北黄海漂浮型铜藻的生态适应性及遗传多样性研究

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铜藻Sargassum horneri是主要分布于北太平洋西部的暖温带性海藻,是中国海藻场的重要组成物种之一。近年来黄海漂浮铜藻的生物量呈逐年增加态势,但是关于漂浮铜藻的科学定义及来源还没有明确结论,本文通过野外调查、室内及原位实验的方法,比较漂浮与底栖两类铜藻的形态结构及光合作用特点,建立一套有效的区分漂浮铜藻的方法,同时探究漂浮铜藻的生态适应性特点。此外还对底栖和漂浮两个群体进行遗传多态性检测,比较两者的遗传多样性和遗传结构特点,为揭示漂浮铜藻的生态适应性及生态学地位奠定基础。主要研究内容如下。  (1)漂浮铜藻气囊及生殖托特点。利用统计学方法对漂浮铜藻和底栖铜藻气囊、生殖托的数量以及主要形态学特征进行了分析。发现漂浮铜藻气囊数量显著多于底栖铜藻,气囊体积显著小于底栖铜藻(p<0.01,One-Way ANOVA),漂浮铜藻生殖托个数远少于底栖铜藻(p<0.01,One-Way ANOVA)。可见铜藻在适应漂浮生境的过程中其漂浮能力和有性生殖能力已经发生相应改变。  (2)漂浮铜藻光合作用特点分析。通过原位测量两者的光合作用,发现漂浮铜藻具有较高的电子传递速率ETR(53.992±12.195)、饱和光强Ik(159.145±40.644)和光合速率参数a(0.343±0.033),叶绿素a及类胡萝卜素含量较低,推测这些特征与其漂浮生活有关。主成分分析表明漂浮和底栖铜藻的特征荧光参数均包括qN、NPQ、YII、qP,其中YII和qP具有极显著差异(p<0.001,one-way ANOVA),因此将这两个光合参数作为区分漂浮和底栖铜藻的主要光合指标。  (3)漂浮铜藻的生态适应性机制。根据原位测量结果推测漂浮铜藻具有较强的高光适应性,据此设计室内实验发现高光下漂浮铜藻NPQ显著高于底栖铜藻(p<0.001,one-way ANOVA),说明热耗散是漂浮铜藻进行光保护的重要途径,此外实验发现弱光下漂浮铜藻光合活性恢复能力高于底栖铜藻。  为进一步探究漂浮铜藻的光适应性特点,室外条件下研究了深度对于两种铜藻光合作用的影响。结果显示处于海面的漂浮铜藻生长速率显著高于-3m处(p<0.05,one-way ANOVA),而底栖铜藻生长速率受深度的影响不显著。位于海面的漂浮铜藻YII、qP及NPQ均显著高于同水层的底栖铜藻(p<0.05,one-way ANOVA)。处于海面生长的两种铜藻玉米黄质及褐藻多酚含量均显著高于-3m处。海面生长的漂浮铜藻褐藻胶和脂类含量高于-3m处,底栖铜藻则相反。说明与底栖铜藻相比,漂浮铜藻更加适应海面的漂浮生长,其适应性表现在具有高效的光合效率和较高的光保护能力,通过光合同化产物的配置和再分配实现在海面快速生长。  (4)漂浮铜藻的遗传结构特点。利用RAD-seq简化基因组技术对漂浮铜藻群体(大连、荣成、江苏外海、浙江)和底栖铜藻群体(大连、烟台、浙江)共计37个样本进行了遗传多样性分析分析,共计获得16665个SNP标记。遗传多样性分析结果显示底栖铜藻群体PIC、π、θ均显著高于漂浮铜藻(p<0.05,T-test),漂浮和底栖群体之间出现较高的遗传分化,异质性高,基因交流不频繁,FST=0.23,Nm=0.076。聚类分析结果显示漂浮和底栖群体各自聚类,其中漂浮群体可分为两个类群,Clade1浙江类群和Clade2大连类群,推测荣成地区漂浮群体来自于浙江和大连,南黄海漂浮群体来自于浙江。Clade1和Clade2之间也存在较高的遗传分化FST=0.431。本文筛选出一个漂浮群体特异性SNP标记,Blastn比对结果显示与脂类代谢有关,推测脂类代谢途径对于漂浮铜藻适应海面环境扮演重要角色。  (5)铜藻基因工程初探。根据以上结果显示漂浮铜藻的多酚、玉米黄质等次级代谢产物含量较高,且具有较高的药用开发价值。通过分子生物学手段调节海藻活性物的表达含量具有重要的意义。本文利用分子生物学手段成功实现绿色荧光蛋白在铜藻叶片中的表达,构建瞬时表达体系。结果显示,GFP可以作为铜藻有效的报告基因。使用载体pEGFP-N1,轰击参数:样品室真空度为27英寸汞柱,可裂膜为900spi,受体与阻挡网之间距离为6cm,可观察到最高转化效率达到1.31%。本文为分子生物学应用于海洋药物的开发奠定基础。
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