硅藻休眠孢子的生活史与研究意义

    唐启航 宋德瑞 于潇 卢钰博 赵振军 崔龙波

    摘?要：休眠孢子的形成是硅藻的一种繁殖方式，又是硅藻应对环境变化的一种生存适应策略。了解硅藻休眠孢子的生活史，掌握其形成条件与萌发规律，对古环境科学的研究、新型材料与能源的开发和海产养殖均有重要影响。同时，硅藻休眠孢子是诱发赤潮的直接原因之一。本文通過查阅文献，综述了硅藻休眠孢子的生活史及其在不同领域中的研究意义和经济价值。

    关键词：硅藻;休眠孢子;生活史

    休眠孢子是海洋硅藻和某些淡水硅藻生活史中出现的重硅质化阶段[1]，是硅藻通过在胞质分裂期间形成硅质沉积囊泡，提供酸性环境，再通过硅藻蛋白促使硅酸Si（OH）4沉淀成硅质纳米球，最终形成新的硅藻外壳[2]。不同的硅藻具有不同的硅藻蛋白，并通过不同的多胺链互相连接，从而决定了硅藻外壳的装饰类型，使得每个硅藻极具特点[2]。

    探究硅藻休眠孢子的生活史，不仅可以补充完善有关硅藻生物特征的相关知识，同时能够对资源开发与利用提供更多的选择。本文将介绍硅藻休眠孢子的生活史，并分别从古环境科学、硅藻土、生物柴油、海产养殖和赤潮五个方面阐述与硅藻休眠孢子的关系，以期为各学科及领域的发展提供新的思路。

    1?硅藻休眠孢子生活史

    1.1?硅藻休眠孢子的形成原因

    硅藻休眠孢子的产生与生活环境的变化密切相关，当环境条件如营养盐、温度、光照、pH值以及盐度等发生改变都有可能诱导休眠孢子的形成[3]。研究表明[3-9]，氮限制是硅藻形成休眠孢子的主要原因。

    在氮限制的基础上，也有研究探讨了影响硅藻形成休眠孢子可能存在的其他诱因。郑磊等[4，9]探讨了光照、温度以及盐度的改变对中华半管藻（Hemiaulua sinensis）形成休眠孢子的影响，发现当以上条件均处于极限状态或急剧变化时，均未能诱发孢子形成;李朗等[8]发现较高浓度的磷对布氏双尾藻（Ditylum brightwellii）休眠孢子的形成具有促进作用;孙琳等[7]认为在低氮高硅的条件下扁面角毛藻（Chaetoceros compressus）休眠孢子的形成率最高。上述研究说明休眠孢子的形成是多种因素组合诱发的，且不同硅藻对不同环境条件的胁迫压力有不同的反应。

    总的来说，硅藻休眠孢子的形成均需要环境条件的快速变化，氮限制是大部分硅藻形成休眠孢子的必须条件，其它环境条件的改变或限制能够促进或抑制这一过程的发生。

    1.2?硅藻休眠孢子的形成途径

    硅藻休眠孢子的形成存在无性生殖和有性生殖两种途径，以无性生殖为主[3]。休眠孢子通常发生在有丝分裂之后，原生质收缩，液泡及各种内含物消失，上、下壳形成厚壁[2]，部分休眠孢子的产生过程与正常的有丝分裂过程相似[4]。通常一个母细胞只产生一个休眠孢子，位于母细胞的中央或一端，少数物种能在一个母细胞内产生两个休眠孢子[10]。

    有性生殖的方式较为特殊，其休眠孢子存在于复大孢子中，丹麦细柱藻（Leptocylindraceae danicus）、微小细柱藻（Leptocylindraceae minimus）具有此特点[11-12]。紧密角管藻（Cerataulina compacta）则以无性生殖和有性生殖两种途径产生两种类型的休眠孢子[5-6]。

    1.3?硅藻休眠孢子与营养细胞大小的关系

    因硅藻类似于“培养皿”的独特外壳结构[13]，导致硅藻在不断繁衍的过程中会有细胞越来越小的情况，这是不同种类的硅藻休眠孢子对营养细胞的大小具有物理选择性的直接原因[1]。

    紧密角管藻中无性休眠孢子的形成需要不小于一定大小的营养细胞，而有性休眠孢子的形成因需要先形成复大细胞，故还限制营养细胞不能大于一定大小。皇冠角毛藻（Chaetoceros diadema）、布氏双尾藻和塔形冠盖藻（Stephanopyxis tuirs）的休眠孢子能在任何大小的营养细胞中产生[3]。硅藻休眠孢子的形成对营养细胞的大小的选择，表明休眠孢子需要一定物质基础才能形成，这与硅藻在极端环境条件下不出现休眠孢子的现象相符。

    1.4?硅藻休眠孢子的形成速度

    双突角毛藻休眠孢子的形成全过程一般需要48小时，较快的24小时便已成熟，但在氮贫乏的情况下升高培养环境的盐度又会加速此形成过程[3];紧密角管藻通过有性生殖产生的休眠孢子无论是形成速度还是萌发速度均比通过无性生殖产生的孢子缓慢[6]。不同种硅藻形成休眠孢子的速度不同，同种硅藻的不同个体间也存在差异，环境条件的改变也会影响休眠孢子的形成速度。

    1.5?硅藻休眠孢子的存活时间

    温度、光照和保存时间对休眠孢子的存活都是重要的因素[1]。休眠孢子在低温、营养限制和暗环境条件下保存，存活时间能够延长[14-16]。不同硅藻的休眠孢子表现出不同的存活机制，索氏短缝藻（Eunotia soleirolii）在遭遇高温环境时会形成休眠孢子，需要长时间的暗环境和低温条件下才能打破休眠，其休眠孢子的存活期可达到3年[2]。在相同的保存条件下，紧密角管藻通过有性生殖产生的休眠孢子存活时间要比无性生殖产生的休眠孢子更长，应是基因重组后的子代具有更强生命力的原因[5-6]。相同硅藻的休眠孢子因生活环境条件的不同，个体的存活时间也不同。

    1.6?硅藻休眠孢子的萌发

    硅藻休眠孢子在萌发期间，将经历与形成几乎相反的一系列变化[1]，包括原生质体重新吸涨、细胞器的增生和贯壳轴的延长[4]。大部分休眠孢子在萌发后，通常会抛弃原本的上、下壳，新形成的营养细胞会重新生成初生壳和次生壳[3-4，6]。冠盖藻（Stephanopyxis sp.）较为特殊，其休眠孢子首先延长，然后进行一次有丝分裂，产生两个新的营养细胞，每个细胞将会保留孢子的一个壳作为初生壳[17]。在解除氮限制后，部分品种的硅藻休眠孢子萌发有明显的滞后期，一些角毛藻（Chaetoceros sp.）和丹麦细柱藻的孢子更需要强制性短暂休眠期[1]。应是需要一定的营养准备时间，为细胞生长和细胞分裂提供物质基础。

    温度和光照条件是诱导休眠孢子萌发的重要因素，但适宜的光暗周期是迅速诱导休眠孢子萌发的关键[3-4，6]。硅藻休眠孢子在氮限制消失且其它环境条件适宜的情况下能迅速萌发，此生活史特征是部分海域多发季节性赤潮的直接诱因。

    1.7?硅藻休眠孢子生物学作用

    硅藻休眠孢子具有如下生物功能：

    保护作用：休眠孢子的形成是使个体度过不良环境条件的生态适应阶段;免于被动物摄食时孢子外壳遭到破坏;抵抗细菌的侵染[1];回避在环境条件不利时的生存竞争[18-19]。

    繁衍：休眠孢子作为硅藻种群的种源保存下来，为新种群的形成提供可能，也是硅藻季节性赤潮的种源;不论是通过形成复大孢子产生休眠孢子的有性生殖途径[5-6，20]，还是无性生殖产生的休眠孢子，发育形成的子细胞较母细胞都大，均具有恢复细胞大小的功能[2，10]。

    传播：休眠孢子的形成会加速硅藻细胞的沉降率[21-24]，使其从表层水沉降到深层水或吸附到礁石、大型藻类、海洋动物的体表等处，同时更容易受气候、水流、人类活动等因素影响，传播、扩散到其他适宜生长的地区中形成新群落[1]。

    影响水体营养的结构：部分硅藻的休眠孢子会集聚形成絮状物，将水体中的碳、氮、硅等物质携带到底质，影响水中的营养物质循环[1]。

    硅藻休眠孢子作为硅藻生活史中重要的一环，为种群提供了更强的环境适应能力，为种群的繁衍提供更多的可能性，且使硅藻较其他微藻更易形成化石保存，对研究海洋生态结构和环境条件的变化具有重要意义。

    2?研究硅藻休眠孢子的意义

    2.1?硅藻休眠孢子与古环境研究的关系

    硅藻在死亡后，细菌会分解环绕在硅质外壳周围的有机膜，在某些情况下，硅质外壳仍会完整保留并堆积于水底[2]，经溶解、搬运、沉积和前期成岩等作用最终形成硅藻化石[22]。

    地层中的硅藻化石蕴含着丰富的地质时期的环境与年代信息，是追溯地质环境变化的重要生物标志，通过现代技术定量研究现代硅藻分布与环境变量之间的关系，并将其应用于研究沉积物中的硅藻化石组合，从而为定量研究古环境、古气候提供可靠依据[23]。

    2.2?硅藻休眠孢子与生物柴油的发展

    生物柴油是以生物体油脂为原料，通过分解、酯化而得到的长链脂肪酸甲酯，是一种可以替代普通柴油使用的环保、可再生能源，具有燃烧性能高、使用安全、获得成本低、污染小等特点[25]。在众多原料中，微藻具有生长周期短、太阳转换率高、饱和脂质的生产率高、易于培养及低成本的特点[26]。以微藻生物柴油作为发展方向既能研发具有潜力的新型生物能源，还可以缓解我国土地资源紧张的态势[27]，故具有广阔的开發利用前景。

    迄今为止，已测定脂肪酸含量的微藻达上百种，但目前作为原料的微藻仅有绿藻、硅藻和部分蓝藻[27]。林均民等[3]和郑磊等[4，9，21]分别在双突角毛藻和中华半管藻的研究中报道了在休眠孢子形成期间孢子内脂肪的积累明显增多，能通过光学显微镜观察到明显的油点的情况。

    硅藻休眠孢子较营养细胞含油量有明显提升的现象，应能为基因工程领域中寻找发现其相关基因和通过微藻培养技术提升产油量提供可能方向。

    2.3?硅藻休眠孢子对海产养殖的作用

    随着微藻资源的开发和综合利用水平的提高以及规模化养殖工艺日趋成熟，微藻在水产养殖中被广泛使用，提高了鱼、虾、贝类与藻类等浮游生物之间的相互作用[27]。而目前能大规模在苗种生产中推广应用的微藻只有20多种，硅藻作为无脊椎动物如桡足类的首选食物[2]，占推广苗种近半数（11种），其中更以海洋硅藻为主[27]。

    因休眠孢子被称为硅藻的“种子”[7]，掌握其形成和萌发条件，将其作为“种源”进行储存和使用，或提前通过人为控制海域中休眠孢子的萌发时间，为控制养殖海域的营养物质含量和海产的质量提供可能。

    2.4?硅藻休眠孢子对赤潮形成的影响

    硅藻在赤潮的形成中扮演重要角色。其中骨条藻、海链藻和短角弯角藻等硅藻是黄海赤潮发生的主力军[28]。因形成赤潮的硅藻和大部分甲藻[29]均有形成休眠孢子的生活史特征，在赤潮多发的春、夏季节，温度、光照、水流等条件的变化，会导致沉积在海洋中的休眠孢子萌发，出现物种的个体数量急速上升的现象，又在短时间内导致在赤潮影响范围内有限的营养盐浓度降至接近于零的水平[2]，形成突发性的营养胁迫，导致新的休眠孢子形成，再次成为下一次赤潮发生的“伏笔”。中肋骨条藻在营养盐含量或其他环境条件成为其限制因子时，在同一条中肋骨条藻链上的细胞会同时形成休眠孢子，等到环境适宜时，休眠孢子再同时萌发，短时间内形成大规模赤潮[30]。故此生活史特点使部分海域的赤潮常年发生。

    研究浮游植物群落结构变动和赤潮生物形态变化，利用海底耕耘法[18]，在有害鞭毛藻产生赤潮时，使海水里硅藻的休眠孢子提前萌发，与之形成生存竞争，可抑制赤潮的发生。

    3?建议与展望

    国内对硅藻休眠孢子的研究起步较晚，相关研究工作较少，但研究硅藻休眠孢子，既是对硅藻生态学和分类学相关知识的重要补充，探究其与多方面学科与应用的相关性，又能为相关发展提供可能性与新思路，例如在产生生物柴油的新型经济价值的同时，能减少赤潮导致的经济损失。随着分子生物学技术的发展和研究手段的丰富，对硅藻休眠孢子的相关研究应能焕发新的活力。

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    Abstract：The formation of resting spores of diatoms，is a breeding mode and a survival strategy of adaptation to cope with environmental changes.Understanding the life history，formation conditions and bourgeon rules of resting spores of diatoms has important effects on the study of paleoenvironmental science，the development of new materials and new source of energy，and the cultivation of marine products.Similarly，the resting spores are one of the direct causes of red tides.In this paper，through consulting documents and books，the life history of resting spores and its research significance and economic value in different fields are reviewed.

    Key words：diatom; resting spores; life history