攝入蟲黃藻的光生理學(xué)

基于一種新穎的方法學(xué)方法，我們表明纖毛蟲內(nèi)的蟲黃藻具有光合能力。雖然氧氣和可變?nèi)~綠素a熒光的微電極先前已分別用于研究蟲黃藻在宿主內(nèi)光合作用的異質(zhì)性，但本研究首次提供了PSII量子產(chǎn)量和衍生的rETR測量值與穩(wěn)態(tài)O2濃度、O2通量速率以及患病珊瑚組織中的總光合作用的聯(lián)合測量。我們對從患病珊瑚獲得的RLCs和SSLCs的比較也是新穎的。我們的結(jié)果表明，SSLCs不同于RLCs，后者在每個(gè)輻照度水平之間僅延遲10至20秒。很明顯，如果蟲黃藻被允許在每個(gè)輻照度水平適應(yīng)延長一段時(shí)間，它們的光合性能會(huì)產(chǎn)生更高的rETR值。因此，使用PAM儀器獲得的熒光衍生光曲線取決于先前的光照暴露。

色素沉著和光學(xué)性質(zhì)

盡管整個(gè)疾病病灶的葉綠素a含量相似，但褐帶區(qū)域的PAR吸收率顯著更高，表明該區(qū)域蟲黃藻可用的光氣候與健康組織相關(guān)蟲黃藻的光氣候不同。褐帶中更高的吸收率表明由于該區(qū)域蟲黃藻-containing纖毛蟲的高密度，存在更密集的色素表面層。在健康組織中，色素分布不同，主要位于表面下方的珊瑚內(nèi)胚層中。健康和褐帶區(qū)域的不同組織組成不可避免地導(dǎo)致到達(dá)兩個(gè)區(qū)域蟲黃藻的光的光譜特性和強(qiáng)度不同。因此，健康組織中較淺的組織顏色表明，與褐帶組織相比，骨骼的漫散射光對蟲黃藻環(huán)境光場的貢獻(xiàn)更大，這將影響光合作用的光依賴性測量，例如PSII的有效量子產(chǎn)量。

可變?nèi)~綠素a熒光分析

健康和褐帶組織之間的Fv/Fm沒有顯著差異，表明PSII活性沒有因纖毛蟲攝入而受到抑制。實(shí)際上，光利用效率，以有效PSII量子產(chǎn)量ΔF/Fm'為特征，顯然在與纖毛蟲關(guān)聯(lián)的蟲黃藻中增加了。

有趣的是，健康組織在暗適應(yīng)RLCs的整個(gè)輻照度范圍內(nèi)表現(xiàn)出略低的rETR值，褐帶組織也是如此，并且這反映在總光合作用輻照度曲線中。盡管RLCs的定量參數(shù)沒有顯著差異，但值得注意的是，不同技術(shù)手段均重現(xiàn)了這一趨勢。除健康組織熒光衍生的SSLC測量值外，未觀察到高輻照度下量子產(chǎn)率或O2產(chǎn)量的下降（圖5）。其他熒光衍生光曲線未出現(xiàn)顯著差異，表明觀察到的光抑制現(xiàn)象可能源于健康組織中PAR吸收率的降低，這可能導(dǎo)致更高的散射和光照暴露（圖3）。

氧氣動(dòng)態(tài)變化

在組織表面測得的O?動(dòng)態(tài)變化呈現(xiàn)出典型模式：隨著光照強(qiáng)度增加，健康組織的O?濃度先升后飽和，最終漸近趨近最大值（圖6）。通過這些曲線可估算補(bǔ)償光照強(qiáng)度Ec，即組織表面與周圍水體間雙層屏障（DBL）不存在氧氣梯度的光照強(qiáng)度。在此光照強(qiáng)度下，氧氣消耗與生成達(dá)到平衡，無凈交換；當(dāng)光照強(qiáng)度超過Ec時(shí)，系統(tǒng)從凈異養(yǎng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樽责B(yǎng)狀態(tài)。健康組織的這一轉(zhuǎn)變發(fā)生在更高光照強(qiáng)度（230 mol光子/m2/s）下，高于先前報(bào)道的珊瑚數(shù)據(jù)，這反映出珊瑚具有高光適應(yīng)性（Acropora muricata的枝條生長于礁坪區(qū)域），因而呼吸速率較高。相比之下，褐帶組織表面的O?濃度顯著降低，由于纖毛蟲等成分的高呼吸作用，即使在最高光照強(qiáng)度下，其O?濃度也僅達(dá)到周圍水體的25%。在黑暗環(huán)境和最低光照條件下，褐帶組織表面幾乎呈現(xiàn)無氧狀態(tài)，表明氧氣供應(yīng)存在跨DBL的擴(kuò)散限制（圖6）。

高光照強(qiáng)度下，蟲黃藻的光合作用活動(dòng)明顯緩解了這一限制。對棕色帶組織的氧通量計(jì)算顯示存在凈氧攝取量，這表明在所有實(shí)驗(yàn)輻照度條件下，呼吸作用強(qiáng)度均高于總光合作用（圖7）。由于高遷移率且密集的纖毛蟲群落存在，棕色帶組織表面的氧濃度呈現(xiàn)波動(dòng)，導(dǎo)致我們的氧分布曲線存在顯著差異。此外，微電極可能引發(fā)的邊界層壓縮效應(yīng)，也可能影響氧分布曲線及由此推導(dǎo)的氧通量。值得注意的是，先前研究已證實(shí)纖毛蟲高密度分布會(huì)影響局部物質(zhì)運(yùn)輸過程。

由于高遷移率且密集的纖毛蟲種群存在，導(dǎo)致我們的氧氣分布呈現(xiàn)顯著波動(dòng)。此外，微電極引發(fā)的邊界層壓縮效應(yīng)，可能影響了氧氣微分布及推導(dǎo)出的氧氣通量。值得注意的是，先前研究已證實(shí)纖毛蟲高密度會(huì)顯著提升氧氣的局部傳輸系數(shù)。若褐帶組織中存在此類增強(qiáng)效應(yīng)，將對我們的通量計(jì)算產(chǎn)生影響。正如針對大型游動(dòng)細(xì)菌的研究所示，纖毛蟲引發(fā)的對流可顯著緩解擴(kuò)散限制。運(yùn)輸效率的提升與纖毛蟲的體型和密度密切相關(guān)——以濾食性大型纖毛蟲（如歐氏蟲屬）為例，當(dāng)細(xì)胞密度超過103個(gè)/平方厘米時(shí)，其氧氣傳輸效率較單純擴(kuò)散已顯著提升。Lobban等人近期描述的含蟲黃藻的歐氏蟲鉤突種，通過纖毛蟲密度量化、微電極精密測量及行為成像技術(shù)，將為褐帶蟲體內(nèi)氧氣通量機(jī)制提供更深入的見解。因此，本文報(bào)告的氧氣周轉(zhuǎn)率應(yīng)視為粗略估算值。盡管如此，現(xiàn)有數(shù)據(jù)仍有力支持我們另一項(xiàng)發(fā)現(xiàn)：纖毛蟲體內(nèi)的蟲黃藻展現(xiàn)出活躍的光合作用能力。

健康珊瑚組織與褐帶組織的光合作用差異

本研究采集的A.muricata珊瑚樣本來自高光照強(qiáng)度的珊瑚礁平地，其健康組織呈現(xiàn)明顯蒼白，表明珊瑚體內(nèi)蟲黃藻密度較低（圖1A）。觀察到的低凈光合速率表明，這些高光照暴露的珊瑚通過蟲黃藻密度降低獲取必需光合產(chǎn)物，從而減少過量活性氧產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)。此外，褐帶綜合征的致病因子尚未明確，且健康組織在褐帶形成前的凈光合產(chǎn)量是否受細(xì)菌或病毒病原體影響尚不明確。Pantos等人的研究表明，即使整個(gè)珊瑚群落僅有小部分出現(xiàn)病變跡象，其細(xì)菌群落也會(huì)受到整體影響。

總光合作用測量的結(jié)果證實(shí)褐帶組織確實(shí)具有高度動(dòng)態(tài)性。觀察到的測量值的高變異（以大的標(biāo)準(zhǔn)誤表示）反映了該層的運(yùn)動(dòng)性，即使在穩(wěn)態(tài)下也會(huì)引起信號波動(dòng)。觀察到的變異也可能源于蟲黃藻的健康狀況變化，盡管這不太可能，因?yàn)镻AM數(shù)據(jù)不支持蟲黃藻健康受損的說法。褐帶組織的總光合作用速率高于健康組織，盡管在統(tǒng)計(jì)上不顯著。盡管健康組織和褐帶組織的葉綠素a含量相似，但纖毛蟲中蟲黃藻的局部密度增加了，這體現(xiàn)在褐帶組織中更高的吸收率。用氧氣微電極測量總光合作用速率受到微小測量尖端周圍活性蟲黃藻局部密度的影響，加上更有效的光捕獲，這可以解釋與健康組織相比褐帶區(qū)域生產(chǎn)力增加的原因。然而，氧氣水平和通量的測量表明，這種生產(chǎn)力的大部分被引導(dǎo)到高度運(yùn)動(dòng)的纖毛蟲帶中的呼吸作用中。

含有葉綠體或光合共生體的纖毛蟲。含有光合共生體的原生動(dòng)物在水生生態(tài)系統(tǒng)中很豐富，混合營養(yǎng)的（截留葉綠體的）寡毛纖毛蟲通過光合作用以及攝取顆粒物（吞噬營養(yǎng)）獲得固定的碳。已顯示Tontonia、Laboea和Strombidium屬的寡毛纖毛蟲種類會(huì)奴役來自攝入鞭毛蟲的葉綠體，這些盜取的葉綠體在數(shù)小時(shí)至數(shù)天的時(shí)間內(nèi)保持功能，固定被纖毛蟲代謝的碳。然而，盜取的葉綠體不會(huì)在纖毛蟲體內(nèi)繁殖，因此必須通過攝食不斷更換。這種混合營養(yǎng)的海洋寡毛纖毛蟲主要利用光合作用來滿足呼吸需求并提高其生長效率，但在食物稀缺時(shí)，光合作用也可以緩解饑餓。為了證實(shí)褐帶纖毛蟲的這種生存策略，需要對纖毛蟲的生活史進(jìn)行研究。

最近，已證明海洋纖毛蟲Maristentor dinoferus和Euplotes uncinatus與共生蟲黃藻形成關(guān)聯(lián)。在Maristentor dinoferus的情況下，在單個(gè)纖毛蟲內(nèi)觀察到大約50至800個(gè)屬于Symbiodinium分支C譜系的甲藻。據(jù)推測，這種纖毛蟲-蟲黃藻關(guān)聯(lián)允許營養(yǎng)物質(zhì)從纖毛蟲傳遞給甲藻，而光合產(chǎn)物從甲藻傳遞給異養(yǎng)纖毛蟲。Sommaruga等人在Maristentor dinoferus中檢測到紫外線吸收的類菌孢素氨基酸，并提出了細(xì)胞內(nèi)蟲黃藻的額外互利益處，在某些已知情況下，蟲黃藻會(huì)產(chǎn)生類菌孢素氨基酸。褐帶組織中的纖毛蟲是否發(fā)生類似的紫外線保護(hù)需要對其色素沉著進(jìn)行更詳細(xì)的分析。

結(jié)論

我們的結(jié)果表明，被與BrB相關(guān)的纖毛蟲攝入的蟲黃藻具有光合能力，并且在纖毛蟲帶發(fā)展過程中不會(huì)受到損害。因此，在褐帶組織內(nèi)以珊瑚組織為食的纖毛蟲可以從光合產(chǎn)物中獲得額外的能量，并可能通過攝入的蟲黃藻的光合作用來緩解氧氣限制。這種關(guān)聯(lián)是一種穩(wěn)定的共生關(guān)系，還是蟲黃藻在纖毛蟲體內(nèi)經(jīng)歷更替和緩慢降解（這需要不斷攝取新的具有光合能力的蟲黃藻），有待進(jìn)一步研究。