硅藻PUAs对浮游植物和桡足类的毒性效应及其分子机制

Diatom have long been considered as principal components of planktonic copepod diets, supporting and maintaining the function and composition of food web of the diatom-copepod-fish. Rencently substantial evidences have revealed that the toxic effects of diatom on the hatching success, larval development and recruitment of copepods, mediated by deleterious polyunsaturated aldehydes (PUAs). It's therefore necessary to reconsider the roles of PUAs played in the linkage of diatom-copepd. We will determine and quantify the biosynthetic formation of PUAs in a collection of common or dominant species from representative marine planktonic diatoms and their control mechanisms. To obtain insights into the effects of PUAs on the marine food chain and ecosystem, the toxigenic effects of PUAs on the grwoth, mortality, enzymatic activity, cell apoptosis and their molecular mechanisms on phytoplankton and copepods will be studyed based on laboratory experiments as well as field investigations. The aim of this study is in favor of comprehensive understanding on the ecological significance of PUAs in regulating the interactions between diatom-copepod and the construction of marine food web. The most fundamental and long-recogniazed idea regarding of the co-evolution phytoplankton- zooplankton and HABs would also be examed and complemented by the implication of the present studies.

硅藻一直被认为是海洋桡足类的优质食物，支撑并维持着"浮游植物-浮游动物-鱼类"经典食物链的结构和功能。然而近年来的研究发现硅藻产生的多聚不饱和醛（PUAs）可对桡足类产生遗传毒性，降低了桡足类的产卵率和孵化率并导致幼体畸形，致使桡足类种群数量萎缩和基因传承中断。因此对"硅藻-桡足类"相互作用机制和生态效应有必要深入研究和重新评估。本项目拟甄选和鉴定产生PUAs的海洋浮游硅藻种类，分析检测硅藻PUAs的产量、种类及影响PUAs产生的理化和环境因素；并研究PUAs产生对浮游植物和浮游动物在细胞和分子水平上的影响及机制和相应的生态效应。以期探索PUAs的产生对于海洋食物链和生态系统结构和功能的影响。研究结果有助于理解PUAs对"硅藻-桡足类"关系的影响及其对食物链结构的重塑作用；对于"浮游植物-浮游动物"协同进化理论和 "有害藻华"概念也是有益的丰富和补充。

本项目建立了能够应用于浮游植物细胞多不饱和醛类（PUAs）检测分析的方法。利用此方法，分析了我国海域常见11种典型浮游植物PUAs的种类和浓度：在8种硅藻中分别检测到癸二烯醛（2E,4E-Decadienal, DEC）、辛二烯醛（2E,4E-Octadienal, OCT）或庚二烯醛（2E,4E-Heptadienal, HEP）等3种多不饱和醛类物质。硅藻产生PUAs的种类和浓度具有物种特异性，且受到硅藻生理条件和生长阶段的调控。而甲藻和定鞭金藻中均未检测到PUAs类物质。.PUAs对不同藻类生长和光合作用的毒性效应研究表明：PUAs对浮游植物生长和光合作用的影响具有显著的浓度和物种特异性，碳链越长的不饱和醛类毒性越高，产生PUAs的硅藻对PUAs的毒性具有耐受性，但是不产生PUAs的东海原甲藻的生长和光合作用对PUAs的毒性作用最敏感。醛类物质显著影响了光合色素的种类和浓度进而抑制其光合作用，最终实现对藻细胞生长的影响。因此，PUAs的产生有利于硅藻在藻华期间通过抑制其它浮游植物生长保证自身的生物量积累，从而实现对群落结构、食物链乃至生态系统结构和功能的调节。.PUAs的产生可能影响桡足类的数量和种群结构。摄食能够产生PUAs的玛氏骨条藻和圆海链藻并未影响火腿伪镖水蚤和安氏伪镖水蚤的成体成活率和产卵率。但是桡足类卵孵化率和幼体成活率显著降低。说明高浓度的硅藻不会影响桡足类成体存活，也不会造成摄食者成体的直接死亡，但是显著抑制了其幼体的成活率，从而干扰了桡足类的繁殖，导致桡足类种群数量萎缩，对桡足类具有生殖毒性，抑制作用具有隔代防御的特点。通过产生PUAs抑制桡足类后代的成长，硅藻能够有效减轻摄食压力，从而有利于自身生物量的积累和藻华的产生。.本项目的研究揭示了部分硅藻如玛氏骨条藻和圆海链藻并非总是桡足类的最佳食物，它们通过抑制桡足类子代数量减轻了摄食压力。本项目的进行为我们重新思考硅藻--桡足类的关系提供了新的角度和方向，为深入认识海洋食物链结构和功能提供了理论基础。