Effect of elevated pCO2 on thermal performance of Chattonella marina and Chattonella ovata (Raphidophyceae)

二氧化碳分壓升高對海洋卡盾藻和卵形卡盾藻（刺胞藻綱）熱性能的影響

來源: Algae, Volume 35, Issue 4, 2020, Pages 375-388

《藻類》第35卷第4期，2020年，第375-388頁

 

摘要

摘要闡述了海洋酸化和變暖是影響藻類生長的關鍵氣候因素。魚類毒性刺胞藻綱的卡盾藻（Chattonella）物種在全球造成巨大經濟損失和環境影響。本研究調查了CO2對在環境pCO2 (350 μatm) 和升高pCO2 (950 μatm) 條件下、于13至34℃溫度范圍內生長的海洋卡盾藻 (C. marina) 和卵形卡盾藻 (C. ovata) 的熱性能曲線 (TPCs) 的影響。TPCs在物種間甚至pCO2水平間都具有可比性。除了C. ovata的臨界熱最小值 (CTmin) 外，C. marina的CTmin以及兩個物種的熱最適溫度 (Topt) 和臨界熱最大值 (CTmax) 均未隨pCO2水平升高而改變。雖然CO2 enrichment使最大光合速率 (Pmax) 在30°C的Topt下最高增加了125%，但兩種藻的特定生長速率在高pCO2下并無顯著差異。總體而言，卵形卡盾藻可能從氣候變化中受益，這可能會擴大其在高酸性水域的耐熱極限范圍，并有助于延長沿海水域未來浮游植物組合的物候期。

 

研究目的

本研究旨在確定環境和升高CO2條件下，海洋卡盾藻 (Chattonella marina) 和卵形卡盾藻 (Chattonella ovata) 生長速率的熱性能曲線 (TPCs) 的基礎溫度參數（臨界熱最小值CTmin、臨界熱最大值CTmax、熱最適溫度Topt），并隨后評估CO2在其最適生長溫度下對它們光合和生長響應的影響，以預測這些有害藻類 (HABs) 在未來氣候下的表現。

 

研究思路

1.  培養與實驗設計：從藻種庫獲取C. marina和C. ovata菌株，在實驗室嚴格控制條件下進行培養。實驗設置兩個pCO2水平（環境350 μatm vs. 升高950 μatm，模擬RCP8.5情景）和五個溫度梯度（13, 20, 26, 30, 34°C）的組合處理。

2.  環境控制：使用恒溫水浴槽精確控制溫度。通過向培養基中注入CO2飽和海水的方法來達到并維持目標pCO2/pH水平，避免通氣對脆弱藻細胞造成物理損傷。

3.  參數測量：

    a.  監測培養體系的碳酸鹽化學（pH, pCO2, HCO3-, CO32-），以確認實驗條件。

    b.  每日測量藻細胞密度，計算特定生長速率。

    c.  使用脈沖調制式（PAM）葉綠素熒光儀測量光系統II（PSII）的最大光化學效率（Fv/Fm）。

    d.  在最適生長溫度（30°C）下，使用氧氣微電極測量光合作用-光響應（P-E）曲線，獲取光合參數。

4.  模型擬合：應用Cardinal Temperature Model with Inflection (CTMI) 模型擬合生長速率-溫度數據，推導出CTmin, CTmax, Topt, 最大生長速率（μmax）、耐熱范圍（Ttol）和熱性能廣度（TB80）等參數。

5.  統計分析：使用雙因素方差分析（Two-way ANOVA）檢驗pCO2和溫度及其交互作用對各項測量參數的顯著性影響。

 

測量的數據及研究意義

1.  碳酸鹽系統參數（表1）：測量并計算了各處理下的pH、pCO2、HCO3-、CO32-濃度。研究意義：確認實驗成功維持了目標pCO2水平（環境~350 μatm，升高~950 μatm），并且酸化條件（pH降低）導致碳酸鹽化學形態發生預期改變（HCO3-增加，CO32-減少），為后續生理響應提供了明確的環境背景。

 

2.  比生長速率（μ, d?1）和最大光化學效率（Fv/Fm）（圖1）：測量了不同溫度和處理下的每日生長速率和PSII效率。研究意義：用于構建熱性能曲線（TPCs），直觀展示溫度對生長的整體影響模式；Fv/Fm反映了光合機構的生理狀態。數據顯示TPCs呈不對稱的單峰曲線，負偏態，表明高溫側下降更陡峭；CO2 enrichment對生長速率無顯著影響，但略微提高了C. ovata在亞最適溫度下的生長；Fv/Fm在最適溫度附近最高，表明PSII未受熱損傷。

 

3.  基礎溫度參數（表2）：通過CTMI模型擬合生長速率數據，得出CTmin, CTmax, Topt, μmax, Ttol, TB80。研究意義：定量揭示了兩種藻的核心熱生理特性。關鍵發現是CO2升高使C. ovata的CTmin從15.1°C降至13.6°C，意味著其低溫耐受性增強，耐熱范圍（Ttol）和性能廣度（TB80）也隨之增加，而C. marina的參數則基本不受CO2影響。這些參數是預測其未來地理分布范圍變化的關鍵。

 

4.  光合-光響應（P-E）曲線參數（圖2）：在30°C下，測量了光合速率隨光強變化曲線，并計算了最大光合速率（Pmax）、初始斜率（α）和光飽和點（Ek）。研究意義：揭示了CO2 enrichment對光合能力的直接影響。數據顯示，升高pCO2使C. marina和C. ovata的Pmax分別顯著增加了78%和125%，Ek也相應提高，表明CO2 fertilisation效應顯著增強了其光飽和光合能力。

 

5.  最適溫度下的生長速率（圖3）：專門比較了30°C時，兩種藻在環境和升高pCO2下的特定生長速率。研究意義：直接驗證CO2 enrichment對最終生長的影響。結果顯示，盡管Pmax顯著增加，但兩種藻的生長速率在升高pCO2下均無統計學上的顯著增加，表明存在光合作用與生長解耦的現象，增加的碳固定可能未用于生物量積累，或存在其他限制因素。

 

 

結論

1.  兩種卡盾藻（C. marina 和 C. ovata）的熱性能曲線（TPCs）形狀在物種間以及CO2處理間均非常相似，呈負偏態的單峰曲線。

2.  CO2濃度升高（海洋酸化）對大多數基礎溫度參數無顯著影響：C. marina的CTmin、CTmax、Topt均無變化；兩種藻的CTmax (~35.7°C) 和 Topt (~30.0°C) 在不同pCO2下保持一致。

3.  例外的是，C. ovata的CTmin在升高pCO2下從15.1°C顯著降低至13.6°C，這意味著其耐寒性增強，從而導致其耐熱范圍（Ttol）和熱性能廣度（TB80）擴大。

4.  在最適生長溫度（30°C）下，CO2 enrichment顯著提高了兩種藻的最大光合速率（Pmax），但對特定生長速率沒有產生顯著影響，表明存在光合作用與生長的解耦。

5.  綜合來看，卵形卡盾藻（C. ovata）可能更能從未來氣候變化（暖化和酸化）中受益，因為它表現出更寬的潛在熱耐受范圍，這可能有助于其未來在沿海水域的分布擴展和物候延長。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

本研究中使用丹麥Unisense公司的Clark型氧氣微電極（OX-MR, tip diameter 500 μm）測量了光合作用-光響應（P-E）曲線（方法部分提及）。其研究意義在于：

1.  提供高精度原位測量：該微電極能夠直接、實時、原位地測量微型呼吸 chamber 中溶解氧濃度的微小變化，從而精確計算光合產氧速率和呼吸耗氧速率。這避免了取樣帶來的擾動，提供了更接近自然狀態的生理數據。

2.  準確量化關鍵光合參數：通過測量不同光強下的凈氧氣交換速率，并利用模型（Platt et al. 1980）擬合，得以準確計算出最大光合速率（Pmax）、光合效率（α）和光飽和點（Ek）等關鍵參數。這些參數是評估藻類光合能力對環境變化（此處是CO2）響應的核心指標。

3.  揭示CO2 fertilisation效應：Unisense微電極獲得的數據清晰地顯示，在升高pCO2條件下，兩種卡盾藻的Pmax均顯著增加（最高125%）。這為“CO2 enrichment 增強藻類光合作用”這一假設提供了直接、可靠的實驗證據。高的Ek值也表明細胞需要更高的光強才能達到光合飽和，暗示其光合能力上限提高。

4.  與生長響應解耦的證據：微電極測量的光合速率數據（增加）與最終生長速率數據（無顯著變化）相結合，揭示了重要的生理現象：CO2升高帶來的光合能力增強并未轉化為生長優勢。這種解耦暗示可能存在能量重新分配（如用于維持滲透壓、修復）、其他營養限制（如氮、磷），或碳固定產物轉向了其他非生長途徑（如滲出）。沒有微電極提供的精確光合速率數據，就很難有力地證明這種解耦現象。

 

總之，丹麥Unisense氧氣微電極的應用為本研究提供了至關重要的高質量原位生理數據，使得研究者能夠精確量化CO2升高對藻類光合作用的直接影響，從而為深入理解其生理生態響應機制（如光合-生長解耦）提供了關鍵證據。