昼夜波动型海洋酸化对坛紫菜光合作用的影响

An obvious feature of ocean acidification at coastal waters is the CO2 diel fluctuation, but this point did not get enough attentions in the previous researches. Aquaculture industry of Pyropia haitanensis has become an important part of ecosystem and carbon cycle of southern China coast, deeply study of the impact of offshore ocean acidification on photosynthesis of laver has an important theoretical and practical value. This study intends to simulate the diurnal variation of ocean acidification at coastal waters, from the aspects of physiology and biochemistry, gene expression and protein expression levels, to synthetically evaluate the effects and mechanisms of ocean acidification with CO2 diel fluctuation on the photochemical efficiency, CO2 concentrating mechanisms and carbon fixation pathways; try to accurately reveal the impact of CO2 diel fluctuation on P. haitanensis, so as to provide theoretical guidance for the sustainable development of algae cultivation industry.

近海海洋酸化的显著特征是海水CO2浓度的昼夜波动，但以往的相关研究中却没有得到足够重视；坛紫菜是我国南方近海生态系统和碳循环的重要组成部分，深入研究近海海洋酸化对其光合作用的影响和作用机理具有重要的理论和实际应用价值。本项目拟模拟近海海洋酸化的昼夜波动特征，从生理生化、基因表达和蛋白表达三个不同层面，综合评估昼夜波动型海洋酸化对坛紫菜光能利用效率、CO2浓缩机制和固碳途径等光合作用过程的影响和作用机制，力图准确揭示近海海洋酸化对坛紫菜的影响，从而为坛紫菜栽培产业的可持续发展提供理论指导。

海洋酸化问题日益严重，其对经济海藻的生理生态影响引起了广泛关注。为此，本项目研究了海洋酸化对坛紫菜（Pyropia haitanensis）的光合速率、光合色素含量、生长速率、光和温度耐受能力和有机物释放等的影响，并分析了分子机制。结果表明：1、低接种密度下海洋酸化导致比生长速率降低了6.7%；而高接种密度下，海洋酸化昼夜波动较大，但导致坛紫菜的比生长速率增加了6.7%。此外，在低接种密度条件下，海洋酸化显著提高了溶解有机碳（DOC）的释放量，增幅为70.2%。这说明海洋酸化对坛紫菜叶状体的碳积累速率和有机物释放的影响依赖于接种密度。不同培养密度下，海洋酸化对捕光复合物、碳固定、糖酵解、氧化磷酸化、碳代谢、pH稳态调节和磷酸戊糖途径关键基因的表达的影响存在显著差异。2、无论在短期（4小时）或长期（3-6天）的高温和强光胁迫下，海洋酸化均提高了坛紫菜的光合速率和生长速率。特别是，6天的高温（31 °C）处理导致坛紫菜叶状体死亡，而海洋酸化使得坛紫菜依然能维持0.1 d−1的生长速率；在40-550 μmol photons m−2 s−1的光强范围内，酸化处理将叶状体生长速率提高27%以上。这说明海洋酸化提高了坛紫菜对温度和光的耐受能力。3、无论光照强度和pH值如何，叶状体的重量、组织碳和溶解有机碳（DOC）的积累速度高于丝状体，分别高出170%、85%和106%。DOC的产生率比颗粒有机碳（POC）的产生率至少高两个数量级。在生长速率和组织碳积累速率之间以及生长速率和DOC积累速率之间发现了正相关关系，但在生长速度和POC积累速率之间没有发现明显的关系。以上结果表明海洋酸化对坛紫菜的生理生态影响较为复杂，并受到其他环境因素的条件。本研究为全面解析坛紫菜栽培产业在未来海洋酸化背景下的发展提高了理论参考。