因素影响(Buma et al, 1991; vanLeeuweet al, 1998, 2014; Schlüter et al, 2000; DiTullio et al, 2007), 但其特征色素组成与环境因素无关。因此, 球形棕囊藻囊体大小和特征色素等性状应当具有其遗传基础。早期研究中采用的分子标记因过于保守或高变, 无法合理解释球形棕囊藻的生物地理分布状况, 与其性状特征分化也没有清晰的关联。
生态型(ecotype)是指同一物种的不同种群长期生活在不同环境中, 由于环境选择和隔离产生趋异适应, 成为遗传上有差异、适应不同生态环境的类群, 相当于分类学上的亚种(Turesson, 1922; Begon et al, 2005)。基于叶绿体rbcS-rpl27基因间隔区和线粒体atp8基因分子标记研究都表明, 分离于南海的部分球形棕囊藻藻株能形成厘米级“巨型囊体”, 以But-fuco作为特征色素, 且其在基因型属于Ⅳ型。在南海海域2015~2021年期间的调查发现, 该海域存在包括Ⅰ、Ⅱ和Ⅳ型之内多种基因型球形棕囊藻游离细胞, 但藻华期间采集的球形棕囊藻囊体都属于Ⅳ型(Zhang et al, 2021, 2022; Niu et al, 2022)。室内模拟实验也发现, Ⅳ型球形棕囊藻比Ⅰ和Ⅱ型具有更高的溶血活性和生物毒性。因此, “巨型囊体”球形棕囊藻与其他球形棕囊藻相比具有明显的性状和遗传差异, 应属于一类独特的生态型——“巨囊”生态型(Zhang et al, 2022)。本研究发现, 在青岛沿岸形成藻华的球形棕囊藻可以形成厘米级“巨型囊体”, 囊体叶绿体rbcS-rpl27基因间隔区与“巨囊”生态型球形棕囊藻完全一致, 均属于Ⅳ型, 且以But-fuco作为特征色素。上述结果表明此次青岛沿岸球形棕囊藻藻华是由“巨囊”生态型形成。
3.2 南黄海球形棕囊藻藻华的监测和研究展望球形棕囊藻藻华暴发具有规模大、时间长等特征。如2016~2017年北部湾球形棕囊藻藻华影响海域覆盖了从广西防城港至广东雷州半岛的近岸海域, 持续时间从2016年12月至次年3月(贺成等, 2019); 1997年我国东南沿海首次暴发球形棕囊藻藻华, 面积超过3 000 km2, 持续6个月(陈菊芳等, 1999)。此外, 球形棕囊藻藻华往往会在暴发海域多年持续发生, 很难消除。20世纪80~90年代, 球形棕囊藻藻华在北大西洋的北海及邻近海域几乎连年出现, 1997年以来, 我国南海海域也连续多年暴发, 2011年至今, 北部湾几乎每年冬季都会发生(沈萍萍等, 2021)。南黄海海域的球形棕囊藻藻华是否会连年出现, 值得密切关注。
球形棕囊藻藻华是典型的有害藻华, 对海洋生态系统、水产养殖业以及沿岸大型设施运行等有不利影响(沈萍萍等, 2021)。南黄海球形棕囊藻藻华的潜在危害同样值得密切关注。球形棕囊藻藻华暴发时会产生二甲基硫化物和硫丙酸等有毒物质, 常造成海洋生物死亡。藻华消亡时, 高生物量囊体细胞分解消耗大量氧气, 造成水体缺氧, 威胁海洋生物生存(沈萍萍等, 2018)。1997年我国东南沿海暴发的大规模藻华造成养殖生物大量死亡, 仅广东拓林湾的渔业直接损失超过6 000万元(陈菊芳等, 1999)。前人研究发现, 球形棕囊藻南海株系可产生溶血毒素, 是造成大量海洋生物死亡的原因之一(何家菀等, 1999)。本文近期研究也发现, “巨囊”生态型球形棕囊藻(Ⅳ型)比Ⅰ和Ⅱ型具有更高的溶血活性, 对轮虫和卤虫等浮游生物的生物毒性更强(Zhang et al, 2022)。南黄海的“巨囊”生态型球形棕囊藻有可能对该海域的水产养殖活动造成损害。球形棕囊藻具有胶质囊体, 容易堵塞冷却系统过滤网, 威胁沿海地区核电和热点设施的安全运行, 南海北部湾海域的球形棕囊藻藻华对核电运行的影响是备受关注的热点问题(曹西华等, 2017)。近年来, 我国沿海大力发展核电和火电工程, 南黄海沿岸已建立和正在建立多个核电和火电厂, 依赖大量海水来维持冷源系统正常运行。南黄海海域“巨囊“生态型球形棕囊藻藻华对核电和火电冷源系统安全运行的影响值得高度关注。
球形棕囊藻藻华在渤海和南海都有多次形成大规模藻华的记录, 但在黄、东海海域很少发生, 其原因有待深入研究。本研究发现, 此次南黄海的球形棕囊藻藻华是由“巨囊”生态型形成。以往渤海和北黄海球形棕囊藻藻华期间, 也有“巨型囊体”出现的记录(李伟才等, 2006; 曲凌云等, 2008), 但由于缺乏现场样品和分离的球形棕囊藻培养系, 无法进行进一步验证。基于2021年对渤海、黄海和东海浮游植物群样品的分析, 我们发现渤海也存在Ⅳ型球形棕囊藻, 而黄海、东海海域的球形棕囊藻则以其他基因型为主。这表明渤海海域以往的球形棕囊藻藻华极有可能也是由“巨囊”生态型形成。但是, 此次藻华过程中的“巨囊”生态型球形棕囊藻从何而来, 我国南方、北方海域的“巨囊”生态型球形棕囊藻是否存在种群隔离和生理生态特征的差异等, 目前并不清楚。其次, 这次南黄海球形棕囊藻藻华也具有一些独有的特征: 藻华期海水温度仅为12~14 ℃, 远低于南海海域藻华发生时的海水温度(水温20 ℃左右) (徐宁等, 2003; 贺成等, 2019)。此外, 以往研究认为高浓度硝态氮是球形棕囊藻大量繁殖和形成藻华的重要物质基础(Lancelot et al, 2007; Wang et al, 2021), 但在南黄海球形棕囊藻藻华期间, 海水中DON浓度(21~23 μmol/L)远高于DIN浓度(5.0~9.5 μmol/L), 高浓度DON是否有利于此次球形棕囊藻藻华形成仍有待阐明。鉴于球形棕囊藻藻华对海洋生态系统、水产养殖业、沿岸核电和火电等设施的潜在危险, 有必要开展针对性的研究, 深入揭示我国北方海域球形棕囊藻藻华的发生机制, 在此基础上进一步强化对北方海域球形棕囊藻藻华的监测预警。
本次南黄海球形棕囊藻藻华已被证实是由“巨囊”生态型形成。在海水中, 球形棕囊藻可以游离单细胞和囊状群体两种形态存在(齐雨藻等, 2001), 囊体出现常被视为藻华形成的标志。在藻华形成前, 球形棕囊藻以游离单细胞形式存活于海水中。球形棕囊藻游离单细胞大小仅为3~8 μm, 通过传统的显微镜观察手段难以实现对游离细胞的鉴定和监测。“巨囊”生态型球形棕囊藻以But-fuco作为特征色素, 在北部湾藻华的研究中, Wang等(2022)将But-fuco含量作为诊断色素, 成功应用于球形棕囊藻藻华的过程研究和早期诊断。根据“巨囊”生态型球形棕囊藻的遗传序列信息, Niu等(2022)开发了以线粒体atp8基因为靶区的特异性qPCR定量方法, 检测限可达到30 cells/L, 成功应用于北部湾海域球形棕囊藻藻华监测和研究中。对青岛沿岸采集的球形棕囊藻线粒体atp8基因扩增测序结果表明, 其序列信息与南海“巨囊”生态型序列一致, 这表明前期研发的“巨囊”生态型球形棕囊藻特异性qPCR方法可以用于北方海域球形棕囊藻的检测。这些研究手段为进一步开展北方海域球形棕囊藻的监测和研究工作奠定了基础。
4 结论2021年11月底至12月初, 青岛沿岸暴发球形棕囊藻藻华, 藻华中产生大量囊体主要集聚于青岛黄岛至胶南沿岸。藻华发生时, 青岛沿岸表层海水温度低, 仅为12~14 ℃, 呈现高DON、低DIN营养盐组成特征。海水中囊体丰度可超过20个/L, 最大直径超过1 cm。藻华中形成的囊体与南海“巨囊”生态型球形棕囊藻一样, 均以But-fuco为特征色素; 叶绿体rbcS-rpl27序列完全一致, 与南海“巨囊”生态型球形棕囊藻同属于基因Ⅳ型。“巨囊”生态型球形棕囊藻藻华可能会对南黄海生态系统、水产养殖业和沿岸核电、热电冷却系统构成威胁, 亟需加强我国北方海域球形棕囊藻藻华形成机制研究, 进一步提高监测预警能力, 防控藻华危害。
致谢 感谢参与现场调查和采样全体科研人员, 以及烟台大学江涛教授提供部分现场调查信息。
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