藻类的诱发性反牧食防御对二氧化碳水平和温度上升的响应及其生态意义

The atmospheric carbon dioxide concentration is expected to reach double the pre-industrial level by the end of the century with the increasing carbon dioxide emission due to human activities. This may have considerable impact on the inducible defences of primary producers in water and then probably further affect the stability of food web and aquatic ecosystem. The proposal will combine laboratory experiments and ecological model to study the responses of inducible defences in algae to elevation of carbon dioxide level and temperature and its ecological implications. Firstly, the different model species of algae will be exposed to direct and indirect grazing of zooplankton under multiple levels of carbon dioxide and temperatures; then the multiple parameters of sampled algae will be measured, including viability, growth, inducible defences, morphological and ultrastructural characteristics of colonies, biochemical composition, photosynthesis parameters, and nutritional quality of algae as food for zooplankton, which can reveal the influences of changes in algae on zooplankton of higher trophic level and interspecific interactions of algae and zooplankon. Secondly, the eco-physiological parameters of algae and zooplankton obtained from the laboratory experiments will be input to STELLA population model and run under different carbon dioxide concentrations and temperatures. From the model, we can simulate the responses of population dynamics of algae and zooplankton in food chain to climate change and predict the influence on stability of food web and the probable change trend of aquatic ecosystem. Finally, the kairomone which mediates inducible defences will be isolated and determined; the effects of elevation of carbon dioxide level and temperature on the stability of kairomone will also be studied.

随着人类生产活动排放CO2的增加，预计到本世纪末大气中CO2浓度将翻倍，可能会对水体中初级生产者的诱发性防御产生重大效应，进而可能直接影响到食物网并危及到水域生态系统的稳定性。本申请项目将采用室内模拟实验和生态模型相结合的方法，把不同藻类分别置于多种CO2水平和温度梯度下，在浮游动物的间接或直接牧食作用下，通过检测藻类在不同CO2水平及温度条件下的生存状况、诱发性防御程度、营养质量等方面的变化，确定由此对下一营养级浮游动物的影响以及藻类与浮游动物种群的相互动态关系；然后把上述试验获得的藻类和浮游动物的各种相关生态生理学响应参数置于STELLA模型，通过赋予模型中CO2水平和温度的变化来模拟食物链中藻类和浮游动物种群动态关系对气候变化的响应，预测对食物网稳定性的影响及水域生态系统可能出现的变化趋势；同时分离并鉴定起诱导作用的信息素，确定CO2水平和温度上升对信息素稳定性的影响。

随着人类生产活动排放CO2的增加和环境温度的上升，对藻类及其与浮游动物的关系可能会产生重大效应，进而可能直接影响到食物网并危及到水域生态系统的稳定性。本项目采用室内模拟实验和生态模型相结合的方法，研究在环境变化下藻类与浮游动物种间关系变化。主要结果如下：. 温度升高与温度波动都会显著性降低栅藻诱导型防御的群体形成，但CO2上升显著促进了栅藻诱导型防御群体的形成，细胞超微结构也出现显著差别。此外，CO2上升导致单细胞、两细胞、四细胞群体的体积和表面积扩大。群体栅藻对大型枝角类影响较小，但在高温下会降低小体型裸腹蚤的繁殖力，即群体对小型枝角类的影响是温度依赖型的。上述结果表明，温度与CO2上升可能会改变浮游植物和浮游动物的级联关系以及在生态系统水平能量与营养流动。. 当枝角类摄食含无毒或者产毒微囊藻的食物时，能提高枝角类子代对产毒藻的抗性。轮虫摄食有毒棕囊藻时，繁殖后代总数显著下降，但寿命延长，轮虫在不同食物质量下存在寿命与繁殖输出之间的权衡。. 针对多种株系尖尾虫与盐藻在不同温度下的种群动态，通过引入动态变化的猎物转化效率，建立了捕食者——猎物种群动态改进模型，发现原生动物在株系水平上的功能多样性会改变Lotka-Volterra模型预测结果，模型中采用各自独立的功能和数值响应参数能提供更加符合实际的捕食者——猎物动态，在评估对捕食者——猎物动态的影响时，株系的特异性功能与数值响应需要加以考虑。. 随着温度升高，鞭毛虫能更快地清除微囊藻种群，并能够高效地降解藻毒素。采用微宇宙模拟实验结合改进的模型分析，首次证实了温度升高促进牧食者控制自养生物的能力——即温度敏感性差异的假说，借助模型预测，甚至在微囊藻生长和环境容纳量大幅增高的情况下依然能达到极佳的控制效果，从理论上提出混合营养的原生动物具有控制微囊藻种群的可行性和独特优势。采用外源有机物葡萄糖可以快速批量培养鞭毛虫，可为控制微囊藻种群提供足够牧食者。