（水生生物学专业论文）球石藻生物钙化和dms释放的生理学特性及其种类分子标记研究.pdf

致谢 致谢 本论文是在我的导师林荣澄研究员利高亚辉教授的悉心指导下完成的。三年 来，两位老师在学习、生活和科学实验中给予了我无微不至的关怀和帮助，在此 向林老师和高老师表示我最真挚的谢意。 同时，我还要感谢齐雨藻教授、王大志教授以及实验室的梁君荣老师、陈长 平老师和李雪松老师给予我的许多宝贵建议和帮助。感谢王鹏给予我论文中分子 标记部分不遗余力的指导和帮助。感谢环科中心袁东星老师提供的g c 仪器，李 猛、陈勇两位同学在g c 使用方面的帮助。感谢陆志强师兄提供的藻种，以及对 我实验设计、计划方面的指导。感谢电镜室薛茹老师对我扫描电镜拍摄部分的帮 助。感谢叶德赞老师提供的p c r 仪器，以及李明同学的协助。感谢实验室的康 燕玉、高华、骆巧琦、谢文铃、林石明、邢小丽、李扬、杨军霞、李振华、林昕、 周茜茜、林旭吟、杨心宁、程金风、吴瑞、张玉宇、廖秀珍、邹丽珍、王彦国、 邢炳鹏等诸位同学在实验和生活中给予我的许多帮助。感谢已毕业的师兄师姐何 学佳、虞秋波、黄德强、高杨、龙华和赵东海对我的关心和帮助。 感谢中国大洋协会d y l 0 5 0 2 一0 1 项目给予的部分资金支持。 最后，还要感谢我的亲人和关心我的朋友，谢谢你们对我无私的支持和帮助1 7 4 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成果。 本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在文中以明 确方式标明。本人依法享有和承担由此论文产生的权利和责任。 声明人( 签名) ：酸k 铂以匆 加年7 月瑚日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦门大 学有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸质版和电 子版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学 校图书馆被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索， 有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适 用本规定。 本学位论文属于 1 、保密() ，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密( 0 ( 请在以上相应括号内打“4 ”) 作者签名：醋婚细新肛日期：加。年7 月刀曰 导师签名：诈i 彩亿- 日期：抽仵7 月7 日 以寥级 摘要 摘要 球石藻( c o c c o l i t h o p h o r i d ) 是一类全球分布的海洋微型浮游植物，是海洋生 态系统的重要组成部分，也是大洋大规模白色水华的原因种。由于球石藻细胞外 被有c a c o ，构成的球石粒，其生物形成和物理沉降构成了全球碳循环中非常重 要的一环。此外，球石藻还是二甲基硫丙酸( d m s p ) 的高产者，d m s p 经过催化 裂解，会释放气态二甲基硫( d m s ) 到空气中，经过种种化学变化后，最终形 成可供水蒸气附着的颗粒状的云核，从而影响附近海域甚至全球的气候。由此可 见，球石藻水华能够对周围海洋和大气环境产生诸多重要影响，在全球生态系统 物质循环及地质演变中都具有很重要的地位。因此，本文分别研究了温度和盐度 对两种球石藻e m i t i a n i ah “v l e y i 与c o c c o l i t h u sn e o h e l i s 产d m s 的影响；n a h c 0 3 和c 0 2 对eh m j e y i 钙化作用的影响以及对五种球石藻eh u x l e y i ，cp e l a g i c u s ， c n e o h e l 西，c r i c o s p h a e r ae l o n g a t a 和c r i c o s p h a e r ac a r t e r a e 进行的r a p d 分子标 记分析，以探索它们的系统分类地位。主要研究结果如下： 1 eh u x l e y i 与cn e o h e l i s 在不同温度和盐度条件的培养下，无论在细胞生长， 还是d m s 的释放量方面都具有不同特点，表现出一定的种属特异性。eh u x l e y i 在1 2 。c 、1 8 。c 和2 4 。c 培养下的d m s 释放量分别为o 0 2 、o 0 4 和o 1 2p g c e l l 。 在培养赫度为4 0 和3 0 时，藻细胞释放到水中的d m s 的量增多( o 0 8p g c e l l ) ， 而盐度为3 5 时释放量仅为0 0 4 p g c e l l 。eh u x l e y i 在藻细胞整个生长周期中，d m s 的大量出现几乎都在指数生长后期至衰亡期。cn e o h e l 括在1 2 。c 、1 8o c 矛n2 4 。c 培养下的d m s 释放量分别为0 2 7 、o 1 6 和o 1 5p g c e l l ，均较eh u x l e y i 高。在 培养盐度为4 0 和3 0 时，藻细胞释放到水中的d m s 的量增多( 分别为0 1 9p g c e l l 和o 1 8p g c e l l ) ，而盐度为3 5 时释放量仅为o 1 5p g c e l l 。cn e o h e l i s 藻细胞整 摘要 个生长周期中，d m s 的大量出现与细胞生长周期同步。这些现象与不同藻种体 内d m s p 向d m s 转变的一系列复杂的生化过程有关。 2 一定浓度h c 0 3 一( 2 0 m m o l f l ) 的添加，使eh u x l e y i 细胞优先进行钙化作用， 有利于钙质球石粒的形成。两通入纯c 0 2 气体，降低了水环境的碱度，不仅减 少了钙质球石粒的形成，也不利于eh u x l e y i 的细胞生长。 3 应用r a p d 分析，筛选出4 个r a p d 随机引物对五种球石藻的总d n a 进行 扩增，共产生5 0 条扩增带，即从5 0 个位点对五种球石藻进行了检测。其中多态 位点有4 8 个。表明这五株球石藻具有较高的遗传多态性。其中cp e l a g i c u s 和c n e o h e l i s 基本上为一个属，ce l o n g a t a 和cc a r l e r a e 基本为一个属，eh u x l e y i 和c o c c o l i t h u s 属、c r i c o s p h a e r a 属有一定的遗传相似性。 本文从生理学角度研究了不同碳源在钙质化球石粒形成过程中的重要作用， 这对于控制球石藻的钙化率，进而调节全球的碳循环具有重要意义。球石藻d m s 的产量研究了温度、盐度两个环境因子对球石藻细胞d m s 释放量的影响。了解 d m s 的影响因子对于调节局部海区甚至全球的气候有重要的意义。而分子标记 在球石藻的系统分类学和种群生态学上的应用较之传统的形态分类学，手段更加 方便、快捷、可靠。通过对五种球石藻r a p d 分子标记研究，尝试了用分子生 物学手段对球石藻的遗传多态性进行检测，分析了五种球石藻的遗传特征，探讨 属间、种间的遗传差异，寻找特定的r a p d 分子标记位点，并构建分子分类图 谱。初步解决了传统的形态分类学难以根据细胞外观将球石藻鉴定到种的问题。 关键词：球石藻；生物钙化；d m s ( - - 甲基硫) ；分子标记 a b s t r a c t a b s t r a c t c o c c o l i t h o p h o r i d ，ag r o u po fm a r i n ep h y t o p l a n k t o n s ，i s n o t o n l y a n i m p o r t a n t c o m p o n e n to f t h eo c e a na n dc o a s t a le c o s y s t e mb u ta l s os p e c i e sw h i c hc a nb r i n gw h i t e w a t e rb l o o me x t e n s i v e l y , b e c a u s eo ft h ec o v e r i n gc o c c o l i t h sw h o s em a i ne l e m e n ti s c a c 0 3 ，c o c c o l i t h sa r ev e r yi m p o r t a n ti ng l o b a lc a r b o nc y c l e t h e n ，c o c c o l i t h o p h o r i d i sh i 曲p r o d u c e ro fd m s p ( d i m e t h y l s u l p h o n i o p r o p i o n a t e ) w h oc a r lb ed i v i d e si n t o g a sd m s p a s s i n gs o m ec h e n f i c a lc o u r s e ，d m se v e n t u a l l ye n d su p a sc l o u d c o n d e n s a t i o nn u c l e i ( c c n ) i nt h ea t m o s p h e r e i nt h i s w a y , c o c c o l i t h 叩h o r i d p r o d u c t i v i t yh e l p st oi n c r e a s et h er e f l e c t i v e n e s s ( a l b e d o ) o ft h ep l a n e tb ya l l o w i n g m o r ec l o u d st of o r m t h e s es h o wt h a tc o c c o l i t h o p h o r i db l o o mc a ni n f l u e n c em a r i n e a n da t m o s p h e r ee n v i r o n m e n td e e p l y i nt h ep r e s e n ts t u d y , t h ee f f e c to ft e m p e r a t u r ea n ds a l i n i t yo nt h ee m i l i a n i ah u x l e y i a n dc o c c o l i t h u sn e o h e l 曲d m sp r o d u c t i o n t h ee f f e c to fn a h c 0 3a n dc 0 2o nt h e c o c c o l i t hc a l c i f i c a t i o no f e h u x l e y i ，a n dt h er a p dm o l e c u l a rm a r k e ro f e h u x l e y i ，c p e l a g i c u s ，cn e o h e l i s ，c r i c o s p h a e r ae l o n g a t e ，c r i c o s p h a e r ac a r t e r a ew e r es t u d i e d t h em a i nr e s u l t sw e r ea sf o l l o w ： 1 ，c u l t u r e di nd i f f e r e n tt e m p e r a t u r ea n ds a l i n i t y , t h ec e l lg r o w t ha n dt h ed m s p r o d u c t i o no fe h u x l e y ia n dc n e o h e l i ss h o w e di nd i f f e r e n tt r e n d s t h ed m s p r o d u c t i o no f e h u x l e y iw e r eo 0 2 ，0 0 4 ，0 1 2p g c e l lu n d e rt h et e m p e r a t u r eo f1 2 ，1 8 a n d2 4 。c t h ep r o d u c t i o nw a sh i 曲e r ( 0 0 8p g c e l l ) u n d e rt h es a l i n i t yo f 4 0a n d3 0 ，b u t l o w e r ( 0 0 4p g c e l l ) i n3 5 a n dt h em a s sd m sp r o d u c t i o no f eh u x l e y ia p p e a r e df r o m a n a p h a s eo f e x p o n e n t i a lp h a s e t od e c r e p i tp h a s e t h ed m s p r o d u c t i o no f c n e o h e l i sw e r e0 2 7 ，o 1 6 ，o 1 5p g c e l lu n d e r1 2 ，1 8a n d2 4 w h e ns a l i n i t y w a s 4 0o r3 0 ，d m sp r o d u c t i o n w a s h i g h e r ( o ，1 9 0 r 0 1 8p g c e l l ) ， b u to n l yo 1 5p g c e l lw h e nc u l t u r e di n3 5 t h em a s sd m s p r o d u c t i o nf o l l o w e dt h e c e l lg r o w t h t h e s ep h e n o m e n aw e r ed e p e n d e n to nt h ec o m p l e xb i o c h e m i c a lp r o c e s s w h i c ht r a n s f e r sd m s pi n t od m s 2 a d d i n gt h e c e r t a i nh c 0 3 ( 2 0m m o l l ) w a sp r i o r i t yf o rc a l c i f i c a t i o n a n ds i n c et h e a b s t r a c t p u r eg a sc 0 2d e c r e a s e dt h ew a t e ra l k a l i n i t y , m ea d d i t i o no fc 0 2w a sa d v e r s en o to n l y f o rt h ec o c c o l i t hf o r m a t i o nb u tt h ec e l lg r o w t h 3 f o u rr a p dr a n d o mp r i m e r sw e r es c r e e n e d t h ea m p l i f i c a t i o no f t o t a ld n ao ff i v e c o c c o l i t h o p h o r i d sr e s u l t e di n5 0b a n d s a c c o r d i n gt o t h ec a l c u l a t e da n a l y s i s c p e l a g i c u sa n dcn e o h e l 拈b e l o n gt ot h es a l t l eg e n u s ，ce l o n g a t aa n dcc a r t e r a e r e m a i nw i t ht h es a m eg e n u s t h e r ew e r es o m es i m i l a r i t yb e t w e e neh u x l e y ia n d c o c c o ，f t h u s 、c r i c o s p h a e r a t h e s es t u d i e sd i s c u s s e dt h ef u n c t i o no fd i f f e r e n tc a r b o nr e s o u r c ei nc o c c o l i t h c a l c i f i c a t i o n i ti ss i g n i f i c a n ti nc o n t r o l l i n gc a l c i f i c a t i o n ，w h a t sm o r e ，a d j u s t i n g g l o b a lc a r b o nc y c l eo nt h ed m sp r o d u c t i o nr e s e a r c h ，d i s c u s s e dt h ee f f e c t i o no f t e m p e r a t u r ea n ds a l i n i t yf a c t o r s i ti sv i t a lf o rm a r i n ea n da t m o s p h e r ee n v i r o n m e n t a n da p p l i c a t i o no f m o l e c u l a rm a r k e ri sm o r ec o n v e n i e n ta n dc r e d i b l et h a nt r a d i t i o n a l m o r p h o l o g i c a lt a x o n o m y b yr a p dm o l e c u l a rm a r k e rr e s e a r c h o nf i v e c o c c o l i t h o p h o r i d s ，g e n e t i c sc h a r a c t e r i s t i c sw e r ea n a l y z e d k e yw o r d s ：c o c c o l i t h o p h o r i d ；b i o c a l c i f i c a t i o n ；d m s ( d i m e h t y ls u l p h i d e ) ；m o l e c u l a r m a r k e r 4 第一章前言 第一章前言 海洋球石藻( c o c c 0 1 i t h o p h o r i d ) 是一类生活于海洋中的微型浮游植物，基本 都是单细胞结构。它是海洋中主要初级生产者之一，是海洋生态系统的重要组成 部分，主要分布在阳光直射的上层水体中( w e s t b r o e k ，1 9 9 3 ) 。另外，球石藻是 全球分布的种类，种类较多，尤其是在副极地较高纬度海区，更是优势种类，每 年都会发生无数次水华，面积可高达1 4 1 0 。k m 2 ( b r o w n ，1 9 9 4 ) 。由于球石藻细 胞外有特殊成分和结构构成的球石粒，大量球石粒( 组成成份主要是c a c 0 3 ) 通 过自然的沉降作用沉积在海底，经过漫长的地质年代后通过地质运动重新上升， 构成全球的碳循环中非常重要的一环。另外，球石藻是二甲基硫丙酸( d m s p ) 的 高产者，d m s p 经过催化裂解，会释放气态二甲基硫( d m s ) 到空气中，经过种 种化学变化后，最终形成可供水蒸气附着的颗粒状的云核，从而影响附近海域甚 至全球的气候。因此它的水华能够对周围环境产生诸多重要影响，在全球生态系 统稳定和物质循环及地质演变中都具有很重要的地位。现在，对球石藻的研究受 到各国学者的关注并成为多学科交叉研究的一个热点。 1 1 球石藻的分类 1 1 。1 分类地位 球石藻约有7 5 属5 0 0 多种，球石粒形态是球石藻分类的一个最重要的因素。 h a q ( 1 9 7 8 ) 、t a p p a n ( 1 9 8 0 ) 、p e r c h - n i e l s e n ( 1 9 8 5 ) 、c h r e t i e n n o t d i n e r ( 1 9 9 0 ) 等学 者认为球石藻的分类地位应该是： 原生动物界：p r o t i s t ah a e c k e l ，1 8 6 6 定鞭藻门：p r y m n e s i o p h y t ah i b b e r d ，1 9 7 6 定鞭藻纲：p r y m n e s i o p h y c e a eh i b b e r d ，1 9 7 6 球石藻目： c o c c o l i t h o p h o r a l e ss c h i l l e r , 19 2 6 目前研究较多的几种球石藻，其分类地位如下： f a m i l y ：c o c c o l i t h a c e a ep o c h e ，1 9 1 3 细胞外重叠覆盖着p l a c o l i t h s 球石粒。每个p l a c o l i t h 具有两面次水平方向的保护 第一章前言 物和一个相连的管子。 g e n u s ：c o c c o l i t h u ss e h w a r z ，18 9 4 en e o h e l i sm c i n t y r e b e 1 9 6 7 ( 图1 - 3 ) c p e l a g i c u s ( w a l l i c h ，1 8 7 7 ) s c h i l l e r , 1 9 3 0 ( 图1 2 ) g e n u s ：u m b i l i c o s p h a e r al o h r n a n n ，19 0 2 ua n g u s t i f o r a m e no k a d a & m c i n t y r e 1 9 7 7 uh u l b u r t i a n ag a a r d e r , 1 9 7 0 u s i b o g a ev a t f o l i o s ak a m p t n e r , 19 6 3 f a m i l y ：n o e l a e r h a b d a c e a ej e r k o v i c ，1 9 7 0 细胞外重叠覆盖着p l a c o l i t h s 球石粒。p l a c o l i t h 由两面保护层组成，具有网状的 结构。 g e n u s ：e m i l i a n i ah a y & m o h l e r , i nh a ye ta 1 、1 9 6 7 eh u x l e y i ( l o h m a n n ，1 9 0 2 ) h a y m o l d e r , i nh a ye ta 1 ，1 9 6 7 ( 图1 - 1 ) f a m i l y ：p l e u r o c h r y s i d a c e a ef r e s n e l & b i l l a r d 1 9 9 1 细胞外覆盖着c r i c o l i t h s 球石粒。c r i c o l i t h 由一个环组成。环上有许多独特的元件 每个元件有着或高或低的镶边。中心区域覆盖着一个有机板。 g e n u s ：c r i c o s p h a e r ab r a a r u d ，1 9 6 0 ce l o n g a t ed r o o p ，1 9 5 5 cc a r t e r a ep a r k em 1 9 4 9 1 1 2 分类特征 i 细胞形态： 球石藻多是单细胞结构，偶尔为变形虫状、球菌状、四集藻形或丝状阶段。 i i 球石粒形态： 球石粒是覆盖在球石藻细胞外面的一层或多层的钙质化鳞片，其形态是多种 多样的。最简单的球石粒组成是一简单基本的圆盘，上建有钙质墙围绕边缘形成 圆柱体，这种球石粒由s y r a c o s p h a e r a ( c o r o n o s p h a e r a ) 产生。更多的混合的球 第一章前言 石粒由常见的赤潮发生者e h u x l e y i 和g e p h r y o c a p s ao c e a n i c a 产生，由两盾形物 经由一短柱连接形成。这使球石层内的邻近球石粒连结起来，增加细胞表面的凝 结力。 图1 - 1eh u x l e y i 的扫描电镜图 f i g 1 - 1 p i c t u r eo f e h u x l e y ib ys e m 图1 - 2 c p e l a g i c u s 的扫插电镜图( 引自( a m o s ，1 9 9 4 ) ) f i g 1 2 p i c t u r eo f c p e l a g i c u s b ys e m ( c i t e d f r o m ( a m o s ，1 9 9 4 ) ) 第一章前言 图1 - 3cn e o h e l i s 的扫描电镜图( 引自( a m o s ，1 9 9 4 ) ) f i g 1 - 3 p i c t u r eo f cn e o h e l i s b ys e m ( c i t e d f r o m ( a m o s ，1 9 9 4 ) ) 球石粒被认为具有多种生态功能，能保护藻细胞免受天敌捕食，促进外界营 养物质的吸收，改变细胞的浮力，会反射和折射光线等等。 但是异源球石藻( h e t e r o p h o r e s ) 生活史的某些生活形态不产生球石粒。同 源球石藻( h o l o c o c c o l i t h o p h o r e s ) 中，少数种类不产生球石粒鳞片，女n p a v l o v a g y r a n s , i m a n t o n i ar o t u n d a , c h r y s o t i l al a m e l l o s a , c h r y s o t i l as t j p n n m p r y m n e s i u m p a r v u m ，c h r y s o c h r o m u l i n ac a m e l l a , c h r y s o c h r o m u l i n aa c a n t h a 。 i i i 鞭毛形态： 1 两裸露鞭毛，等长或不等长。其中的p a v l o v a l e s 目，鞭毛上有精巧的绒毛( 非 鞭茸) 。和异鞭毛藻不同的是，在鞭毛基部没有膨胀。 2 附着鞭毛或定鞭体( h a p t o n e m a ) 普遍存在。虽然鞭毛形态都是长而细的结构， 但是却有不同的亚显微结构，有环状或者新月形排列的6 - 7 微管，其内部伴随着 内质网折叠而延伸。横截面上可见少量的单个微管和三层膜。对比典型的真核9 + 2 鞭毛，每个鞭毛杆都是由三个融合的微管组成。 1 v 色素组成：质体含有叶绿素a 、c 1 和c ：，也有b 一胡萝h 素，硅藻黄素和硅 甲藻黄素。 第一章前言 图1 - 4eh u x l e y i 的球石粒扫描电镜照片 f i g 1 - 4p i c t u r eo f e h u x l e y ic o c c o l i t hb ys e m v 细胞分裂方式： 细胞有丝分裂通常发生在夜间，推测是因为这时最少被光合作用破坏。开始 细胞分裂的第一个提示是淀粉核沿着质体的长轴伸长以及质体表面，淀粉核终点 区域一轻微凹陷的出现。接下来，内质网和叶绿体外套都陷入它们的中点。淀粉 核与质体就完成了它们的分裂。单一大型的高尔基体的分裂在核分裂之前开始， 完成于中期。如果核外膜聚合了内质网，则它会在核分裂前从内质网上分离。鞭 毛和附着鞭毛基体的复制也先于核分裂。细胞静止在间期或前期，可能含有四鞭 毛和两附着鞭毛体( h o d ，1 9 9 4 ) 。 生活史： 球石藻有着复杂的生活史，某些种具有异相世代交替，存在着单倍体和双倍 体的互相交替。正在增长的海洋种类己发现一段生活史包括同源球石粒( h o l o l i t h s ) 产生的形式和异源球石粒( h e t e r o l i t h s ) 产生的形式。尽管如此，令人注目的详 尽的证据关于有性生殖和换代，配子融合和减数分裂尚未明确写入定鞭藻的文 献。 1 2 球石藻的钙化作用 1 2 1 海洋中碳循环的生物泵系统 9 第一章前言 c o ：在大气和海洋中的转换是通过生物c 0 2 泵和碳酸钙泵以及海洋深层和表 层海水中碳的循环流来实现的。大气中c o z 进入海洋储库的过程可理解为有某 种拙气泵在工作。在表层海水中存在着3 种类型的抽气泵，一种是“溶解度泵” ( s o l u b i l i t y p u m p ) ，这是种物理泵，它与海洋环流密切相关，其原理是在高纬 度低温海水将大气中c 0 2 溶解并带入深海中。 另两种均为生物泵( b i o l o g i c a lp u m p ) 。其一是碳酸盐泵( c a r b o n a t ep u m p ) ，即 一些微型生物如球石藻、有孔虫等通过以碳酸钙( 或镁) 为原料合成自身细胞骨架 或细胞壁的方式，将大气中的c 0 2 气体转化为海水中的碳酸盐形式。m i l l i m a n ( 1 9 9 6 ) 研究证实大气中c 0 2 浓度的增加，会降低其参与珊瑚礁的形成过程，同 时降低球石藻等生物体的钙化速度( 珊瑚礁对全球c a c 0 3 生产的贡献为1 5 ) ，也 降低了其它浮游生物含钙骨骼的形成( 对全球c a c 0 3 生产的贡献 5 0 ) f f n c a c 0 3 的沉降速度。由此可见碳酸盐泵在碳循环中的作用。 其二是生物c 0 2 泵( s o f tt i s s u ep u m p ) ，指浮游植物通过光合作用g # c 0 2 气体转 化为海洋中有机碳形式。生活在上层海水中的浮游植物，通过光合作用，把c 0 2 转化成有机碳，而这部分有机碳将以颗粒沉降的方式进入下层海水，从而改变了 海一气界面c 0 2 通量和海水中有机碳的垂直通量。 近年来的研究又发现浮游生物对海洋中有机碳垂直分布的另两种主要影响 方式：( 1 ) 浮游动物的垂直分布和垂直迁移；( 2 ) 溶解有机碳在垂直方向上的物理 混合( 李宁等，2 0 0 5 ) 。浮游动物在上层海水中摄食，并且吸入0 2 排出c 0 2 ， 使海水中的有机碳和无机碳进行循环，所以浮游动物在海水中的垂直分布和昼夜 间的垂直迁移，很大程度上改变了有机碳和无机碳在海水中的垂直通量。大约1 5 5 0 浮游动物在夜间会迁移到混合层以上；而1 6 0m 以上的海水中浮游动物 的生物量在夜间会增加1 倍左右( f o w le t a l ，1 9 8 6 ) 。 浮游生物对海洋碳通量的影响主要取决于水体中的生物量，生物量越大，浮 游生物所带来的碳通量越大，其在海洋中总碳通量所做的贡献也越大。不同的季 节和不同的海域，浮游生物的生物量都是不同的，幽此导敛增加的碳通量也是不 同的。j g o f s 的调查结果表明，在全球海域中，浮游生物全年对海洋碳通量的 贡献平均达到t 2 4 ( 5 4 2 ) ( l o n g h u r s te ta 1 ，1 9 9 0 ) 。呼吸利排泄是浮游 生物( 包括浮游动物和浮游植物) 驱动海洋碳循环的主要方式。 0 第一章前言 1 2 2 球石藻中c a e g 3 的产生机制 三叠纪晚期( 约2 2 0 ，0 0 0 ，0 0 0 年前) 含钙微型浮游生物的出现标志着深海 碳酸钙沉积物的开始。今天我们看到的大量白垩石和石灰石沉积物是由球石藻和 有孔虫的钙质化形成的。地质岩石圈中还有很多他们的化石。球石藻通过参与两 个c o ：泵即生物c o ：泵和碳酸盐泵来影响全球的碳循环。一方面，作为海洋浮游 植物的成员，球石藻消耗真光层中的c 0 2 ，通过光合作用固定c o z ，把c 0 2 转变 成有机物( c 0 2 + h 2 0 c h e o + o d ，完成大气的c 0 2 甸水中的转移。另一方 面，球石藻通过形成c a c o ，球石粒，在钙质化过程中产生c 0 2 ( c a 2 + + 2h c 0 3 一一 c a ( 2 0 3 + c 0 2 + h 2 0 ) 。这一碳酸盐泵过程降低了海水表层的碱度( a l k a l i n i t y ) ( 碱度= h c 0 3 + 2 c 0 3 2 - ) ，可以促进了c 0 2 进入大气层。一定量的g a 9 0 3 会再溶解到水中，低水平的释放c 0 2 ，而剩余部分被保存在深层沉积物中 ( m i l l i m m a ，1 9 9 3 ) 。且球石藻死后的残骸在向下沉降过程中，也能够低水平地 释放c 0 2 ，促进c 0 2 从表层泵入深海的迁移。现在，海洋球石藻是大洋c a c 0 3 和 c 0 2 的一个主要生产者。球石藻对深海c a c 0 3 流量的贡献从小于2 0 至超过9 0 不等，这与季节和地理分邗有关( t a k a h a s h i ，1 9 9 4 ：t a n a k ae t a l ，2 0 0 1 ) 。因 此，球石粒产量的显著增加或减少，特别是球石藻发生大面积水华时，将会影响 到大气c 0 2 浓度。球石藻c a c 0 3 球石粒的生产率是通过球石藻数量的变化或者单 位球石藻c a c 0 3 生成水平的变化来实现的。 因此，球石藻形成的有机碳和c a c 0 3 是对c 0 2 的不同作用，前者消耗c 0 2 ， 后者产生c 0 2 。c c a c 0 3 比率是有机碳和从表层到底层的g a 9 0 3 的相对流通量。 c c a c 0 3 比率增加，则表层c 0 2 减少，海水碱度增加，大气中的更多c 0 2 进入水 体( m a r s h ，2 0 0 3 ) 。 1 2 2 1 球石藻中球石粒的产生过程 对于球石藻的细胞结构和球石粒的形成机理，国际上研究得最多的是e h u x l e y i 。下面，以eh m c l e y i 为例来说明其球石粒的形成机理。 由图l 一5 可以看见，单细胞的eh u x l e y i ，细胞内有很多细胞器，占优势地位 的是叶绿体，内含以叶绿素a 和叶绿素c 为主的光合色素。细胞核位于细胞近巾 心位置，核膜与细胞内的网状膜系统相连，内质瑚通过网状系统与细胞膜相连， 这些膜系统均由高尔基体产生。细胞内的内质网非常发达，有着曲折的表面，这 第一章前言 有利于大量矿质离子转运进入囊泡。球石粒是在细胞内通过高度的有机过程产生 的。细胞只能一个一个单独地形成球石粒，然后在靠近核膜的球石囊泡内发育。 囊泡上方的网状体是控制球石粒形成的结构。网状体与高尔基体分离，但两者仍 有密切的联系，在电镜下可以观察到两个细胞器之间有许多微囊泡。其他种类球 石藻中，囊泡由高尔基体形成，不存在网状体。球石粒形成后，囊泡向细胞边缘 移动，并与细胞膜融合，这样球石粒就被排到细胞表面了( s i i r e s 1 9 8 2 ) 。因为球 石粒的主要成分是c a c 0 3 ，不是有生命的结构，所以它只是死的无生命的物质结 构，就象人的指甲或软体动物的壳。 图1 5e 肌饼切的细胞结构示意图( 摘o v e s t b r o c k , 1 9 8 9 ) ) f i g 1 5d i a g r a mo f e h u x l e y ic e l ls t r u c t u r e ( c i t e df r o m ( w e s t b r o e k , 1 9 8 9 ) ) 细胞膜外的球石粒包被着藻细胞，构成了球石层。但是在eh u x l e y i 生活史 的某个时期，藻细胞不产球石粒，没有球石层。在eh u x l e y i 细胞外的球石层， 通常是覆盖一层，有些球石藻种类外被的球石层会多至两层，甚至更多。 1 2 2 2 h u x l e y i 的球石粒形成的调控机制 球石藻球石粒形成的调控过程一直是一个研究热点，了解这种生物矿化机 第一章前言 制，具有十分重要的意义。 ( 1 ) 与营养盐水平和环境囚子有关。很多学者认为水中可利用的c 0 2 浓度决定 了球石藻的生长速率和钙化效率。r i e b e s e l l 等( 2 0 0 0 ) 报道了通过在单种球石藻 e h u x l e y i ； d g o c e a n i c a 的培养液中增i j n c 0 2 的浓度从而减少了钙质球石粒的形 成。e r i k 等( 1 9 9 9 ) 研究认为，低浓度的c 0 2 和低h c 0 3 一使eh u x l e y i 生长率降低，低 浓度h c 0 3 - 条件培养钙化作用甚至会停止，且较之c o ，2 _ ，h c 0 3 - 更利于球石藻 的钙化作用。p a a s c h e ( 1 9 9 8 ) 则认为营养盐供给不足的培养条件下，产生的球 石粒脱落在细胞外。在氮盐或者磷盐严重缺乏的条件下，处于有钙质外壳时期的 钙化细胞( c c e l l ) 球石粒脱离更厉害。氮缺乏条件下钙化作用减少了，而磷 缺乏的条件下钙化作用则加强。无论氮还是磷的缺乏对球石粒的形态都有一定程 度的影响。eh u x l e y i 的裸细胞( n c e l l ) 在磷限制的条件下却能诱导球石粒的生 成，但生成的球石粒形态异常。结果说明，一方面球石粒的形成在一般情况下更 火程度的取决于细胞的分裂复制；另一方面球石藻存在某个生活史时期，其细胞 内的氮、磷成分含量对球石粒的钙质化有着特定的影响。另外，p a a s e h e ( 2 0 0 2 ) 还发现球石藻的球石粒形成过程需要依赖光，特别是蓝光的作用。 ( 2 ) 与球石藻所处的生活史阶段有关。eh u x l e y i 生活史中有三种不同的细胞类 型，分别称为c c e l l 、n c e l l 和s c e l l ，它们都可以通过无性繁殖保持各自的类型。 其中c c e l l ，是外被有球石粒，无运动能力的一类细胞，这是一种较为常见的状 态。n 。c e l l ，为裸露的无运动能力的一类藻细胞。s - c e l l ，即具有鳞片，能运动且 具有一定分裂能力的游动孢子。将c c e l l 培养在固体培养基里能诱导n s c e l l 的生 活阶段，且可以保持长达两年( c h a n t a b 。 ( 3 ) 钙化调控的细胞学和分子生物学研究。科学家在多种海洋浮游植物细胞发 现了活性细胞外碳酸酐酶( c a ，e x t r a c e l l u l a rc a r b o n i ca n h y d r a s e ) ，一种能将水q j 的h c 0 3 - 转运到细胞内进行催化和利用的酶。缪晓玲等( 2 0 0 2 ) 分析认为 eh u x t e y i 在碳受限条件下才具细胞外c a 。cp e l a g i c u s 即使在碳受限条件下也 未检测到细胞外c a 活性，它是通过阴离子交换机制进行h c 0 3 一的直接利用。 c a 具有种属的特异性。而分子生物学的研究方面，研究球石藻的钙化调控已成 为越来越多人关注的焦点，但目前仍处于研究阶段，尚无定论。 第一章前言 1 3 海洋藻类d m s 的产生 二甲基硫( d m s ，c h 3 s c h 3 ) 是海洋中最丰富的挥发性硫化物，l o v e l o e k 等 ( 1 9 7 2 ) 首次测出海水中d m s ，并指出d m s 在海洋挥发性硫化物中占主导地 位，其释放量占海洋中硫释放量的5 5 一8 0 ，占全球天然硫排放总量的5 0 以 上( m a l i n ，1 9 9 7 ) 。由于d m s 在全球海洋痕量气体排放中占有举足轻重的地位， 并对全球气候变化和酸雨形成产生重要的影响，2 0 世纪8 0 年代以来，d m s 及 其相关硫化物的研究受到各国学者的关注并成为海洋科学领域中的研究热点之 1 3 1 藻细胞内d m s 的产生及释放 1 3 1 1 藻细胞内d m s 的前体一d m s p 的合成 d m s 的前身二甲基硫丙酸( d m s p ，( c h 3 ) 2 s c h 2 c o o h ) 广泛存在于浮游植 物中，是一种藻类的硫代谢产物。海洋环境中的微型、大型藻类和盐生植物都是 d m s p 的丰富来源。许多海洋藻类都具有合成与积累d m s p 的能力，而且不同 藻类产生d m s p 的能力有很大差异。一般来说，定鞭藻、甲藻及某些硅藻是d m s p 的高产类群( 4 0 0m m o l l ) ，许多含叶绿素a b 的单细胞藻类是微量d m s p 的生 产者( 5 0r e t o o l l ) ( m a l i n ，1 9 9 7 ) 。而在高d m s p 生产者中，定鞭藻中的球石 藻( e m i l i a n i a ) 和棕囊藻( p h a e o c y s t i s ) 被认为是其中最为重要的种类。尤其 是球石藻，其释放d m s 的潜力极高，在发生大面积的球石藻水华时，特别在接 近其生长稳定期与衰亡期时藻体产生的d m s p 及释放到外界中的d m s 对于局部 甚至整个海域环境、大气状况以及酸雨、酸雾形成都会产生很大的影响。 藻细胞通过同化硫酸盐还原成硫化物而获得硫，其过程需要一个a t p ，6 个 电子和2 个巯基的氧化，或者一个a t p 和8 个电子。生成半胱氨酸后，半胱氨 酸的巯基转移给0 一磷酸高丝氨酸，产生高半胱氨酸，随后通过甲基化生成蛋氨 酸( g i o v a n