海洋硅藻休眠孢子萌发进程中氮代谢的调控机制

Generally, marine diatom resting spores form under stress condition, especially nitrogen limitation, and occur abundantly in the sediment. The germination of resting spores plays an important role in the population dynamic of phytoplantkon and redtide organisms, and it is the important biological process in benthic-pelagic coupling. Resting spores have vegetative growth after a lag period, showing asynchronous relationship between the nutrient assimilation, especially nitrogen metabolism and vegetative growth in the germination process. The researches on the germination process of diatom spores are limited. In the present project, based on the previous research, different stages of germination process are studied using cell cycle; the comparison between the start of nitrogen absoption and recovery of nitrogen assimilation enzyme; inorganic nitrogen utilization and organic nitrogen assimilation, free amino acid metabloism and protein synthesization under different stages are studied, which reveal the recovery condition of resting spores nitrogen metabolism under nitrogen repletion, and clarify the asynchronous relationship between the nitrogen metabolism and vegetative growth, and the effect of resting spores on phytoplankton community structure and their biomass. Our results benefit to the understanding of regulation mechanism of nitrogen metabolism during the germination process in marine diatom resting spores, and charify the role of resting spores in benthos-pelagic coupling.

海洋硅藻在不良环境下常形成休眠孢子，并大量存在于沉积物中，其萌发将影响浮游植物和赤潮生物的种群动态，也是海底-水层系统耦合中重要的生物过程。研究发现，休眠孢子往往需要一定的滞后期才开始营养生长，这种滞后反映了萌发进程中营养吸收、尤其是氮吸收与生长之间的不同步关系。目前对这个滞后过程的认识还非常模糊。本项目拟在充分预研的基础上，运用细胞周期表征海洋硅藻休眠孢子萌发进程的不同阶段；比较萌发各阶段休眠孢子中氮吸收的启动与氮同化酶活力的恢复；无机氮的利用与有机氮的同化；自由氨基酸的代谢与蛋白质的合成等氮代谢途径，揭示氮限制解除下硅藻休眠孢子氮代谢过程的恢复状态；阐明休眠孢子的氮代谢与营养生长的不同步关系，及其对浮游植物群落结构的影响和生物量的贡献。研究结果对于揭示硅藻休眠孢子萌发进程氮代谢的调控机制，阐明硅藻休眠孢子在海底-水层耦合关系中的作用具有重要的理论意义和科学价值。

海洋硅藻休眠孢子在合适的条件下能够快速萌发，丰富浮游植物和赤潮生物群落，在硅藻季节性的水华中可能具有重要的作用。通常休眠孢子的萌发被认为与其形成的方式正好相反，目前多数有关硅藻休眠孢子的研究注重其本身的特性及生态作用，但是对于其具体的萌发过程了解很少，特别是在萌发的开始阶段，往往需要一定的滞后期才开始营养生长，这种滞后反映了萌发进程中营养吸收、尤其是氮吸收与生长之间的不同步关系。本项目运用细胞周期表征海洋硅藻休眠孢子萌发进程的不同阶段；比较萌发各阶段休眠孢子氮吸收、氮同化酶活力、自由氨基酸的代谢等氮代谢途径，揭示氮限制解除下硅藻休眠孢子氮代谢过程的恢复状态；阐明休眠孢子的氮代谢与营养生长的不同步关系。结果表明，休眠孢子萌发过程中细胞体积不断增大，在48～54h内基本完成第一次分裂。萌发后72h时，细胞体积和直径已经恢复到营养细胞大小，处于快速分裂状态。运用细胞周期可以很好地反映休眠孢子萌发的进程，可以分为停滞期、G1 期、S 期、G2 期和M 期等细胞周期。不同的细胞周期反应了硅藻休眠孢子在萌发的不同阶段。光照强度越大中肋骨条藻细胞氮吸收速率越大，尤其是萌发起始阶段，光照是启动中肋骨条藻休眠孢子的关键。无光条件下，单独的温度增加不足以启动中肋骨条藻休眠孢子的萌发。光照强度越大休眠孢子萌发过程内氨基酸种类和数量越多。温度对休眠孢子氮吸收在萌发各个时期表现不一样，但对氮吸收速率影响不及光照大。中肋骨条藻休眠孢子萌发的起始阶段温度的高低与细胞对氮的吸收快慢无直接相关性。15N 同位素标记示踪实验结果表明，15N主要标记在Glu、His、Ala、Gly、Pro、Thr这6种氨基酸上，说明这6种氨基酸可能在休眠孢子萌发过程中外源氮同化中起重要作用。甘氨酸和组氨酸是中肋骨条藻休眠孢子萌发过程的优势游离氨基酸。对比对数期、稳定期及萌发过程的中肋骨条藻，发现甘氨酸和组氨酸与中肋骨条藻应对逆境胁迫有关。高光照强度可以明显地增加尿素循环中关键氨基酸精氨酸、谷氨酸和天冬氨酸的含量及提早精氨酸被检测到的时间。休眠孢子往往需要一定的滞后期才开始营养生长，这种滞后反映了萌发与吸收营养及生长之间的不同步关系。研究结果揭示了硅藻休眠孢子萌发进程氮代谢的调控机制，进一步阐明了硅藻休眠孢子在海底-水层耦合关系中的作用具有重要的理论意义和科学价值.