發(fā)布時(shí)間：2020-03-30 11:11

【摘要】：全球氣候變暖和水體富營(yíng)養(yǎng)化加劇了藍(lán)藻水華的暴發(fā),對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)造成極大的危害。一方面,藍(lán)藻缺乏必要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),無(wú)法滿足初級(jí)消費(fèi)者的正常生長(zhǎng)和繁殖活動(dòng);其次,藍(lán)藻中的有毒種類會(huì)產(chǎn)生藻毒素,枝角類、輪蟲(chóng)和魚(yú)類等都不具有徹底降低藻毒素的能力,因而會(huì)直接受到藻毒素的毒害作用。此外,這些藻毒素在自然水體中難以被快速降解,還會(huì)隨食物鏈傳遞,在高營(yíng)養(yǎng)級(jí)的生物體內(nèi)富集,這對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)安全及人類健康造成了極大威脅。生物操縱控制有害藻類是基于水體中原有生物攝食能力的一種環(huán)境友好型控藻手段。在自然水體中,原生動(dòng)物是浮游植物的主要捕食者,其中許多種類可以耐受和攝食有毒藍(lán)藻,并對(duì)藻毒素有一定降解能力,從而可以在以有毒初級(jí)生產(chǎn)者為主的食物網(wǎng)中有效地疏通物質(zhì)和能量流動(dòng)通道,降低有毒藻類造成的水體安全風(fēng)險(xiǎn)。因此,相對(duì)于枝角類、橈足類等后生浮游動(dòng)物,這些原生動(dòng)物在控制有毒藍(lán)藻中具有一定的優(yōu)勢(shì)。然而,目前有關(guān)原生動(dòng)物控藻的環(huán)境效應(yīng)及解毒機(jī)制的研究尚缺乏系統(tǒng)性的認(rèn)識(shí),如在自然水體中哪些種類的原生動(dòng)物可以清除微囊藻并降解藻毒素?如何快速培養(yǎng)這種原生動(dòng)物?主要環(huán)境因子是如何影響原生動(dòng)物控藻和降解藻毒素的?在原位環(huán)境中原生動(dòng)物的控藻效果如何?原生動(dòng)物耐受和降解藻毒素的機(jī)制是什么?由于微囊藻是最常見(jiàn)以及最主要的水華藍(lán)藻種類之一,本研究圍繞以上科學(xué)問(wèn)題,結(jié)合實(shí)驗(yàn)室模擬和原位實(shí)驗(yàn)的方法,分別從種群、群落和分子水平探討一種來(lái)源于自然水體中可耐受藻毒素的原生動(dòng)物攝食有毒微囊藻和降解藻毒素的環(huán)境效應(yīng)及分子機(jī)制。本論文的主要研究結(jié)果包括以下五個(gè)方面:1.棕鞭毛蟲(chóng)的分離鑒定與快速培養(yǎng)從太湖采集的水樣中通過(guò)篩選、分離和純化獲得了一株可高效攝食產(chǎn)毒銅綠微囊藻的原生動(dòng)物,經(jīng)形態(tài)和分子手段鑒定出這株原生動(dòng)物屬于金藻門金胞藻目棕鞭藻屬的Ochromoas gloeopara(定為YZ1株)。其次,通過(guò)對(duì)該棕鞭毛蟲(chóng)在不同營(yíng)養(yǎng)條件下的生長(zhǎng)和光合能力的分析,確定該棕鞭毛蟲(chóng)為混合營(yíng)養(yǎng)型生物,且其在混合營(yíng)養(yǎng)模式下生長(zhǎng)速率和光合效率最大。此外,本實(shí)驗(yàn)以葡萄糖為碳源,通過(guò)連續(xù)補(bǔ)充有機(jī)碳的培養(yǎng)模式可以在6天內(nèi)獲得高豐度的棕鞭毛蟲(chóng)。該研究結(jié)果為采用原生動(dòng)物控制微囊藻提供了一種可能途徑,同時(shí)也為棕鞭毛蟲(chóng)O.gloeopara控藻的后續(xù)研究奠定了基礎(chǔ)。2.溫度和CO_2(非生物因素)對(duì)棕鞭毛蟲(chóng)攝食產(chǎn)毒微囊藻和降解藻毒素的影響氣候變暖加劇了藍(lán)藻水華的暴發(fā),本實(shí)驗(yàn)探究了升溫和CO_2濃度升高對(duì)棕鞭毛蟲(chóng)攝食微囊藻及降解藻毒素的影響。首先,在升溫實(shí)驗(yàn)中設(shè)置了 3個(gè)溫度條件:20、25和30℃。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,溫度升高可以顯著促進(jìn)棕鞭毛蟲(chóng)對(duì)微囊藻的清除及對(duì)藻毒素的降解。其次,在升溫和CO_2濃度增高的實(shí)驗(yàn)中設(shè)置了 5個(gè)溫度(19、22、25、29和33℃)和2個(gè)CO_2水平(400和750ppm)。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在高溫和高濃度CO_2處理下,棕鞭毛蟲(chóng)的攝食率顯著下降,且清除微囊藻種群的時(shí)間延長(zhǎng)。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果體現(xiàn)了環(huán)境因子相互作用對(duì)捕食者—獵物種間關(guān)系影響的復(fù)雜性,并為預(yù)測(cè)未來(lái)氣候變化下的原生動(dòng)物控藻效果提供了一定參考。3.常見(jiàn)藻類(生物因素)對(duì)棕鞭毛蟲(chóng)攝食產(chǎn)毒微囊藻和降解藻毒素的影響本實(shí)驗(yàn)探究了不同溫度下(20、25和30℃)兩種綠藻(蛋白核小球藻和斜生柵藻)對(duì)混合營(yíng)養(yǎng)型棕鞭毛蟲(chóng)攝食產(chǎn)毒微囊藻和降解藻毒素的影響。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,綠藻的添加抑制了混合營(yíng)養(yǎng)型棕鞭毛蟲(chóng)的攝食,延緩了其清除微囊藻種群和降解藻毒素的時(shí)間。伴隨著微囊藻種群的下降,綠藻種群逐漸增大,并最終占據(jù)優(yōu)勢(shì)。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,棕鞭毛蟲(chóng)的食物選擇性促使優(yōu)勢(shì)藻類種群由微囊藻向綠藻轉(zhuǎn)變,這將有利于有益藻類種群的恢復(fù)以及浮游植物群落結(jié)構(gòu)的改善。4.添加棕鞭毛蟲(chóng)對(duì)半原位/原位水體浮游植物群落結(jié)構(gòu)的影響本實(shí)驗(yàn)分別設(shè)置了以小群體微囊藻和單細(xì)胞微囊藻為主的2種浮游植物群落,探究在半原位和原位微宇宙實(shí)驗(yàn)條件下,棕鞭毛蟲(chóng)對(duì)微囊藻種群的控制效果以及對(duì)浮游植物群落結(jié)構(gòu)的影響。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,棕鞭毛蟲(chóng)在半原位和原位環(huán)境下均可以有效地抑制小群體微囊藻和單細(xì)胞微囊藻種群,同時(shí)促使以藍(lán)藻為主的浮游植物群落向以綠藻和硅藻為優(yōu)勢(shì)種的群落結(jié)構(gòu)演替,提高了浮游植物群落的生物多樣性和物種豐富度。該研究結(jié)果體現(xiàn)了混合營(yíng)養(yǎng)型棕鞭毛蟲(chóng)在原位控藻中的可行性和優(yōu)勢(shì),這對(duì)改善以有害藍(lán)藻為主的浮游植物群落具有重大的實(shí)際意義。5.棕鞭毛蟲(chóng)降解微囊藻毒素的機(jī)制:基于轉(zhuǎn)錄組學(xué)和代謝組學(xué)的整合分析基于本研究中的棕鞭毛蟲(chóng)可耐受和降解微囊藻毒素,本實(shí)驗(yàn)綜合利用轉(zhuǎn)錄組和代謝組技術(shù)手段,將攝食產(chǎn)毒和無(wú)毒微囊藻的棕鞭毛蟲(chóng)的轉(zhuǎn)錄組和代謝組檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行差異比較,并分析棕鞭毛蟲(chóng)耐受和降解藻毒素的分子機(jī)制。該實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示,差異表達(dá)基因和差異代謝物主要與翻譯、碳水化合物代謝和能量代謝等相關(guān)。本研究結(jié)果揭示了,棕鞭毛蟲(chóng)對(duì)藻毒素的耐受性與其胞內(nèi)抗氧化活動(dòng)和修復(fù)能力的增強(qiáng)以及胞外基質(zhì)的增加有關(guān);棕鞭毛蟲(chóng)降解藻毒素的過(guò)程主要依賴于細(xì)胞內(nèi)溶酶體中的代謝活動(dòng),如ROS的強(qiáng)氧化作用,同時(shí)也與GST和GSH解毒過(guò)程有關(guān)。綜合上述各章節(jié)的研究結(jié)果得出,從太湖水體篩選、分離和純化得到的這株棕鞭毛蟲(chóng)可以高效清除產(chǎn)毒微囊藻;高溫能夠促進(jìn)其對(duì)微囊藻種群的清除及對(duì)藻毒素的降解,但在高溫下的高濃度CO_2會(huì)抑制棕鞭毛蟲(chóng)的控藻能力;盡管綠藻的存在延緩了棕鞭毛蟲(chóng)對(duì)微囊藻種群的清除,但棕鞭毛蟲(chóng)的食物選擇性促進(jìn)了綠藻種群的恢復(fù);尤其是在原位實(shí)驗(yàn)中,該棕鞭毛蟲(chóng)對(duì)微囊藻種群的抑制有效地改善了浮游植物群落的結(jié)構(gòu),并提高了浮游植物群落的生物多樣性和物種豐富度;通過(guò)對(duì)棕鞭毛蟲(chóng)轉(zhuǎn)錄組和代謝組學(xué)的分析,揭示了混合營(yíng)養(yǎng)型棕鞭毛蟲(chóng)對(duì)藻毒素的耐受性與其能量合成、修復(fù)能力、抗氧化活動(dòng)的增強(qiáng)有關(guān),細(xì)胞內(nèi)溶酶體代謝活動(dòng)的加強(qiáng)是棕鞭毛蟲(chóng)降解藻毒素的主要機(jī)制。
【圖文】：

序列的信息，真核生物進(jìn)化樹(shù)的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)逐漸穩(wěn)定，Ｂｕｒｋｉ進(jìn)一步將原生生逡逑物與藻類、植物、真菌和動(dòng)物分為不同類群［３］，因此原生生物類群中也有了更為逡逑具體的種類分支，如變形蟲(chóng)界、有孔蟲(chóng)界和不等鞭毛蟲(chóng)界等（圖１．１）。從種系發(fā)逡逑育樹(shù)上不難發(fā)現(xiàn)藻類與原生動(dòng)物界存有共同分枝，這表明它們之間存在一定的近逡逑緣關(guān)系，因此對(duì)于它們的分類一直存在爭(zhēng)議。逡逑在現(xiàn)代真核藻類物種起源上，原生動(dòng)物起著重要的作用。系統(tǒng)發(fā)育相關(guān)的研逡逑宄結(jié)果表明，藍(lán)藻是現(xiàn)存最古老的一種放氧光合作用的原核生物類群，現(xiàn)代真核逡逑藻類的出現(xiàn)是由原生動(dòng)物和藍(lán)藻的內(nèi)共生而來(lái)（圖１．１）。在內(nèi)共生起源假說(shuō)中，逡逑最早的產(chǎn)氧光合真核生物是由一株可有絲分裂的真核宿主細(xì)胞（鞭毛蟲(chóng)）吞噬原逡逑始藍(lán)藻而產(chǎn)生，因此吞噬性鞭毛蟲(chóng)是理論上的第一個(gè)真核生物。在初級(jí)內(nèi)共生過(guò)逡逑程中，真核宿主細(xì)胞獲得了線粒體和質(zhì)體，原始藍(lán)藻細(xì)胞的細(xì)胞壁退化，質(zhì)膜變逡逑為質(zhì)體內(nèi)膜

邐［邋Ｄｉｎｏｆｌａｇｅｌｌａｔｅｓ邋Ｄｉａｔｏｍｓ邋Ｅｕｇｌｅｎｏｉｄｓ邋．．．邋｜逡逑｜邋Ｂｕｒｋｉ．邋２０１４邋［逡逑圖１．１原生動(dòng)物系統(tǒng)發(fā)育圖（引自Ｃａｒｏｎ邋ｅｔａｌ．，２０１６）邋［７］和真核浮游植物色素體遺傳的基本逡逑模式．圈．（仿邋Ｆａｌｋｏｗｓｋｉ，邋２００４）邋［５］逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．１邋Ｐｈｙｌｏｇｅｎｅｔｉｃ邋ｍａｐ邋ｏｆ邋ｐｒｏｔｏｚｏａｎｓ邋（ｒｅｆｅｒｒｅｄ邋ｔｏ邋Ｃａｒｏｎ邋ｅｔ邋ａｌ．，，邋２０１６）邋［７邋ａｎｄ邋ｔｈｅ邋ｂａｓｉｃ邋ｐａｔｔｅｒｎ逡逑ｏｆ邋ｃｈｒｏｍａｔｉｄ邋ｉｎｈｅｒｉｔａｎｃｅ邋ｉｎ邋ｅｕｋａｒｙｏｔｉｃ邋ｐｈｙｔｏｐｌａｎｋｔｏｎ邋（ｒｅｆｅｒｒｅｄ邋ｔｏ邋Ｆａｌｋｏｗｓｋｉ，邋２００４）邋［５１逡逑隨著現(xiàn)代測(cè)序技術(shù)的發(fā)展，由內(nèi)共生產(chǎn)生新物種的進(jìn)化機(jī)制被廣泛研究，如逡逑寄主基因水平徖移和類核體的保留等問(wèn)題得到了很好的解釋［８＿１（＼內(nèi)共生中基因逡逑轉(zhuǎn)移使得真核藻類核基囡組重塑，寄主類核體的保留使得在宿主中這些蛋白可以逡逑表現(xiàn)出新功能及新功能的定位；這體現(xiàn)了新物種在進(jìn)化過(guò)程中獲得更多潛在的代逡逑謝能力和特征以適應(yīng)環(huán)境變化。事實(shí)上，原生生物與原核微生物之間的共生現(xiàn)象逡逑十分普遍［１１］，共生能夠使宿主原生生物獲得厚核寄主的某些功能，因而增強(qiáng)對(duì)其逡逑它環(huán)境資源的利用能力
【學(xué)位授予單位】：南京師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：X52;X171.5


本文編號(hào)：2607474