基于生长速率假说(GRH)的热带水库丝状蓝藻低磷适应机制的研究

High nitrogen to phosphorus ratio (N:P) in tropical reservoirs with low concentration of dissolved phosphorus exerts strong phosphorus limitation on phytoplankton. Filamentous cyanobacteria, dominated in these water bodies, are regarded as having mechanisms to adapt such phosphorus-limited environments. In perspective of growth rate hypothesis (GRH), we assume that these dominant filamentous cyanobacteria could optimize the cellular allocation of phosphorus and synthesize abundant RNA to support fast growth. This study will perform mesocosms and chemostatic culture experiments on Pseudoanabeana, Limnothrix and Cylindrospermopsis to investigate the growth strategies of these species under phosphorus-limited conditions, and to test whether there is correlation between cellular N:P and protein: RNA, as predicted by GRH. GRH could serve as an ecological framework to explain the adaptive mechanisms of filamentous cyanobacteria for phosphorus-limited water bodies. This study could reveal the influences of various nitrogen: phosphorus ratios in the water on filamentous cyanobacteria, provide evidences for the applicability of GRH in tropical filamentous cyanobacteria, and moreover, pave the way for us to understand the adaptions of filamentous cyanobacteria for phosphorus-limited environments.

热带水库中溶解性磷浓度低，水体长期维持高氮磷比，对浮游植物形成了强烈的磷限制。丝状蓝藻是这些水体的优势类群，具备对低磷环境的适应机制。基于生长速率假说(GRH)，我们认为这些丝状蓝藻对磷限制环境的适应机制在于其具有优化细胞内磷元素配置的能力，将吸收的磷用于合成RNA支持快速生长。本项目拟通过野外围隔和室内恒化培养实验，以假鱼腥藻、泽丝藻和拟柱胞藻为对象，研究这些丝状蓝藻在低磷环境中的生长策略，验证胞内氮磷比和蛋白质与RNA的比值是否存在生长速率假说所预测的相关性。生长速率假说能够作为一种生态学假说解释丝状蓝藻对磷限制环境的适应机制，该研究能够揭示水体氮磷比对丝状蓝藻的影响，为生长速率假说(GRH)应用于热带水库丝状蓝藻的生长提供实验依据，帮助我们理解热带水体中丝状蓝藻对磷限制环境的适应性。

浮游植物营养元素的组成是初级生产力和营养循环的重要因子。水体富营养化的加剧对浮游植物群落结构和其化学元素组成有着重大的影响。我国南部地区水库水体中溶解态磷浓度较低，对于此类水体中浮游植物的生长和偶尔水华的原因尚不清楚。因此，基于对热带亚热带水库水体氮磷比与浮游植物群落结构的调查，我们开展了室内培养实验，通过设置3个水平氮(N)和3个水平磷(P)的浓度形成9个不同N/P梯度，从而探究自然浮游植物群落对不同水平氮磷比环境的响应,了解氮磷营养盐的绝对和相对浓度对浮游植物生长和结构的影响。我们认为碱性磷酸酶为浮游植物提供了一种利用其他磷源的途径。本研究的假说包括：（1）浮游植物元素组成具有内环境稳态；（2）氮和磷的绝对营养浓度，而非相对比值对浮游植物群落结构有重要作用。结果显示，在此亚热带水体中，浮游植物通过碱性磷酸酶利用其他磷营养盐来支持生长。N/P比不能作为衡量浮游植物营养限制或者结构变化的有效指标。相对于生长较慢的时期，在快速生长时期，细胞元素组成对提供的营养盐浓度变化不敏感，在一个相对较小的范围内变化。细胞元素组成的变化主要来自细胞内P元素的变化。浮游植物元素组成呈现弱内环境稳态，这种机制为浮游植物在营养盐多变的环境中提供了一种适应策略，从而维持相对稳定的生长。