微囊藻毒素通过调节光合作用促进其水华形成的机理研究

Mcrocystins (MCs) are kinds of important secondary metabolites, especially in some Microcystis species, and their environmental toxic effects have received much attention. But the roles of MCs in the process of Microcystis bloom are rarely studied. Some previous studies suggested that MCs concentration significantly rise during the period of Microcystis blooms and a certain concentration of MCs can increase the growth rate of some cyanobacteria and/or green algae, so MCs production can increase photosynthetic efficiency. Based on the facts mentioned above, we propose a scientific hypothesis that MCs has a positive feedback effect on the formation of Microcystis blooms. This hypothesis have been initially supported by our preliminary experiments, but its mechanisms and specific pathways require further study. Combined field survey and laboratory simulated experiments, we will test this hypothesis, and the research context include ⑴ the regulation effects of MCs on synthesis genes, ⑵ the stabilizing effects of the MCs on the structure and function of the photosynthetic system, and ⑶ the promoting effects of MCs on the microcystis growth. Therefore, focusing on photosynthesis, we try to reveal the relative photosynthestic promoting mechanism of microcystis bloom formation from molecular biology, cell biology and population ecology. Finally, we will furtherly test this hypothesis from the survey data in lakes, and all these researches can provid theoretical basis and management strategies for the control of Microcystis blooms.

微囊藻毒素(MCs)是部分蓝藻(尤其是多数微囊藻种属)的重要次生代谢产物,其环境毒理学效应已备受关注，但它在对微囊藻水华形成的调控作用则鲜见报道。已有实验表明，微囊藻水华期间MCs浓度显著升高，特定浓度的MCs可促进某些蓝藻和绿藻的生长。因此，MCs可能有利于某些藻类的生长，故据此提出MCs可通过正反馈效应促进微囊藻水华形成的科学假说。预备实验结果初步支持了这种推测，但其内在机制与过程尚待深入阐明。本项研究拟通过野外调查和室内模拟相结合的方法验证上述假说，其具体内容包括⑴MCs对其合成基因表达的调控作用；⑵MCs对藻细胞光合系统结构和功能的稳定作用；⑶MCs对微囊藻种群增长的促进作用三个方面，力求以光合作用为焦点，从分子生物学、细胞生物学和种群生态学等三个层次上揭示MCs在微囊藻水华形成过程中的作用及其机制，并通过野外实验予以进一步验证，从而为淡水湖泊蓝藻水华的控制提供理论基础和管理策略。

微囊藻毒素(MCs)是部分蓝藻(尤其是多数微囊藻种属)的重要次生代谢产物,其环境毒理学效应已备受关注，但它在对微囊藻水华形成的调控作用则鲜见报道。已有实验表明，微囊藻水华期间MCs浓度显著升高，特定浓度的MCs可促进某些蓝藻和绿藻的生长。因此，MCs可能有利于某些藻类的生长，故据此提出MCs可通过正反馈效应促进微囊藻水华形成的科学假说。本项研究拟通过野外调查和室内模拟相结合的方法验证上述假说，其具体内容包括⑴MCs对其合成基因表达的调控作用；⑵MCs对藻细胞光合系统结构和功能的稳定作用；⑶MCs对微囊藻种群增长的促进作用三个方面。野外调查表明微囊藻水华形成过程中，藻细胞和藻群体中的毒素均是逐步增加的。MCs的外源添加可以诱导毒素合成基因mcyB表达量的上调。微囊藻毒素的添加对藻细胞光合系统II的最大光化学效率和实际光化学效率均无显著的影响。然而，MCs的外源添加可以选择性促进产毒微囊藻PCC7806的两个光合系统光化学效率比率。由此可知，光合系统I的促进作用是系统间效率比值增大的主要原因。外源MC添加可以显著促进产毒微囊藻的羧化速率，而显著地抑制了非产毒微囊藻羧化酶对CO2的亲和力，这种选择性表明产毒微囊藻可以通过毒素的合成和释放抑制非产毒微囊藻的光合作用。在种群生长调控上，MCs对产毒微囊藻的生长具有选择性促进作用。综上所述，MCs对微囊藻水华种群的促进机制研究主要分成三个阶段：产毒微囊藻通过MC细胞内合成和细胞外释放两种方式在增进了自身光合作用效率；微囊藻种属光合活性的增加使其种群快速增长；产毒微囊藻生物量及其占水华生物量比例的增加将进一步强化了种群细胞的产毒水平和MCs的胞外分泌量，这个过程将再次促进阶段1，形成正反馈促进的机制。本项研究以光合作用为焦点，从分子生物学、细胞生物学和种群生态学等三个层次上揭示MCs在微囊藻水华形成过程中的作用及其机制，并通过野外实验予以进一步验证，从而为淡水湖泊蓝藻水华的控制提供理论基础和管理策略。