大亚湾拟菱形藻对不同形态氮的利用策略

由于拟菱形藻 (Pseudonitzschia)释放的神经毒素对海洋其他生物的危害，该类赤潮的发生在世界范围都被密切关注。氮是控制海洋初级生产力的关键生源要素之一，关于拟菱形藻与主要营养盐氮的研究特别缺乏。大亚湾水体富含氨氮和溶解性有机氮的特殊氮组成是否与拟菱形藻赤潮的频繁爆发有关还未有研究。本项目拟通过室内模拟实验，运用稳定15N同位素标记法，研究大亚湾两种拟菱形藻对不同形态氮(无机氮和有机氮)的同化效率；验证是否能够同时利用氨氮与硝态氮；拟菱形藻是否兼具有异养和光合自养特性，二者能否能够根据环境相互转换；同时考量硝酸还原酶 (NR)和谷氨酰胺合成酶 (GS)的活性在以上三个过程中能否指示拟菱形藻对各种氮的利用效率。结合大亚湾氮组成特征，期望从拟菱形藻对氮的不同利用策略初步阐明拟菱形藻赤潮在大亚湾的发生机制。

本项目以大亚湾常年占据优势地位的两种拟菱形藻(Pseudonitzschia)——尖刺拟菱形藻和优美拟菱形藻为实验对象，通过室内模拟实验，运用稳定15N同位素标记法，研究了大亚湾两种拟菱形藻对不同形态氮 (无机氮：硝态氮、氨氮；有机氮：尿素、谷氨酰胺) 的同化效率，结果发现，两种拟菱形藻都可以吸收利用有机氮，但利用效率低于无机氮；对于不同形态的氮源，优美拟菱形藻对NO3-N的最大比吸收率 (Vmax) 最大，半饱和常数 (Ks) 最低，亲和常数 (α) 最大，因此，对NO3-N的吸收效率最高；而尖刺拟菱形藻对NH4-N的吸收效率最高。本项目也设计了一系列室内实验旨在检验氮同化过程中，两种关键酶硝酸还原酶 (NR) 和谷氨酰胺合成酶 (GS) 与氮同化速率的关系：检验了尖刺拟菱形藻NR和GS的昼夜变化节律，发现，两种酶活水平均在光照开始6h达到最高，其后逐渐下降直到一个稳定水平；在3种浓度的NO3-N浓度下，尖刺拟菱形藻NR和GS的变化趋势与细胞对N的同化率高度契合；以NH4-N为生长氮源时，在12和24M NH4-N浓度处理组中，NR和GS的活性并没有因NH4-N的存在而受到抑制，而在48M NH4-N浓度处理组中，NR的活性被完全抑制；同时检测了不同NO3-N饥饿状态的尖刺拟菱形藻NR和GS对氨氮的响应，我们发现，氨氮对NR和GS的抑制作用的强弱以及时间点与细胞状态有关。最后一部分实验的目的是检测尖刺拟菱形藻是否兼具有光合自养性和异养性并能根据环境条件相互转换，结果发现，黑暗条件下，两种拟菱形藻在氮源为尿素的f/2培养液中可存活10天，其后细胞迅速死亡裂解，再转移到有光环境中也未能恢复分裂，证明尿素不能支持拟菱形藻完成两种营养属性的转换。综上所述，本项目的培养实验说明拟菱形藻对氮有不同的利用策略；结合大亚湾氮组成特征，两种拟菱形藻对不同形态氮的互补利用，可能是大亚湾两种拟菱形藻经常伴随出现的原因之一；此外，NR水平完全可以反映拟菱形藻细胞对硝态氮的同化效率，NR和GS活性的高低能更准确的反应藻细胞对所处水体中氮变动的响应；最后，本项目实验证实，两种拟菱形藻虽然不具备从异养转换为光合自养的能力，对各种形态氮的利用策略，是尖刺拟菱形藻和优美拟菱形藻在大亚湾常年占据优势地位的一个重要原因。