硅藻响应阳光UV辐射及光变环境的光合特性及机制研究

Diatoms (Bacillariophyceae), a key taxon of the unicellular photosynthetic eukaryotes, contribute to about 40% of the aquatic primary production and play a central role in the biogeochemical cycles and the structure of contemporary aquatic ecosystems. Recently, the report of unprcedented arctic ozone loss has raised serious concern of the potential negative impacts of increased solar UV radiation on the aquatic ecosystem. It is important to investigate the mechanisms in diatom species to response to the increased solar UV radiation. Based on our achievements in the previous researches, we are proposed to study the effects of solar UV radiation on the diatom photosynthesis under fixed and variable light levlels, investigate the short-term photoprotective mechanisms induced in diatom cells, such as non-photochemical quenching (NPQ) and PSII repair cycle in order to systematically explore the relationship between solar UV radiation and the primary production processes in diatoms, and elucidate the ecological effects of solar UV radiation. The results from this study will establish the basic theory for us to evaluating the impacts of increased solar UV radiation on the oceanic primary production and marine ecosystem.

硅藻是一类重要的真核浮游植物类群，其光合产量达到海洋初级生产力的40%以上，其盛衰直接或间接地影响着整个海洋生态系统的生物地化循环与平衡。最近，北极臭氧空洞的发生使得人们更加关注阳光UV辐射增强对水域生态系统的影响，而有关阳光UV辐射增强如何影响硅藻的光合作用，且硅藻对阳光UV辐射胁迫的响应如何，我们对此仍知之甚少，是目前亟需探讨的科学问题。为此，本项目在前期的研究基础上，拟在固定光强与可变光强条件下，探讨阳光UV辐射对硅藻光合作用的影响及生理生化机制；阐明硅藻细胞快速响应UV辐射与光变环境的非光化学猝灭(NPQ)保护机制与PSII修复循环机制；系统阐述阳光UV辐射与硅藻初级生产过程的关系，揭示阳光UV辐射的生态学效应。该研究成果将为预测阳光UV辐射增强对海洋初级生产力以及海洋生态系统的影响提供重要的理论依据。

硅藻是一类重要的真核浮游植物类群，其光合产量达到海洋初级生产力的40%以上，具有极其重要的生态学地位。南、北两极臭氧空洞的发生使得阳光UV辐射增强问题备受关注，UV辐射增强可能会对水生生态系统产生潜在影响，有关UV辐射增强如何影响硅藻的光合作用，且硅藻对阳光UV辐射胁迫的响应如何等科学问题，我们还知之甚少。为此，本项目在固定光强与可变光强条件下，以三角褐指藻，假微型海链藻及威氏海链藻等为研究对象，探讨了阳光UV辐射对硅藻光合作用的影响及其生理生化机制。主要研究结果有：固定光强下，UV辐射导致假微型海链藻光合作用受到显著抑制，较之威氏海链藻，假微型海链藻对UV辐射更为敏感，高CO2浓度可减轻其受抑制程度，而两者耦合时UV辐射促进其无机碳利用机制的下调；UV辐射下，假微型海链藻PSII损伤速率大于修复速率，尽管同时诱导了NPQs的产生，也不足以抵抗UV辐射的伤害，因此表现为显著的光抑制。威氏海链藻在可见光下，具有快速的PsbA蛋白合成累积，诱导产生较小的NPQs，在UV辐射下，由于PsbA蛋白的合成受到抑制，诱导产生较高的NPQs. 此外威氏海链藻也具有较高的CAT及SOD酶活性，从而更有利于去除高可见光及UV辐射所产生的ROS的伤害。在光变环境下，混合速率快时藻细胞能够更有效的吸收和传递光，升温起到促进作用；快速混合条件下，随辐射水平增加，可见光(PAR)与全波长太阳辐射(PAR+UVR)对藻细胞光合效率影响的差异增加，混合快时可见光下细胞对高光强的的快速修复是导致UV抑制效应加剧的主要原因；低、中辐射水平条件下，混合慢时UV辐射的抑制效应明显，而在高辐射水平时，由于细胞受到更高程度的损伤使得混合快慢对UV辐射的抑制效应影响不显著；对硅藻细胞光失活、PSII反应中心蛋白的周转及活性和失活PSII量化分析表明PsbA蛋白的清除发生在PSII失活之后，FtsH介导的PsbA的清除目标为失活PSII，而不是整体的PSII库；此外，高CO2浓度下，硅藻细胞具有较快的PsbA蛋白清除速率。以上研究成果揭示了阳光UV辐射的生态学效应，为预测阳光UV辐射增强对海洋初级生产力以及海洋生态系统的影响提供了重要的理论依据。