铁限制条件下拟柱孢藻与角星鼓藻的生长差异及演替机制
3 讨论
3.1 铁对拟柱孢藻和角星鼓藻季节动态的作用比较
调查期间，拟柱孢藻和角星鼓藻生物量最高占到浮游植物总生物量的82%，是浮游植物群落中最重要的类群。两种浮游植物的季节动态有明显的不同，表明其种群对环境条件变化的响应存在差异。环境因子数据表明，调查期间水体TN:TP质量比在25以上，溶解性磷浓度一直在0.004 mg/L以下，该磷浓度条件对大多数浮游植物生长都有限制作用。拟柱孢藻和角星鼓藻是典型适应低磷环境的种类，该生理特征可能是两种浮游植物能够在大沙河水库成为优势种的重要原因。统计分析表明溶解性磷浓度对拟柱孢藻和角星鼓藻生物量和相对生物量的季节变化没有显著的解释性作用，在长期低无机磷浓度条件下，两种浮游植物的季节动态主要由溶解性氮和溶解性铁浓度变化解释。拟柱孢藻和角星鼓藻生物量均与溶解性氮浓度呈显著的负线性回归关系，但只有拟柱孢藻生物量与溶解性铁浓度有显著的线性回归关系。该结果表明，两种浮游植物生物量对环境因子的响应主要体现在对溶解性铁浓度的响应差异上；铁对拟柱孢藻的季节动态有重要作用，溶解性铁浓度的减少是导致拟柱孢藻竞争优势降低的重要原因。
图6个实验组中拟柱孢藻N8和角星鼓藻FACHB-1449的比生长速率
3.2 铁对拟柱孢藻和角星鼓藻生长的作用比较
3.2.1 无机磷源条件下铁浓度对两种藻生长影响的差异
oCelloScope系统的实时监测数据表明，以细胞密度和Chl.a浓度表示生长曲线，两者趋势基本一致。无机磷条件下，拟柱孢藻N8的比生长速率均随铁浓度的降低而显著降低，而各实验组角星鼓藻FACHB-1449比生长速率没有明显差异。当一定的资源浓度条件下细胞生长速率小于最大生长速率，且该资源浓度小于最大生长速率对应的资源浓度时，藻细胞的生长受到限制，比生长速率随该资源浓度的上升而增加。0.029 mg/L和0.29 mg/L铁浓度条件下拟柱孢藻生长受到限制作用，但角星鼓藻的生长限制作用不明显。该结果表明，与拟柱孢藻N8相比，角星鼓藻FACHB-1449能在更低的Fe3+浓度条件下正常生长。
为进一步明确铁的限制作用的种间差异，我们对铁载体产量进行了比较。拟柱孢藻N8各组均检出较高的铁载体产量，且各组的铁载体组内方差较大，而角星鼓藻FACHB-1449各实验组均未检出铁载体。铁载体是藻细胞在铁限制条件下产生的有机小分子物质，为八面体结构的异羟肟酸型和邻苯二酚型小分子物质，对Fe3+具有较强的螯合作用，同时铁离子—铁载体复合物能被细胞外膜上的铁受体蛋白特异性识别并将铁离子转运至胞内从而缓解铁限制。已有研究提出，蓝藻细胞能直接利用Fe2+，而对Fe3+的吸收主要通过铁载体途径完成，铁载体产量指示细胞生长受到铁限制及环境Fe2+供应不足。本实验的培养基铁源为Fe3+，通过铁载体获取铁可能是拟柱孢藻利用铁的主要途径，这可能是高铁实验组中拟柱孢藻N8也能检出铁载体产量的重要原因。绿藻能通过多种途径利用铁元素。除了能分泌铁载体途径利用铁外，绿藻还能直接吸收Fe3+，或通过分泌还原酶（FCR），将Fe3+螯合物还原成Fe2+和螯合物配体。本实验中所有角星鼓藻FACHB-1449实验组均未检测到铁载体，表明角星鼓藻可能不通过铁载体途径利用铁。
此外，在无机磷源条件下，各实验组拟柱孢藻N8在实验初期均有检到碱性磷酸酶活性，这与接种前进行了磷饥饿处理有关。碱性磷酸酶为一类诱导酶，其产生受一系列生理过程调控。酶活性对胞外磷浓度的响应会呈现滞后现象。随着实验的进行，高铁组的酶活性逐渐降低，但中铁组和低铁组酶活性降低缓慢。低铁组胞外无机磷浓度并不限制其生长，但较低的铁浓度可能不利于细胞对磷的吸收。
3.2.2 有机磷源条件下铁对两种藻生长影响的差异
有机磷条件下，所有实验组的拟柱孢藻N8比生长速率都低于无机磷高铁组，且随铁浓度降低而降低。此外，有机磷条件下的铁载体产量和碱性磷酸酶活性均显著高于无机磷条件。上述结果表明，有机磷条件下细胞生长同时受磷和铁的限制。与拟柱孢藻N8不同，角星鼓藻FACHB-1449各实验组的比生长速率与无机磷高铁组的差异不显著，且无铁载体产生，碱性磷酸酶活性也较低，三个指标均表明磷源和铁浓度对角星鼓藻FACHB-1449的生长没有明显限制作用。
溶解性无机磷缺乏时，细胞通过产生碱性磷酸酶水解和利用有机磷，满足藻细胞的磷需求。碱性磷酸酶是一类蛋白酶，其合成需要氮的参与，铁是氮还原酶的组成部分，决定氮同化速率及酶的合成。此外，Fe3+是PhoX型碱性磷酸酶活性中心的关键组成部分。铁参与碱性磷酸酶的产生和有机磷利用过程中的多个环节。有机磷条件下，拟柱孢藻N8铁载体产量显著高于无机磷条件。表明有机磷条件下细胞对铁的需求高于无机磷条件。低铁组铁载体明显高于其他组，但由于各实验组组内方差较大，不能通过铁载体产量识别藻细胞铁限制程度的组间差异。
大部分浮游植物能够产生碱性磷酸酶，但碱性磷酸酶的产生以及对有机磷的利用能力存在明显的种间差异。本实验结果也证实，两种藻均能在有机磷环境生长，但碱性磷酸酶活性存在显著差异。所有角星鼓藻FACHB-1449实验组的碱性磷酸酶活性一直维持在较低的水平，且不受铁浓度变化的影响。拟柱孢藻N8的碱性磷酸酶活性远高于角星鼓藻FACHB-1449，且高铁组酶活性显著高于低铁组。我国热带水库的溶解性无机磷浓度普遍较低，水体磷主要以有机磷形式存在。角星鼓藻和拟柱孢藻均能适应这种低无机磷环境，本实验也支持该结论。在这类溶解性无机磷浓度偏低的水体中，铁浓度的降低可能限制拟柱孢藻的生长，而角星鼓藻维持正常生长。野外调查结果显示，在热带水库分层强烈的季节，湖上层常出现高pH值和富氧条件，不利于溶解性铁尤其是Fe2+的存在，此时的水环境即为低无机磷和低铁环境。角星鼓藻常在该地区水库处于水体强分层时成为优势种，而拟柱孢藻在该时期的生物量较低。拟柱孢藻和角星鼓藻的演替现象常出现在这类水体，这可能与两种藻的限制性铁浓度差异有关。
4 结论
在溶解性无机磷长期偏低的大沙河水库中，拟柱孢藻和角星鼓藻是浮游植物群落的主要优势种类，两种浮游植物生物量具有明显的季节动态，其生物量对环境因子的响应的区别主要体现在对溶解性铁浓度的响应差异上。与角星鼓藻相比，拟柱孢藻更易受到铁的限制，有机磷源条件拟柱孢藻的铁需求明显高于无机磷条件，有机磷源条件会增强铁对拟柱孢藻生长的限制作用。
相关新闻推荐
1、临床结核分枝杆菌体外药敏试验：分子DST检测VS表型DST药敏诊断技术（一）
3、娄地青霉菌分生孢子萌发的培养基用丙氨酸和精氨酸，τ最长可达33.5小时