滇池銅綠微囊藻春化過程與誘導低溫間的關系

郭蔚華，余敏，劉青香，吳杰，李星廣

重慶大學城市建設與環境工程學院，重慶 400045

滇池銅綠微囊藻春化過程與誘導低溫間的關系

郭蔚華，余敏，劉青香，吳杰，李星廣

重慶大學城市建設與環境工程學院，重慶 400045

在滇池銅綠微囊藻（Microcystis aeruginosa in Dianchi Lake）春化作用被揭示后，認識到該藻生長活動對低溫有需求，分析冬季低溫對滇池銅綠微囊藻生長的影響、春化過程與誘導低溫間的關系等，對深入認識藻大暴發的春化過程具有重要意義。實驗中先用31 ℃對藻高溫休眠處理，然后用14～7 ℃低溫誘導，最后在19 ℃、2 000 lx下培養3 d，算出平均藻增長率，用變溫實驗方法進行相關研究。實驗結果為：藻生長啟動的春化過程（誘導時間/誘導低溫）為12 h/14 ℃、11 h/13 ℃、9 h/12 ℃、7 h/11 ℃、6 h/10 ℃、7 h/9 ℃、8 h/8 ℃、10 h/7 ℃，10 ℃為最適誘導低溫；藻增長的最大春化過程實驗中，10 ℃連續處理45 d后，平均藻增長率穩定在42.2%，這時藻數量2 d增長1倍，與藻暴發時的藻增長一致；低溫間的掩蓋實驗表明，強低溫的藻春化作用掩蓋弱低溫的藻春化作用，但在10～7 ℃內，掩蓋作用是短時間的；對低溫春化過程的累積作用分析表明，誘導低溫在14～10 ℃波動對藻作用過程中，最強低溫的間斷春化過程具有累積作用，而誘導低溫在10～7 ℃波動對藻作用過程中，最強低溫的間斷春化過程則沒有累積作用；滇池的銅綠微囊藻的最適生長溫度為19 ℃，而太湖的銅綠微囊藻為 25 ℃，生長在滇池的銅綠微囊藻是銅綠微囊藻中適應云貴高原湖泊的一個生態型，即滇池銅綠微囊藻，學名Microcystis aeruginosa in Dianchi Lake；對春化作用重新定義分析，滇池銅綠微囊藻的春化作用屬于廣義春化作用。

春化過程；生長啟動；最大增長率；誘導低溫間關系；滇池銅綠微囊藻

GUO Weihua, YU Min, LIU Qingxiang, WU Jie, LI Xingguang. Vernalization Process and the Relationship between Inductive Low Temperature in Microcystis aeruginosa in Dianchi Lake [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(12): 2022-2026.

在揭示了滇池銅綠微囊藻（Microcystis aeruginosa in Dianchi Lake見討論部分）的春化作用后，為認識冬季低溫對滇池銅綠微囊藻的影響，需要了解藻春化過程（促進藻增長的低溫作用過程）與誘導低溫間的關系，即需要弄清楚藻生長啟動的春化過程、藻產生最大增長率的春化過程（簡稱藻生長的最大春化過程）；冬季低溫是變化的，每種低溫會產生一種春化過程，而多種低溫的春化過程先后出現最終決定藻春化作用的春化過程是怎樣演變的問題，需要研究對藻連續作用的不同低溫之間有無掩蓋作用（一種低溫遮蓋另一種低溫對藻產生的春化作用）；為了解同一低溫對藻的間斷春化過程的春化作用與該低溫對藻的連續春化過程的春化作用有無關聯，這需要研究同一低溫對藻的間斷春化過程之和對藻的春化作用。弄清楚上述問題對分析冬季藻春化過程與藻大暴發的關系十分重要。目前國內外，關于滇池銅綠微囊藻等生長的低溫誘導研究報道有星肋小環藻（Cyclotella asterocostata.）、滇池銅綠微囊藻的春化作用（郭蔚華等，2014a）1187-1192，嘉陵江出口段星肋小環藻早春活動原因初探（范建元，2012），星肋小環藻、銅綠微囊藻春化作用基因控制機理（郭蔚華等，2014b）；關于銅綠微囊藻生長的其它研究主要有CO2、溫度、氮、磷、pH對藻的影響（高欣等，2014；Zhou et al.，2012；蘇春風等，2013；陳建中等，2010），水體擾動對藻生長的影響（江林燕等，2012），水中主要陽離子對銅綠微囊藻生長的影響（郭麗麗等，2013），蕈狀芽孢桿菌存在下銅綠微囊藻死亡的機制（Gumbo et al.，2011）；有關春化作用的研究主要集中在植物中，如高等植物的春化作用與低溫適應（趙大中等，1998），植物春化特性及春化作用機理（胡巍等，2004），植物春化作用的研究進展（趙春哲，2011）。資料分析可知，有關滇池銅綠微囊藻春化過程與誘導低溫的關系國內外尚未見報道，為此，開展了相關研究實驗。

本文通過多種低溫誘導的變溫實驗和最適誘導低溫連續誘導實驗，測試誘導低溫、誘導時間的藻生長，分析藻生長啟動的春化過程、藻最大增長率的春化過程、誘導低溫間的關系。

1　材料與方法

1.1材料

實驗藻種：滇池銅綠微囊藻（Microcystis aeruginosa in Dianchi Lake），中國科學院水生生物研究所提供。

實驗儀器、器皿：SPX-300I-G程控光照培養箱、LRH-250A生化培養箱、MOTICBA200數碼顯微鏡，HETTICH-EBA離心機，50、500、1000 mL三角瓶，血球計數板、滅菌鍋等。

1.2實驗條件

實驗溫度：培養溫度 19 ℃，高溫休眠溫度31 ℃，誘導低溫7～14 ℃。

實驗光照：2000 lx，光暗比12 h∶12 h。

藻培養基：BG-11培養基和制作方法，中國科學院水生生物研究所提供。

1.3實驗方法

藻計數法：藻密度增長至10.0×104個/L時用血球計數板計數，實驗設置A、B、C 3個平行實驗組，每藻樣取3次計數求出均值。采用Excel 2013作圖并進行有關數據分析。

變溫處理方法：藻高溫休眠處理→藻低溫處理→藻培養。

藻高溫休眠處理方法：藻經過（處理溫度/處理時長）19 ℃/2 d→23 ℃/1 d→27 ℃/1 d→32 ℃/2 d→19 ℃/2 d后，當藻由生長到停止生長后，又回到最適生長溫度19 ℃/2 d不再恢復生長時，藻即處于高溫休眠狀態，這時藻用于低溫誘導。

藻生長啟動的春化過程實驗方法：低溫處理是藻分別在14、13、12、11、10、9、8和7 ℃下處理，每隔1小時取藻液放入19 ℃、2000 lx下培養計數，觀察春化過程與藻生長情況。

藻生長的最大春化過程實驗方法：將高溫休眠的藻放入10 ℃低溫下連續處理，每天取10 mL藻液在19 ℃、2000 lx下培養3 d，計算平均增長率，直至藻增長率不上升時為止。

誘導低溫的累積作用和掩蓋作用實驗：將高溫休眠的藻進行變化低溫處理 14 ℃/1 d→13 ℃/1 d→12 ℃/1 d→11 ℃/2 d→10 ℃/2 d→11 ℃/1 d→10 ℃/1 d→11 ℃/1 d→13 ℃/1 d→14 ℃/1 d→12 ℃/1 d→11 ℃/2 d→10 ℃/3 d→11 ℃/1 d→10 ℃/2 d→11 ℃/1 d→10 ℃/4 d→9 ℃/5 d→10 ℃/5 d→9 ℃/2 d→8 ℃/2 d→7 ℃/2 d，每個低溫處理1 d后，取10 mL藻液在19 ℃、2000 lx下培養3 d，計算平均增長率。

1.4實驗藻生長速率計算

藻日增長速率計算式：

其中上述式中：r—增長率；Nt—前一時間藻數量，個/mL；Nt-1—后一時間藻數量，個/mL；d—Nt和Nt-1間隔天數，d。

2　結果與分析

2.1藻生長啟動的春化過程

由圖1中春化過程（誘導時間/誘導溫度）可知，藻生長啟動的春化過程為 12 h/14 ℃、11 h/13 ℃、9 h/12 ℃、7 h/11 ℃、6 h/10 ℃、7 h/9 ℃、8 h/8 ℃、10 h/7 ℃，最適誘導低溫10 ℃的誘導時間最短。

圖1　藻生長啟動的春化過程Fig. 1 The vernalization process of algal growth promotion

2.2藻最大增長率的春化過程（簡稱藻生長的最大春化過程）

對表1、圖2中的實驗數據進行單因素方差分析，藻增長率與誘導時間顯著相關（P＜0.05），即在10 ℃下隨著處理時間的延長，藻增長率變大，當處理到45 d時，藻增長率由最初的17.7%達到最大值42.2%。表明10 ℃低溫作用時，藻最大增長率的春化過程是45 d/10 ℃。

2.3藻增長與低溫間的關系

從表2、圖3可知，實驗的前26天，處理溫度由14 ℃→13 ℃→12 ℃→11 ℃→10 ℃依次降低時，增長率從1.1%上升到27.0%；而實驗的后16天，處理溫度由10 ℃→9 ℃→8 ℃→7 ℃依次降低時，增長率從27.0%下降到3.8%。

2.4藻連續與間斷春化過程的關系

由表2、圖3可知，實驗的前26天，即14～10 ℃中，10 ℃的間斷過程有5次，第1次2 d、第2次1 d、第3次3 d、第4次2 d、第5次4 d，共12 d，第12天增長率為27.0%，由表1可知，10 ℃連續處理12 d的藻增長率26.2%，10 ℃間斷處理12 d與連續處理12 d的增長率相同。由表2、圖3可知，實驗的后16天即10～7 ℃中，10 ℃出現1次為5 d，增長率為14.0%～15.2%，遠低于10 ℃間斷過程第12天的增長率27.0%。

表1　10 ℃低溫處理的藻生長最大春化過程Table 1 The most vernalization process of algal growth under 10 ℃

圖2　10 ℃低溫處理的藻生長最大春化過程Fig 2. The most vernalization process of algal growth under 10 ℃

3　討論

3.1藻高溫休眠被解除的最小春化過程

發現滇池銅綠微囊藻具有春化作用后，已經知道藻生長與不同低溫誘導及其作用時間有關，但是藻的高溫休眠被解除的誘導低溫的最小春化過程（誘導低溫啟動藻生長的春化過程）還不清楚，有必要進一步研究藻的春化作用。實驗分析可知，不同誘導低溫啟動藻生長的春化過程時間在6～12 h， 10 ℃的春化過程最短為6 h，14 ℃的春化過程最長為12 h。最適誘導低溫啟動藻生長的春化過程最短的情況，與最適誘導低溫促進植物開花的春化過程最短是一致的（奧巖松等，1994）。

表2　藻增長率與誘導低溫的關系Table 2 The relationship between the algal growth rate and the inductive temperature

圖3　藻增長率與誘導低溫的關系Fig. 3 The relationship between the algal growth rate and the inductive temperature

3.2藻暴發與春化過程

滇池銅綠微囊藻具有春化作用是否與滇池銅綠微囊藻暴發有關？一般認為滇池藍藻暴發時藻數量2 d增長1倍，實驗采用10 ℃低溫對高溫休眠的滇池銅綠微囊藻連續處理，逐日取藻在最適生長溫度19 ℃、2000 lx下培養3 d求出平均藻增長率，當低溫連續處理45 d后，平均藻增長率停止上升，穩定在42.2%，這時藻數量2 d增長1倍，達到藻大暴發時的藻增長水平，這表明滇池銅綠微囊藻暴發與春化過程有關，藻大暴發需要大暴發的春化過程。

3.3誘導低溫間的作用

實驗證實冬季低溫過程與滇池銅綠微囊藻暴發有關，那么分析冬季溫度是有必要的。滇池冬季低溫的出現是波動的和交替的，不同誘導低溫先后出現最終對藻產生怎樣的春化作用，這是認識滇池銅綠微囊藻暴發的又一個科學問題，只能通過強弱誘導低溫交替作用藻所產生的春化作用來分析。實驗表明，強的誘導低溫對藻產生的春化作用將掩蓋弱的誘導低溫對藻產生的春化作用，誘導低溫間具有掩蓋作用，即一種低溫對藻產生的春化作用遮蓋另一種低溫對藻產生的春化作用，用增長率變化分析掩蓋作用。

3.4藻春化過程的累積作用

滇池冬季天氣出現長時間連續低溫的可能性小，也即最適誘導低溫會被其它低溫隔斷，在這種情況下很難有長時間連續的最適誘導低溫形成藻暴發所需要的春化過程，這就需要了解間斷的最適誘導低溫的春化過程對藻產生的春化作用，這對分析滇池冬季低溫滇池冬季藻暴發需要的春化過程很重要。實驗結果是，誘導低溫在 14～10 ℃波動出現時，最強低溫的間斷春化過程之和對藻產生的春化作用（增長率）等于該最強低溫的連續春化過程對藻產生的春化作用（增長率），表明誘導低溫在 14～10 ℃波動對藻作用過程中，最強誘導低溫的間斷春化過程具有累積作用，而誘導低溫在10～7 ℃波動對藻作用過程中，最強低溫的間斷春化過程則沒有累積作用。由此可知，冬季滇池，如果水華敏感水域中越冬藻敏感水層的最低水溫為最適誘導低溫時，無論這個最適誘導低溫連續或間斷，只要出現一定時間（如45 d）以上，就形成了藻暴發需要的春化過程；冬季滇池，如果水華敏感水域中越冬藻敏感水層的最適誘導低溫出現過程中有9 ℃以下的誘導低溫出現，藻大暴發需要的春化過程將會中斷，開始中斷的誘導低溫的春化過程。

3.5關于春化作用定義范圍

星肋小環藻、滇池銅綠微囊藻的春化作用被揭示后，人們發現春化作用不僅存在于植物界中，也存在于原生生物界的浮游類（星肋小環藻）和原核生物界的藍藻（滇池銅綠微囊藻）中，可將低溫促進植物開花結實的春化作用（趙春哲，2011）稱為狹義春化作用，將低溫促進植物開花結實的春化作用和低溫促進非植物生物繁殖的春化作用稱為廣義春化作用。

3.6滇池銅綠微囊藻的定義

太湖水華微囊藻在水溫 10～28 ℃之間，光合作用隨水溫升高而增強（金相燦等，2008），24～30 ℃水溫是太湖藍藻暴發的必要條件（王得玉等，2008），太湖藍藻生長發育最適宜的溫度范圍為 28～33 ℃（任健等，2008）。另有研究認為，滇池水溫常年在10 ℃以上，夏季多在20～23 ℃，很少出現30 ℃以上的高溫。2008年7月7日水華暴發時氣溫才19 ℃，所以滇池水溫完全滿足滇池藍藻的生長需要（李蒙等，2011）；滇池藍藻水華暴發的關鍵期6─9月，氣溫在20～30 ℃之間，水溫在20 ℃上下（謝國清等，2010）；滇池藍藻的適宜溫度在18 ℃左右（匡耀求，2001），與滇池銅綠微囊藻最適溫度 19 ℃（郭蔚華等，2014a）1188-1189的研究結果一致；根據水溫平均年變幅，滇池為22.7 ℃，鄱陽湖、洪澤湖、太湖在30 ℃以上，太湖高達35 ℃左右（袁靜秀等，1986），滇池銅綠微囊藻適應較低水溫。由上述分析認為，滇池的銅綠微囊藻最適生長溫度為19 ℃，太湖的銅綠微囊藻最適生長溫度為25 ℃，生長在滇池的銅綠微囊藻是銅綠微囊藻中適應云貴高原湖泊的一個生態型，即滇池銅綠微囊藻，學名為 Microcystis aeruginosa in Dianchi Lake。

4　結論

（1）不同誘導低溫啟動藻生長的春化過程不同，10 ℃啟動藻生長的時間最短為6 h，10 ℃/6 h是啟動藻生長的最小春化過程。

（2）滇池銅綠微囊藻暴發需要特定春化過程。滇池銅綠微囊藻在 10 ℃連續處理 45 d后，在19 ℃、2000 lx下培養3 d的平均增長率為42.2%，以這樣的增長率藻數量2 d增長1倍，達到藻大暴發時的增長率。

（3）誘導低溫間有掩蓋作用，強低溫的藻春化作用掩蓋弱低溫的藻春化作用，但在10～7 ℃內，掩蓋作用是短時間的。低溫間的掩蓋作用有助于冬季產生藻春化過程的有效低溫分析。

（4）誘導低溫在 14～10 ℃波動交替對藻作用過程中，最強低溫的間斷春化過程具有累積作用，而誘導低溫在10～7 ℃波動交替對藻作用過程中，最強低溫的間斷春化過程則沒有累積作用。

（5）生長在滇池的銅綠微囊藻是銅綠微囊藻中適應云貴高原湖泊的一個生態型，即滇池銅綠微囊藻，學名Microcystis aeruginosa in Dianchi Lake。

（6）滇池銅綠微囊藻的春化作用屬于廣義春化作用范疇。

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Vernalization Process and the Relationship between Inductive Low Temperature in Microcystis aeruginosa in Dianchi Lake

GUO Weihua, YU Min, LIU Qingxiang, WU Jie, LI Xingguang

Faculty of Urban Construction and Environmental Engineering, Chongqing University, Chongqing 400045, China

After Microcystis aeruginosa in Dianchi Lake in the vernalization discovered, it was recognized that the algae need the process of low temperature in annual activities. It was very important in knowing deeply why the algae outbreak that the low temperature in winter how to influence the algae and the relationships between the vernalization process and the induced temperature were analyzed. The experiment steps were as follows: firstly, the algae was dealt with the high temperature which is 31 ℃, secondly, the algae was induced with 14 ℃ to 7 ℃, and then was cultured for 3 days at 19 ℃, 2 000 lx, finally, calculated the average algae growth. Related research was conducted with variable temperature experimental methods. The experimental results were: the vernalization process of the algal growth promotion (inductive time/inductive low temperature) were 12 h/14 ℃, 11 h/13 ℃, 9 h/12 ℃, 7 h/11 ℃, 6 h/10 ℃, 7 h/9 ℃, 8 h/8 ℃, 10 h/7 ℃. Among of the results, 10 ℃ was optimal inductive temperature; At the experiment of the largest vernalization process, when the algae was dealt with 45 d under 10 ℃, the average growth rate of algae stabled at 42.2%, at this time, the number of algae doubled in two days, which was consistent with the algae growth of the outbreak; The covering experiment between low temperature showed the vernalization of strong low temperature masked the vernalization of weak low temperature, while the masking effect was transitory during 10～7 ℃; The cumulative effect of vernalization in low temperature was analyzed, the results showed that: the intermittent vernalization process of strongest low temperature had cumulative effect during 14～10 ℃, while the intermittent vernalization process of strongest low temperature didn’t have cumulative effect during 10～7 ℃; The optimum growth temperature of Microcystis aeruginosa in Dianchi Lake is 19 ℃, while the optimum growth temperature of Microcystis aeruginosa in Taihu Lake is 25 ℃, Microcystis aeruginosa which grew in Dianchi Lake is an ecotype of Microcystis aeruginosa adapted to the Yunnan-Guizhou Plateau lakes, that is Microcystis aeruginosa in Dianchi Lake. The vernalization of Microcystis aeruginosa in Dianchi Lake belongs to general vernalization by conducting the analysis of redefining the definition of the vernalization.

vernalization process; growth promotion; the relationships between low temperature; Microcystis aeruginosa in Dianchi Lake

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.12.015

X17

A

1674-5906（2015）12-2022-05

郭蔚華（1956年生），男，副教授，從事水處理微生物技術、水環境藻類等研究。E-mail: gwhchl@163.com

2015-09-27

引用格式：郭蔚華, 余敏, 劉青香, 吳杰, 李星廣. 滇池銅綠微囊藻春化過程與誘導低溫間的關系[J]. 生態環境學報, 2015, 24(12): 2022-2026.