滇池铜绿微囊藻春化过程与诱导低温间的关系

郭蔚华，余敏，刘青香，吴杰，李星广

重庆大学城市建设与环境工程学院，重庆 400045

滇池铜绿微囊藻春化过程与诱导低温间的关系

郭蔚华，余敏，刘青香，吴杰，李星广

重庆大学城市建设与环境工程学院，重庆 400045

在滇池铜绿微囊藻（Microcystis aeruginosa in Dianchi Lake）春化作用被揭示后，认识到该藻生长活动对低温有需求，分析冬季低温对滇池铜绿微囊藻生长的影响、春化过程与诱导低温间的关系等，对深入认识藻大暴发的春化过程具有重要意义。实验中先用31 ℃对藻高温休眠处理，然后用14～7 ℃低温诱导，最后在19 ℃、2 000 lx下培养3 d，算出平均藻增长率，用变温实验方法进行相关研究。实验结果为：藻生长启动的春化过程（诱导时间/诱导低温）为12 h/14 ℃、11 h/13 ℃、9 h/12 ℃、7 h/11 ℃、6 h/10 ℃、7 h/9 ℃、8 h/8 ℃、10 h/7 ℃，10 ℃为最适诱导低温；藻增长的最大春化过程实验中，10 ℃连续处理45 d后，平均藻增长率稳定在42.2%，这时藻数量2 d增长1倍，与藻暴发时的藻增长一致；低温间的掩盖实验表明，强低温的藻春化作用掩盖弱低温的藻春化作用，但在10～7 ℃内，掩盖作用是短时间的；对低温春化过程的累积作用分析表明，诱导低温在14～10 ℃波动对藻作用过程中，最强低温的间断春化过程具有累积作用，而诱导低温在10～7 ℃波动对藻作用过程中，最强低温的间断春化过程则没有累积作用；滇池的铜绿微囊藻的最适生长温度为19 ℃，而太湖的铜绿微囊藻为 25 ℃，生长在滇池的铜绿微囊藻是铜绿微囊藻中适应云贵高原湖泊的一个生态型，即滇池铜绿微囊藻，学名Microcystis aeruginosa in Dianchi Lake；对春化作用重新定义分析，滇池铜绿微囊藻的春化作用属于广义春化作用。

春化过程；生长启动；最大增长率；诱导低温间关系；滇池铜绿微囊藻

GUO Weihua, YU Min, LIU Qingxiang, WU Jie, LI Xingguang. Vernalization Process and the Relationship between Inductive Low Temperature in Microcystis aeruginosa in Dianchi Lake [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(12): 2022-2026.

在揭示了滇池铜绿微囊藻（Microcystis aeruginosa in Dianchi Lake见讨论部分）的春化作用后，为认识冬季低温对滇池铜绿微囊藻的影响，需要了解藻春化过程（促进藻增长的低温作用过程）与诱导低温间的关系，即需要弄清楚藻生长启动的春化过程、藻产生最大增长率的春化过程（简称藻生长的最大春化过程）；冬季低温是变化的，每种低温会产生一种春化过程，而多种低温的春化过程先后出现最终决定藻春化作用的春化过程是怎样演变的问题，需要研究对藻连续作用的不同低温之间有无掩盖作用（一种低温遮盖另一种低温对藻产生的春化作用）；为了解同一低温对藻的间断春化过程的春化作用与该低温对藻的连续春化过程的春化作用有无关联，这需要研究同一低温对藻的间断春化过程之和对藻的春化作用。弄清楚上述问题对分析冬季藻春化过程与藻大暴发的关系十分重要。目前国内外，关于滇池铜绿微囊藻等生长的低温诱导研究报道有星肋小环藻（Cyclotella asterocostata.）、滇池铜绿微囊藻的春化作用（郭蔚华等，2014a）1187-1192，嘉陵江出口段星肋小环藻早春活动原因初探（范建元，2012），星肋小环藻、铜绿微囊藻春化作用基因控制机理（郭蔚华等，2014b）；关于铜绿微囊藻生长的其它研究主要有CO2、温度、氮、磷、pH对藻的影响（高欣等，2014；Zhou et al.，2012；苏春风等，2013；陈建中等，2010），水体扰动对藻生长的影响（江林燕等，2012），水中主要阳离子对铜绿微囊藻生长的影响（郭丽丽等，2013），蕈状芽孢杆菌存在下铜绿微囊藻死亡的机制（Gumbo et al.，2011）；有关春化作用的研究主要集中在植物中，如高等植物的春化作用与低温适应（赵大中等，1998），植物春化特性及春化作用机理（胡巍等，2004），植物春化作用的研究进展（赵春哲，2011）。资料分析可知，有关滇池铜绿微囊藻春化过程与诱导低温的关系国内外尚未见报道，为此，开展了相关研究实验。

本文通过多种低温诱导的变温实验和最适诱导低温连续诱导实验，测试诱导低温、诱导时间的藻生长，分析藻生长启动的春化过程、藻最大增长率的春化过程、诱导低温间的关系。

1　材料与方法

1.1材料

实验藻种：滇池铜绿微囊藻（Microcystis aeruginosa in Dianchi Lake），中国科学院水生生物研究所提供。

实验仪器、器皿：SPX-300I-G程控光照培养箱、LRH-250A生化培养箱、MOTICBA200数码显微镜，HETTICH-EBA离心机，50、500、1000 mL三角瓶，血球计数板、灭菌锅等。

1.2实验条件

实验温度：培养温度 19 ℃，高温休眠温度31 ℃，诱导低温7～14 ℃。

实验光照：2000 lx，光暗比12 h∶12 h。

藻培养基：BG-11培养基和制作方法，中国科学院水生生物研究所提供。

1.3实验方法

藻计数法：藻密度增长至10.0×104个/L时用血球计数板计数，实验设置A、B、C 3个平行实验组，每藻样取3次计数求出均值。采用Excel 2013作图并进行有关数据分析。

变温处理方法：藻高温休眠处理→藻低温处理→藻培养。

藻高温休眠处理方法：藻经过（处理温度/处理时长）19 ℃/2 d→23 ℃/1 d→27 ℃/1 d→32 ℃/2 d→19 ℃/2 d后，当藻由生长到停止生长后，又回到最适生长温度19 ℃/2 d不再恢复生长时，藻即处于高温休眠状态，这时藻用于低温诱导。

藻生长启动的春化过程实验方法：低温处理是藻分别在14、13、12、11、10、9、8和7 ℃下处理，每隔1小时取藻液放入19 ℃、2000 lx下培养计数，观察春化过程与藻生长情况。

藻生长的最大春化过程实验方法：将高温休眠的藻放入10 ℃低温下连续处理，每天取10 mL藻液在19 ℃、2000 lx下培养3 d，计算平均增长率，直至藻增长率不上升时为止。

诱导低温的累积作用和掩盖作用实验：将高温休眠的藻进行变化低温处理 14 ℃/1 d→13 ℃/1 d→12 ℃/1 d→11 ℃/2 d→10 ℃/2 d→11 ℃/1 d→10 ℃/1 d→11 ℃/1 d→13 ℃/1 d→14 ℃/1 d→12 ℃/1 d→11 ℃/2 d→10 ℃/3 d→11 ℃/1 d→10 ℃/2 d→11 ℃/1 d→10 ℃/4 d→9 ℃/5 d→10 ℃/5 d→9 ℃/2 d→8 ℃/2 d→7 ℃/2 d，每个低温处理1 d后，取10 mL藻液在19 ℃、2000 lx下培养3 d，计算平均增长率。

1.4实验藻生长速率计算

藻日增长速率计算式：

其中上述式中：r—增长率；Nt—前一时间藻数量，个/mL；Nt-1—后一时间藻数量，个/mL；d—Nt和Nt-1间隔天数，d。

2　结果与分析

2.1藻生长启动的春化过程

由图1中春化过程（诱导时间/诱导温度）可知，藻生长启动的春化过程为 12 h/14 ℃、11 h/13 ℃、9 h/12 ℃、7 h/11 ℃、6 h/10 ℃、7 h/9 ℃、8 h/8 ℃、10 h/7 ℃，最适诱导低温10 ℃的诱导时间最短。

图1　藻生长启动的春化过程Fig. 1 The vernalization process of algal growth promotion

2.2藻最大增长率的春化过程（简称藻生长的最大春化过程）

对表1、图2中的实验数据进行单因素方差分析，藻增长率与诱导时间显著相关（P＜0.05），即在10 ℃下随着处理时间的延长，藻增长率变大，当处理到45 d时，藻增长率由最初的17.7%达到最大值42.2%。表明10 ℃低温作用时，藻最大增长率的春化过程是45 d/10 ℃。

2.3藻增长与低温间的关系

从表2、图3可知，实验的前26天，处理温度由14 ℃→13 ℃→12 ℃→11 ℃→10 ℃依次降低时，增长率从1.1%上升到27.0%；而实验的后16天，处理温度由10 ℃→9 ℃→8 ℃→7 ℃依次降低时，增长率从27.0%下降到3.8%。

2.4藻连续与间断春化过程的关系

由表2、图3可知，实验的前26天，即14～10 ℃中，10 ℃的间断过程有5次，第1次2 d、第2次1 d、第3次3 d、第4次2 d、第5次4 d，共12 d，第12天增长率为27.0%，由表1可知，10 ℃连续处理12 d的藻增长率26.2%，10 ℃间断处理12 d与连续处理12 d的增长率相同。由表2、图3可知，实验的后16天即10～7 ℃中，10 ℃出现1次为5 d，增长率为14.0%～15.2%，远低于10 ℃间断过程第12天的增长率27.0%。

表1　10 ℃低温处理的藻生长最大春化过程Table 1 The most vernalization process of algal growth under 10 ℃

图2　10 ℃低温处理的藻生长最大春化过程Fig 2. The most vernalization process of algal growth under 10 ℃

3　讨论

3.1藻高温休眠被解除的最小春化过程

发现滇池铜绿微囊藻具有春化作用后，已经知道藻生长与不同低温诱导及其作用时间有关，但是藻的高温休眠被解除的诱导低温的最小春化过程（诱导低温启动藻生长的春化过程）还不清楚，有必要进一步研究藻的春化作用。实验分析可知，不同诱导低温启动藻生长的春化过程时间在6～12 h， 10 ℃的春化过程最短为6 h，14 ℃的春化过程最长为12 h。最适诱导低温启动藻生长的春化过程最短的情况，与最适诱导低温促进植物开花的春化过程最短是一致的（奥岩松等，1994）。

表2　藻增长率与诱导低温的关系Table 2 The relationship between the algal growth rate and the inductive temperature

图3　藻增长率与诱导低温的关系Fig. 3 The relationship between the algal growth rate and the inductive temperature

3.2藻暴发与春化过程

滇池铜绿微囊藻具有春化作用是否与滇池铜绿微囊藻暴发有关？一般认为滇池蓝藻暴发时藻数量2 d增长1倍，实验采用10 ℃低温对高温休眠的滇池铜绿微囊藻连续处理，逐日取藻在最适生长温度19 ℃、2000 lx下培养3 d求出平均藻增长率，当低温连续处理45 d后，平均藻增长率停止上升，稳定在42.2%，这时藻数量2 d增长1倍，达到藻大暴发时的藻增长水平，这表明滇池铜绿微囊藻暴发与春化过程有关，藻大暴发需要大暴发的春化过程。

3.3诱导低温间的作用

实验证实冬季低温过程与滇池铜绿微囊藻暴发有关，那么分析冬季温度是有必要的。滇池冬季低温的出现是波动的和交替的，不同诱导低温先后出现最终对藻产生怎样的春化作用，这是认识滇池铜绿微囊藻暴发的又一个科学问题，只能通过强弱诱导低温交替作用藻所产生的春化作用来分析。实验表明，强的诱导低温对藻产生的春化作用将掩盖弱的诱导低温对藻产生的春化作用，诱导低温间具有掩盖作用，即一种低温对藻产生的春化作用遮盖另一种低温对藻产生的春化作用，用增长率变化分析掩盖作用。

3.4藻春化过程的累积作用

滇池冬季天气出现长时间连续低温的可能性小，也即最适诱导低温会被其它低温隔断，在这种情况下很难有长时间连续的最适诱导低温形成藻暴发所需要的春化过程，这就需要了解间断的最适诱导低温的春化过程对藻产生的春化作用，这对分析滇池冬季低温滇池冬季藻暴发需要的春化过程很重要。实验结果是，诱导低温在 14～10 ℃波动出现时，最强低温的间断春化过程之和对藻产生的春化作用（增长率）等于该最强低温的连续春化过程对藻产生的春化作用（增长率），表明诱导低温在 14～10 ℃波动对藻作用过程中，最强诱导低温的间断春化过程具有累积作用，而诱导低温在10～7 ℃波动对藻作用过程中，最强低温的间断春化过程则没有累积作用。由此可知，冬季滇池，如果水华敏感水域中越冬藻敏感水层的最低水温为最适诱导低温时，无论这个最适诱导低温连续或间断，只要出现一定时间（如45 d）以上，就形成了藻暴发需要的春化过程；冬季滇池，如果水华敏感水域中越冬藻敏感水层的最适诱导低温出现过程中有9 ℃以下的诱导低温出现，藻大暴发需要的春化过程将会中断，开始中断的诱导低温的春化过程。

3.5关于春化作用定义范围

星肋小环藻、滇池铜绿微囊藻的春化作用被揭示后，人们发现春化作用不仅存在于植物界中，也存在于原生生物界的浮游类（星肋小环藻）和原核生物界的蓝藻（滇池铜绿微囊藻）中，可将低温促进植物开花结实的春化作用（赵春哲，2011）称为狭义春化作用，将低温促进植物开花结实的春化作用和低温促进非植物生物繁殖的春化作用称为广义春化作用。

3.6滇池铜绿微囊藻的定义

太湖水华微囊藻在水温 10～28 ℃之间，光合作用随水温升高而增强（金相灿等，2008），24～30 ℃水温是太湖蓝藻暴发的必要条件（王得玉等，2008），太湖蓝藻生长发育最适宜的温度范围为 28～33 ℃（任健等，2008）。另有研究认为，滇池水温常年在10 ℃以上，夏季多在20～23 ℃，很少出现30 ℃以上的高温。2008年7月7日水华暴发时气温才19 ℃，所以滇池水温完全满足滇池蓝藻的生长需要（李蒙等，2011）；滇池蓝藻水华暴发的关键期6─9月，气温在20～30 ℃之间，水温在20 ℃上下（谢国清等，2010）；滇池蓝藻的适宜温度在18 ℃左右（匡耀求，2001），与滇池铜绿微囊藻最适温度 19 ℃（郭蔚华等，2014a）1188-1189的研究结果一致；根据水温平均年变幅，滇池为22.7 ℃，鄱阳湖、洪泽湖、太湖在30 ℃以上，太湖高达35 ℃左右（袁静秀等，1986），滇池铜绿微囊藻适应较低水温。由上述分析认为，滇池的铜绿微囊藻最适生长温度为19 ℃，太湖的铜绿微囊藻最适生长温度为25 ℃，生长在滇池的铜绿微囊藻是铜绿微囊藻中适应云贵高原湖泊的一个生态型，即滇池铜绿微囊藻，学名为 Microcystis aeruginosa in Dianchi Lake。

4　结论

（1）不同诱导低温启动藻生长的春化过程不同，10 ℃启动藻生长的时间最短为6 h，10 ℃/6 h是启动藻生长的最小春化过程。

（2）滇池铜绿微囊藻暴发需要特定春化过程。滇池铜绿微囊藻在 10 ℃连续处理 45 d后，在19 ℃、2000 lx下培养3 d的平均增长率为42.2%，以这样的增长率藻数量2 d增长1倍，达到藻大暴发时的增长率。

（3）诱导低温间有掩盖作用，强低温的藻春化作用掩盖弱低温的藻春化作用，但在10～7 ℃内，掩盖作用是短时间的。低温间的掩盖作用有助于冬季产生藻春化过程的有效低温分析。

（4）诱导低温在 14～10 ℃波动交替对藻作用过程中，最强低温的间断春化过程具有累积作用，而诱导低温在10～7 ℃波动交替对藻作用过程中，最强低温的间断春化过程则没有累积作用。

（5）生长在滇池的铜绿微囊藻是铜绿微囊藻中适应云贵高原湖泊的一个生态型，即滇池铜绿微囊藻，学名Microcystis aeruginosa in Dianchi Lake。

（6）滇池铜绿微囊藻的春化作用属于广义春化作用范畴。

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Vernalization Process and the Relationship between Inductive Low Temperature in Microcystis aeruginosa in Dianchi Lake

GUO Weihua, YU Min, LIU Qingxiang, WU Jie, LI Xingguang

Faculty of Urban Construction and Environmental Engineering, Chongqing University, Chongqing 400045, China

After Microcystis aeruginosa in Dianchi Lake in the vernalization discovered, it was recognized that the algae need the process of low temperature in annual activities. It was very important in knowing deeply why the algae outbreak that the low temperature in winter how to influence the algae and the relationships between the vernalization process and the induced temperature were analyzed. The experiment steps were as follows: firstly, the algae was dealt with the high temperature which is 31 ℃, secondly, the algae was induced with 14 ℃ to 7 ℃, and then was cultured for 3 days at 19 ℃, 2 000 lx, finally, calculated the average algae growth. Related research was conducted with variable temperature experimental methods. The experimental results were: the vernalization process of the algal growth promotion (inductive time/inductive low temperature) were 12 h/14 ℃, 11 h/13 ℃, 9 h/12 ℃, 7 h/11 ℃, 6 h/10 ℃, 7 h/9 ℃, 8 h/8 ℃, 10 h/7 ℃. Among of the results, 10 ℃ was optimal inductive temperature; At the experiment of the largest vernalization process, when the algae was dealt with 45 d under 10 ℃, the average growth rate of algae stabled at 42.2%, at this time, the number of algae doubled in two days, which was consistent with the algae growth of the outbreak; The covering experiment between low temperature showed the vernalization of strong low temperature masked the vernalization of weak low temperature, while the masking effect was transitory during 10～7 ℃; The cumulative effect of vernalization in low temperature was analyzed, the results showed that: the intermittent vernalization process of strongest low temperature had cumulative effect during 14～10 ℃, while the intermittent vernalization process of strongest low temperature didn’t have cumulative effect during 10～7 ℃; The optimum growth temperature of Microcystis aeruginosa in Dianchi Lake is 19 ℃, while the optimum growth temperature of Microcystis aeruginosa in Taihu Lake is 25 ℃, Microcystis aeruginosa which grew in Dianchi Lake is an ecotype of Microcystis aeruginosa adapted to the Yunnan-Guizhou Plateau lakes, that is Microcystis aeruginosa in Dianchi Lake. The vernalization of Microcystis aeruginosa in Dianchi Lake belongs to general vernalization by conducting the analysis of redefining the definition of the vernalization.

vernalization process; growth promotion; the relationships between low temperature; Microcystis aeruginosa in Dianchi Lake

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.12.015

X17

A

1674-5906（2015）12-2022-05

郭蔚华（1956年生），男，副教授，从事水处理微生物技术、水环境藻类等研究。E-mail: gwhchl@163.com

2015-09-27

引用格式：郭蔚华, 余敏, 刘青香, 吴杰, 李星广. 滇池铜绿微囊藻春化过程与诱导低温间的关系[J]. 生态环境学报, 2015, 24(12): 2022-2026.