地中海大型海藻光合响应差异揭示热光胁迫下绿藻和红藻优于褐藻的生理机制

《Scientific Reports》：Different photosynthetic responses to heat and light favour green and red over brown macroalgae in the mediterranean sea

　　本研究针对气候变化导致的地中海海水升温和光照增强，通过全因子实验探究了褐藻（Cystoseira）、红藻（Phyllophora）和绿藻（Flabellia）的光合生理响应。研究发现高温（30°C）与强光（760 μmol photons m-2 s-1）协同胁迫下，褐藻光合作用近乎停止，P:R比接近代谢失衡；而红藻和绿藻能维持较高光合效率和代谢稳定性。该结果揭示了气候驱动下大型海藻群落演替的生理基础，对预测海岸带生态系统结构变化具有重要意义。

　　

随着全球变化的加剧，海洋环境正经历着温度升高和光照增强的双重压力。在地中海这样的半封闭海盆，海洋热浪发生频率显著增加，导致从表层至45米深度的底栖生物大规模死亡，其中刺胞动物、苔藓动物和红藻门生物受影响尤为严重。同时，温跃层（水温跃变层）的形成时间提前且持续时间延长，加剧了水体分层，限制了营养盐的垂直输送，导致表层营养匮乏。这反而抑制了浮游植物的生长，增加了深水区的光照强度。然而，局部人为压力如富营养化引起的丝状藻华，以及海岸开发和土地利用变化导致的沉积物径流，又可能降低光照可用性。因此，在气候变化和局部干扰的共同作用下，温度和光照格局预计将在不久的将来发生显著转变。

温度和光照是控制光养生物生理过程最关键的环境因子。例如，净光合作用通常随温度升高而增加，直至达到类群特异的最适温度，超过此温度，酶变性（酶失活）和呼吸作用增强可能导致净碳损失。这种平衡通常通过光合作用与呼吸作用的比率（P:R）来体现，该比率可作为代谢性能的代理指标。在低光或高温下，P:R比可能降至1以下，表明光合能力下降并可能出现碳亏缺。过量的光胁迫还会通过光抑制（强光导致光合机构受损）进一步降低光合能力。然而，一些大型藻类可以通过增强碳同化和生长而从升高的光照和温度中受益，表现出较高的生理可塑性。因此，温度和光照共同定义了大型藻类的非生物生态位空间及其形成和维持栖息地的能力。类群间对变化的光照和温度水平代谢响应的差异，很可能导致底栖初级生产者（如大型藻类）的群落演替。

大型藻类是沿海系统中最丰富的底栖初级生产者之一，它们改变栖息地结构并支撑着无脊椎动物、鱼类和附生生物的多样化群落。在地中海，功能不同的类群占据着不同的生态位。例如，红藻门（Rhodophyta）的叶藻属（Phyllophora）在岩石基质上形成密集的垫状层，创造了复杂的微生境，能够减弱水流和光线穿透，支持高多样性的无脊椎动物，并增强整体底栖生物多样性。褐藻门（Ochrophyta）的囊叶藻属（Cystoseira）形成水下森林，其冠层通常高达20-30厘米，这种三维结构通过为无脊椎动物、鱼类和附生生物提供必要的栖息地来增强生物多样性。绿藻门（Chlorophyta）的扇藻（Flabellia petiolata）栖息在光照良好的硬质基质上，通常存在于植物社会（特定栖息地的集体植被结构）中，常与大洋波喜荡草（Posidonia oceanica）草甸共存。与低矮的垫状藻类或直立的森林形成类群不同，扇藻在基质表面附近形成更分散、斑块状的覆盖层。尽管其物理结构有限，但它能增强底栖稳定性并寄宿多样化的附生生物类群，包括钙质藻类和管栖蠕虫。然而，这些主要大型藻类群落的组成变化正变得越来越明显：大型冠层形成藻被机会主义或草皮形成物种和/或入侵物种（如石莼属Ulva spp.或锥囊马尾藻Sargassum muticum）所取代，这些物种通过形成密集的过度生长来排挤本地群落，导致硬底栖息地向简化的、藻类主导的群落转变。这些变化与温度、光照可用性和富营养化等环境参数的变化有关，但藻类群落对这些参数的生理响应的潜在类群特异性差异在很大程度上仍是未知的。

为此，研究人员研究了三种代表性大型藻类群——红藻叶藻属（Phyllophora）、褐藻囊叶藻属（Cystoseira）和绿藻扇藻（Flabellia）——对不同光照和温度水平组合的生理性能。他们量化了净光合作用（P_net）、总光合作用（P_g）、呼吸作用（R）以及P:R比，实验设计为三种光照和三种温度水平的全因子组合。研究旨在回答：（i）温度如何影响氧气通量；（ii）光照可用性如何影响氧气通量；（iii）这些效应是否交互影响三种藻类的氧气通量。研究假设升温会降低净光合作用和P:R比，且类群间变异反映了热最适点和代谢灵活性的差异；同样，光合性能会随光照可用性增加而增加，直至达到类群特异性阈值，超过此阈值光抑制会损害碳同化；最后，预计温度和光照会相互作用，联合胁迫放大代谢损伤并有利于耐胁迫类群，但观察到的响应因物种而异，反映了不同的生理敏感性。

为开展研究，作者团队于2021年9月在意大利吉廖岛的海洋生物研究所实验室进行了实验。藻类样本通过水肺潜水在托斯卡诺群岛国家公园内吉廖岛西北海岸的Punta del Fenaio潜水点（42°23'19.98"N, 10°52'47.92"E）采集，采样深度为20-22米。样本在3天内进行代谢培养测定。氧气通量测量在560 mL的培养室中进行，藻类材料小心放入室内，同时设置无藻类的海水对照以校正浮游背景代谢。培养室密封无气泡，随机置于四个独立的恒温水浴中，温度在处理温度下达到平衡。培养室持续搅拌（200 rpm）以确保充分混合。先进行2小时光照培养，随后进行1.5小时黑暗培养。培养前后立即使用WTW Multi 3430多参数仪测量溶解氧浓度，确保氧水平在黑暗培养中高于50%饱和度，在光照培养中低于120%饱和度，以避免严重影响藻类生理的缺氧或高氧条件。根据光照和黑暗培养测量的溶解氧（O₂）浓度分别计算净初级生产（P_net）和暗呼吸（R_dark）。氧通量经海水对照信号校正后，与培养体积相关，并归一化到 incubated 藻类样本的表面积。样本表面积通过将其压在覆有网格纸的玻璃板下拍照，并使用Photopea在线软件进行自动底物选择量化，再乘以2以考虑藻体两面。P:R比通过先计算总光合作用（P_g = P_net + |R|），再用P_g除以|R|得到。为改善数值可读性，代谢速率从μmol O₂ cm^-2 h^-1转换为nmol O₂ m^-2 s^-1（换算因子为2,777.78）。数据分析使用R语言（版本4.5.0），使用线性混合效应模型和广义线性模型（Gamma分布）分别分析净光合作用和P:R比。

研究结果

光合性能对热和光胁迫的响应

地中海大型藻类的光合性能对联合增温和光胁迫响应强烈，且具有类群特异性模式。显著的三因素交互作用（温度 × 光照 × 类群：F=2.32, p=0.023）表明，净光合作用取决于每个类群内特定的温度-光照组合。尽管温度（F=9, p<0.001）、光照（F=16.59, p<0.001）和所有两因素交互作用（p<0.001）均显著，但由于存在更高阶的交互作用，这些效应不单独考虑。

囊叶藻属（褐藻）的敏感性

在基线条件（对照温度21°C，对照光180 μmol photons m^-2 s^-1）下，囊叶藻属的净光合作用（19.72 ± 1.67 nmol O₂ m^-2 s^-1）与叶藻属无显著差异，但显著高于扇藻。P:R比为3.64 ± 0.34，呼吸速率约为-7.6 ± 0.62 nmol O₂ m^-2 s^-1。单独升温（中等温度26°C，对照光）导致光合作用下降至12.43 ± 1.67 nmol O₂ m^-2 s^-1，P:R比降至2.05 ± 0.19，同时呼吸显著增加至-11.8 ± 0.52 nmol O₂ m^-2 s^-1。在对照温度下单独高光（760 μmol photons m^-2 s^-1）导致光合作用显著下降至7.75 ± 1.67 nmol O₂ m^-2 s^-1，表现显著差于叶藻属，P:R比降至2.46 ± 0.23。在双重胁迫（高温30°C，高光）下，囊叶藻属的净光合作用进一步降至2.59 ± 1.67 nmol O₂ m^-2 s^-1，表现显著差于扇藻和叶藻属，P:R比降至1.32 ± 0.13，呼吸保持较高水平（-10.3 ± 0.85 nmol O₂ m^-2 s^-1），表明在热和光联合胁迫下光生理补偿失败。

叶藻属（红藻）的耐受性

在基线条件下，叶藻属的净光合作用与囊叶藻属无差异，但高于扇藻。P:R比为3.32 ± 0.31。叶藻属在中度升温和中等光照下保持光合稳定性，在高温高光下表现良好，显著优于囊叶藻属，与扇藻无显著差异。P:R比保持较高水平（3.66 ± 0.35），呼吸速率中等（-8.28 ± 0.63 nmol O₂ m^-2 s^-1），表明叶藻属通过增强光合能力而非降低呼吸需求来维持净自养。

扇藻（绿藻）的强韧性

在基线条件下，扇藻的光合作用和呼吸速率均低于其他类群，P:R比为4.24 ± 0.40。扇藻在中等升温和中等光照（26°C, 320 μmol photons m^-2 s^-1）下达到峰值性能，光合作用升至17.59 ± 1.67 nmol O₂ m^-2 s^-1，P:R比升至5.88 ± 0.56。在双重胁迫下，扇藻维持高净光合作用（17.89 ± 1.67 nmol O₂ m^-2 s^-1），显著优于囊叶藻属，与叶藻属无显著差异。呼吸保持中等水平（-6.44 ± 0.50 nmol O₂ m^-2 s^-1），P:R比保持较高（3.75 ± 0.36），支持其更强的代谢韧性。

P:R比揭示的代谢效率

P:R比的变化模式提示了类似的结构：虽然高光总体上降低了代谢效率，但交互项再次指向类群特异性和非加性效应。扇藻和叶藻属在各种条件下维持了自养性能，而囊叶藻属在双重胁迫下接近代谢失衡（P:R ≈ 1）。

讨论与结论

本研究清晰地展示了地中海大型藻类群落对温度和光胁迫的生理响应存在类群特异性变异。虽然所有三类藻类都经历了变化，但变化的幅度和方向在属间存在显著差异。温度和光照水平的联合增加导致了最强烈的功能损害，尤其是在囊叶藻属中，其光合作用下降，呼吸需求增加，导致代谢失衡。研究结果表明，预测的气候驱动下的温度和光照可用性变化可能影响单个类群，并改变大型藻类群落内的竞争等级和群落结构。

在基线条件下，褐藻囊叶藻属具有与红藻叶藻属相似的高净光合作用和呼吸速率，而绿藻扇藻显示出显著较低的光合和呼吸速率。扇藻通常被归类为机会主义或耐胁迫物种，适应于环境条件可变较大的栖息地，其资源分配更侧重于在可变条件下的韧性和持久性，而非高速代谢。相比之下，囊叶藻属是稳定贫营养环境中的基石物种，进化出了高效碳和营养同化系统，以有效竞争光照和空间。叶藻属通常与类似稳定的清水栖息地相关。升高的温度与光照相互作用导致光合和呼吸通量的类群特异性变化，支持了胁迫效应会相互作用且损害程度因类群热最适点和代谢灵活性而异的假设。囊叶藻属在中度升温（26°C）下表现出净光合作用最急剧的下降，同时伴随着呼吸的显著增加，将其P:R比降至接近代谢失衡的水平。当升温与高辐照度同时发生时，这种损害最为严重，表明在双重胁迫下，光是主导胁迫因子，而温度加剧了衰退。这种模式与海洋热浪期间囊叶藻属冠层退化的野外报告一致，表明其热补偿能力有限且耐弱光性低。与绿藻和红藻相比，许多褐藻对联合光和热胁迫的保护机制（如非光化学淬灭NPQ能力和热休克蛋白表达）较差，这可能限制了其应对同时发生的高光和升温的能力。相比之下，叶藻属和扇藻在升温与光相互作用下保持了较高的光合稳定性。叶藻属显示出P:R比的适度下降，但在高光胁迫下通过增加总光合作用补偿了升高的呼吸需求，而扇藻在中等和高光以及这些光水平下的低温条件下维持了高光合速率和低呼吸。这些结果表明，红藻和绿藻可能在短期热胁迫下比褐藻冠层形成者更有效地维持光合活性，可能表明其对升高温度具有更高的耐受性。许多绿藻拥有在其叶绿体内浓缩CO₂的主动机制，即碳浓缩机制（CCMs），这有助于在热胁迫等次优条件下稳定光合性能。在升高温度下，CO₂在水中的溶解度降低，Rubisco（核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶）对CO₂的亲和力减弱，但绿藻中的CCMs使其能够围绕Rubisco维持足够的无机碳，即使在热胁迫下也能维持光合作用；这很可能解释了其相对于通常CCMs发育较弱的褐藻具有相对更大的耐热性。高效的CO₂获取与平衡光合碳增益和光保护成本的能力相结合，可能使扇藻等绿藻在我们实验中的升高温度下保持稳定的光合性能。

光照可用性以类群和温度依赖的方式调节光合性能，支持了光合性能会随光照可用性增加而增加直至达到类群特异性阈值，超过此阈值光抑制会损害碳同化的假设。在高辐照度下存在光抑制的证据，但其幅度甚至方向性随温度而变化。这些差异可能反映了色素组成和光保护机制的变异，表明不同类群间光最适点和耐受阈值不同。叶藻属的光响应取决于温度。在对照温度下，高辐照度时净光合作用下降，与适应遮荫的光捕获一致；在升温下，光合作用随高辐照度增加，表明在升高光水平下存在补偿。作为红藻，叶藻属拥有藻胆蛋白（如藻红蛋白和藻蓝蛋白），这些蛋白与藻胆体结合，与所有光合藻类共有的叶绿素a一起，通过吸收绿到橙红色波段的光，在弱光环境下促进高效的光捕获。尽管有研究表明叶藻属在高辐照度下会发生光抑制，但其可能通过积累吸收紫外线的类菌孢素氨基酸（MAAs）来减轻损伤，MAAs可作为天然防晒剂减少光抑制效应。与其他类群相反，扇藻在温度升高时在中等光照下达到其光合作用峰值，而在对照温度下，速率在光水平间保持较低且仅有 modest 差异。作为绿藻，扇藻含有叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素。叶绿素b拓宽了吸收光谱，而类胡萝卜素通过参与叶黄素循环（xanthophyll cycle）有助于光保护，在此循环中它们耗散多余的光能并中和活性氧（ROS），从而在强光下维持光系统II的功能。在升高温度下观察到的中等光照下的光合作用峰值可能反映了光合机构的饱和而未引发光抑制，这与其它亚热带绿藻报道的光响应曲线一致。在所有测试的藻类类群中，囊叶藻属在高辐照度下表现出最急剧的净光合作用下降。在褐藻囊叶藻属中，以叶绿素a、叶绿素c和岩藻黄质为主的色素谱支持在中等深度环境典型的蓝绿光下的高光合效率，但在全光谱表面辐照度下可能不是最优的。这种下降归因于光抑制，尽管存在如非光化学淬灭（NPQ）和抗氧化系统等保护机制，但F_v/F_m（PSII最大光化学效率）值降低表明了这一点。缺乏叶绿素b以及对红色光谱范围吸收有限可能进一步限制其光利用的灵活性。

显著的三因素交互作用凸显了温度和辐照度的联合增加产生了类群特异性响应，在囊叶藻属中双重胁迫下是非加性的且强烈负面的，在叶藻属中是加性或协同的，而在扇藻中主要是稳定的。囊叶藻属观察到的最高代谢效率（反映在P:R比上）出现在中等光照和对照或中等温度下，表明在中等辐照度和降低的氧化压力下，该类群能最有效地利用其有限的光保护能力和光捕获潜力。然而，在高温高光联合作用下，其P:R比降至接近1，反映了升高的呼吸需求与不足的光化学补偿之间的不平衡。这种崩溃与先前报道的囊叶藻属等冠层形成褐藻对联合升温和高光的有限耐受性一致。相比之下，叶藻属在联合高温高光下比在高温中等光下维持了更高的净光合作用和P:R比。尽管红藻通常被认为是适应遮荫的，但许多物种积累光保护化合物如MAAs，并表现出高效的PSII修复机制。连同中等的耐热性，这些特征可能解释了叶藻属在双重胁迫下维持甚至增强光合性能的能力。扇藻在各种单独和联合胁迫条件下持续保持高P:R比，证实了其强大的性能。虽然在对照温度和高光下观察到与对照温度对照光相比有所下降，但当光胁迫与中等温度结合时，这种下降被抵消。这种模式表明适度升温支持温度稳定酶系统和CO₂浓缩机制的活性，从而尽管光保护成本增加，仍能稳定光合效率。基于类胡萝卜素的光保护进一步促进了这种韧性。综上所述，这些对比的轨迹说明，同时发生的胁迫加剧了物种特异性的生理限制和适应策略。虽然像囊叶藻属这样的冠层形成褐藻在高辐照度与升温同时发生时最为脆弱，但红藻和绿藻类群的持续存在凸显了地中海大型藻类群落内功能补偿的潜力。

测试的大型藻类类群在光和温度胁迫耐受性上的分歧很可能促成正在发生的大型藻类群落演替，这在未来的气候情景下可能变得更加明显。具有狭窄生理最适点和低可塑性的物种，如囊叶藻属，可能在热浪期间日益被排除在浅水、高辐照度栖息地之外。更具耐受性的物种，如基于观察趋势在联合胁迫下保持高光合效率的扇藻和叶藻属，可能获得竞争优势。这些动态可能有助于观察到的从结构复杂的冠层形成群落到更简单、快速生长的垫状或草皮形成物种的转变。这种功能群落的简化可能对生态系统结构和功能产生深远影响。冠层形成藻类的减少，如囊叶藻属森林，会直接降低结构复杂性，减少相关动物群的栖息地可用性和生态位多样性。简化的底栖结构也可能损害关键生态系统功能，如沉积物稳定化和能量传递。尽管扇藻有助于初级生产并支持一些附生生物，但它缺乏冠层形成类群的生态工程能力，可能导致更同质化和韧性较低的生态系统。结构异质性的减少可能降低相关物种的栖息地质量，并改变底栖生产力，特别是在未来气候情景下低P:R比限制碳固定和向更高营养级能量传递的情况下。预计到2100年地中海的变暖，加上强化的分层和营养限制，可能进一步将环境基线推移到敏感类群的耐受阈值之外。诸如沉积物积累和光衰减等反馈循环（可能被密集的藻垫强化）可能加剧像囊叶藻属等物种的补充失败，增加群落向退化或多样性较低组合转变的风险。

本研究在属水平进行分析，意味着未考虑囊叶藻属内物种特异性差异。这限制了我们将结果推广到单个物种的可转移性。然而，属水平的方法在方法上是合适的，因为囊叶藻属地中海栖息地中作为结构型褐藻发挥着一致的功能作用，并且与此处检查的红藻和绿藻明显不同。使用包含类群随机效应的混合效应模型进行的统计检验显示，该项解释的方差可忽略不计，并且与固定效应模型相比没有改进，表明样本池内的变异性有限。描述性检查进一步支持了这一结论，显示囊叶藻属在大多数条件下的离散度与其它类群相当或更低，仅在最具胁迫性的处理下变异性更大。综上所述，这些发现表明我们的结果稳健地捕捉了三个主要类群之间的功能差异，尽管囊叶藻属内可能存在物种特异性模式。

本研究通过精确控制的实验揭示了气候变化关键因子——升温和强光——对地中海关键底栖工程师类群的生理胁迫效应及其类群差异性。论文发表在《Scientific Reports》期刊，为理解和管理地中海海岸带生态系统应对全球变化的响应提供了重要的生理生态学依据。