球形棕囊藻赤潮期间细胞特征色素的转变机理及其生态学意义

Phaeocystis spp., a group of major bloom-forming species, have a complex polymorphic life cycle involving free-living cells and gelatinous colonies. The transformation of Phaeocystis spp. from free-living cells to colonies is critical for the formation of Phaeocystis red tides. In recent years, red tides of P. globosa have burst frequently in Beibu Gulf and in the coastal area of Guangxi province, which have threatened the safety of nuclear power plant. To elucidate the mechanisms of P. globosa red tides, studies were performed to investigate the distribution and dynamics of red tides based on pigment analysis. It was found that the characteristic pigments of Phaeocystis spp., 19’hexanoyloxyfucoxanthin (Hexfuco) and 19’butanoyloxyfucoxanthin (Butfuco), showed an apparent transformation from Hexfuco to Butfuco during the formation of Phaeocystis colonies. This unique phenomenon, which has never been reported before, may serve as an indicator for the formation of Phaeocystis colonies. In this project, we plan to study the mechanisms accounting for the transformation of characteristic pigments of Phaeocystis during the red tides, based on field investigation and simulation experiments in the laboratory. The findings of this project may offer an effective indicator of Phaeocystis red tides and the sound basis for monitoring and mitigation of Phaeocystis red tides.

棕囊藻是常见的有害赤潮原因种，其生活史过程中具有游离细胞和囊状群体两个不同阶段，由游离细胞向囊状群体的转换是棕囊藻赤潮形成的关键过程。近年来，广西近岸海域多次暴发球形棕囊藻赤潮，威胁到沿岸地区核电设施的安全运行。为阐明球形棕囊藻赤潮机理，项目申请者前期通过色素分析方法，对北部湾海域球形棕囊藻赤潮的分布和动态过程进行了探索性研究，发现棕囊藻的两种特征色素19’己酰氧基岩藻黄素（Hexfuco）和19’丁酰氧基岩藻黄素（Butfuco）在其囊状群体出现前后发生了明显转变，由Hexfuco转变为Butfuco，这一独特现象以往从未报道，有可能作为球形棕囊藻囊状群体形成的指示，对球形棕囊藻赤潮进行有效预警。对此，项目计划通过现场调查和实验室模拟，研究棕囊藻赤潮期间特征色素转变的可能机制，探讨将特征色素转变用于预警球形棕囊藻赤潮的可能性和有效性，为球形棕囊藻赤潮的监测和防控提供科学依据。

球形棕囊藻（Phaeocystis globosa）赤潮是近年来我国近海最为突出的致灾赤潮。为探明北部湾球形棕囊藻赤潮发生前后特征色素由19’-己酰氧基岩藻黄素(19'-hexanoyloxyfucoxanthin，Hex-fuco)向19’-丁酰氧基岩藻黄素(19'-butanoyloxyfucoxanthin， But-fuco)的转变机理，本研究通过北部湾海域与其他海域纯培养株系球形棕囊藻色素分析，根据特征色素Hex-fuco和But-fuco的有无及相对比例，将我国近海的5株球形棕囊藻株系分成3类：仅含有But-fuco并能形成厘米级巨囊的“Ⅰ型”球形棕囊藻；同时含有Hex-fuco和But-fuco并形成小囊体的“Ⅱ型”和“Ⅲ型”球形棕囊藻，其中“Ⅱ型”的Hex-fuco/Chl a的比值低于“Ⅲ型”。不同色素型的球形棕囊藻在不同生活史阶段和温度、光照和营养盐等环境条件的影响下，色素含量和比例有一定变化，但不会改变特征色素组成。由此给出了分别适用于3类色素型球形棕囊藻的CHEMTAX色素比率范围.北部湾海域的球形棕囊藻赤潮主要由以But-fuco为特征色素的“Ⅰ型”球形棕囊藻引起。基于But-fuco的分布变化，研究了2016-2017年北部湾球形棕囊藻赤潮的动态过程，并结合水团温、盐特征发现北部湾球形棕囊藻存在南部外海底层上升流的携带输入和粤西沿岸水携带棕囊藻细胞由琼州海峡输入两个来源。基于CHEMTAX反演的北部湾浮游植物群落变化，发现硅藻在棕囊藻赤潮期间明显增加，而聚球藻显著降低。球形棕囊藻、硅藻和聚球藻特征色素But-fuco、岩藻黄素（fucoxanthin）和玉米黄素（zeaxanthin）以及海水温度变化可作为球形棕囊藻赤潮的预警指标，与球形棕囊藻细胞丰度结合，建立球形棕囊藻赤潮预警指标筛选及分级预警体系，并成功应用于广西防城港核电有限公司球形棕囊藻赤潮监测预警工作中。