光照周期对大草履虫种群变化的影响

李思萱 冯思特 杜念臻 李 锂

（中国人民大学附属中学 北京 100080）

光照周期是指一日之内光照时间长短的相对变化，即有光照时间/无光照时间（L/D）。生物生长具有其所需的最低和最适光照周期，是生物在长期进化过程中形成的对其生活环境的适应［1］。光照周期能影响水生动物的生长发育、繁殖等。例如连续24 h光照促进福寿螺（Pomacea canaliculata）的体重增长，完全黑暗严重抑制福寿螺的生长发育，降低其繁殖能力［2］。 光照周期对海蜇（Rhopilema esculenta）足囊萌发有显著影响，黑暗组较自然光组的萌发率平均高7.18%［3］。

大草履虫（Paramecium caudatum）为原生生物界单细胞动物，对其细胞形态、结构、消化、呼吸及生殖已有较详细的研究。目前有大量关于光照强度、波长等对原生动物种群的影响研究，而关于光照周期对原生动物种群影响方面的研究较少。

本文研究了不同光照周期对大草履虫在有限培养条件和食物充足条件下的种群变化的影响。

1 材料和方法

1.1 材料 实验用大草履虫于本实验室保种获得。

1.2 单克隆培养方法 采样后，体视镜下随机挑取单个个体，于（25±1）℃自然光照条件下培养。在显微镜下，用10μL微量移液器随机挑出单个个体于24孔板培养3 d后，移入250 mL锥形瓶继续培养为草履虫母液。

1.3 计数方法 取100μL培养液至比色板，滴加2～3滴鲁哥氏液染色，在体视镜下用计数器计数。

1.4 实验设计 各组大草履虫种群均在温度设置为25℃，光照周期分别设置为24L/0D、0L/24D、12L/12D和6L/18D，于4台恒温光照培养箱中培养。照度计测得培养箱内无照明条件下光照强度为0 lx，打开光源时光照强度为4 800 lx。先后在限制性培养条件和食物充足的条件下进行实验。

限制性培养条件下的实验使用稻草汁培养液［4］。选取保种的草履虫种群进行接种，初始种群密度为10 ind./mL。每组光周期4个平行，在锥形瓶中进行培养，培养液200 mL，连续培养9 d，期间不更新或补充培养液。每24 h计数一次。

食物充足条件下的实验使用酵母培养液［5］。选取单克隆培养后的草履虫种群进行接种，初始种群密度为10 ind./mL。每组光周期6个平行，在6孔板中进行培养，培养液为7 mL。每72 h向体系中添加1.5 mL培养液，连续培养14 d。每24 h计数一次。

1.5 相关参数的定义和计算方法

种群增长率：r=（lnNt－lnN0）/t，N0为起始种群密度；Nt为实验进行到t天时的种群密度。从种群的指数增长期选取4～6个数据计算种群增长率。

环境容纳量：环境条件允许的种群数量最大值为等时间距离的3个观察值。

1.6 数据分析及计算 数据用 Excel 2010进行计算、作图。使用 SPSS 16.0软件进行统计分析，在统计分析前进行正态分布检验。经检验，数据均为正态分布。采用单因素方差分析、LSD和Tamhane′s T2多重比较检验光照周期对限制性培养条件下大草履虫种群的影响。采用Pearson Correlation对光照时间与限制性培养条件下大草履虫种群参数进行相关性分析。所有描述性统计值采用Mean±SD表示，显著性水平为α=0.05。

2 结果

2.1 光照周期对大草履虫种群在有限培养环境中种群变化的影响 如图1，各光照周期条件下，大草履虫种群均能从较小的密度开始增长，在种群增长过程中，各光照周期组大草履虫种群增长期的曲线均具有S形特点。其中，种群密度的最大值出现在0L/24D 组第 5 天，为（610.42±49.43）ind./mL（图1b）。0L/24D组的种群饱和期持续时间最短为（1.75±0.96）d， 种群密度波动范围最广；6L/18D组、12L/12D组及24L/0D组的种群峰值期持续时间较长，分别为（2.50±0.58）d，（3.00±0.00）d 和（3.25±0.50）d，但各组种群密度波动范围相对较窄。在种群衰落过程中，12L/12D组最早进入衰落期，衰落历时（5.25±0.50）d；24L/0D 组最晚进入衰落期，历时（7.00±0.82）d。24L/0D 组与 12L/12D 组种群变化曲线形态近似。

图1 光照周期对大草履虫在有限培养环境中种群变化的影响

单因素方差分析表明，在有限培养环境中，光照周期对大草履虫种群增长率无显著影响(P＞0.05)，但对环境容纳量有极显著的影响（P＜0.01）(表 1)。多重比较显示，12L/12D组种群增长率显著低于6L/18D组及 0L/24D 组（P＜0.05）；0L/24D 组种群环境容纳量极显著高于其他3组（P＜0.01），而12L/12D组种群环境容纳量则极显著低于其他3组（P＜0.01），6L/18D组和24L/0D组间无显著的差异（P＞0.05）。

表1 有限培养环境中光照周期对大草履虫种群增长率和最大环境容纳量的影响

Pearson相关性分析（表2）表明，在有限培养环境条件中，光照时间与种群增长率之间不相关（P＞0.05），而光照时间与最大环境容纳量之间存在中度负相关关系（r=－0.626）。

表2 有限培养环境中光照时间对大草履虫种群参数的相关性分析

2.2 光照周期对大草履虫种群在食物充足环境中种群增长的影响

如图2，在各光照周期条件下，大草履虫种群均能从较小的密度开始增长，且光照周期对大草履虫种群增长依然有明显的影响。图中可以直观地看出4组种群增长曲线具有较为明显的差异，其中0L/24D组种群增长最快；24L/0D组种群增长最慢，且与12L/12D组间没有明显的相似性，这与在有限培养环境中的结果不一致。特别地，0L/24D组种群数量波动较明显，这可能与代谢产物的积累导致了培养液pH的变化有关。

图2 光照周期对大草履虫在食物充足的环境中种群增长的影响

3 讨论

3.1 光照周期对大草履虫种群变化的影响 本研究中，在有限培养环境中，大草履虫种群在全暗时增长速率最快，环境容纳量最高，说明此时黑暗对大草履虫的种群增长具有促进作用。推测原因：无光促进了稻草汁培养液中枯草芽孢杆菌等细菌的生长，使大草履虫的食物资源更丰富，种群增长更为迅速。同时发现在食物充足的条件下，全暗组的大草履虫种群在前期增长最快，而全光组的大草履虫种群在前期增长最慢。推测光照也会影响草履虫的生长和繁殖。

研究表明，光照周期对不同水生动物的影响不同。例如刺参在半黑暗半光照的条件下生长最快，在全黑暗的条件下生长最慢且幼体死亡率最高，这可能与光能够对水生动物的昼夜活动节律、迁移和集群行为产生影响有关［6］。缩短光照对四眼斑水龟（Sacalia quadriocellata）雌性繁殖有促进作用，而延长光照对雄性发情强度在特定阶段具有一定促进作用［7］。光照能够促进褶皱臂尾轮虫种群增殖，原因可能是光照使藻类光合旺盛释放充足氧气并为轮虫提供充足食物［8］。

草履虫具有正趋光性［9］，可能具有感光分子。抗蛙的视网膜紫质抗体成功与草履虫蛋白结合，说明草履虫可能存在高等动物的类视紫红质的类似物［10］。用光刺激能使草履虫细胞膜产生极化与去极化，推测草履虫具有感光分子［11］。黄光和白光能诱导草履虫rhodopsin—like基因表达，从而推断单细胞动物草履虫可能存在与高等脊椎动物视网膜的视敏蛋白相似的感光分子［12］。由此可以推测，是这些感光分子的存在使得大草履虫能够感受光照周期的变化，并对不同的光照周期作出反应，进而使得不同光照周期下大草履虫种群产生不同的变化方式。这与本研究发现，无论在有限培养环境中还是在食物充足条件下，光照周期对草履虫种群的变化具有明显的影响是一致的。

3.2 光照对大草履虫繁殖方式的影响 研究过程中发现，在限制性培养条件下，0L/24D组大草履虫种群出现有性生殖现象的概率远高于其他3组，说明黑暗可能促进了大草履虫种群的有性生殖。初步推断这种生殖方式的大量出现是受到全暗的光周期刺激引起的。研究表明，光照可以影响草履虫的生殖方式。例如1 min激光辐射能使草履虫有性生殖的几率增加，推测原因是小剂量的激光辐射对草履虫产生了热效应和光效应，使虫体内核酸和蛋白质合成速度加快，促进了草履虫的有性生殖，从而使草履虫的繁殖总数增多［13］。

有研究表明，同一无性系下的草履虫在未遇到其互补接合型的虫体时，不会发生有性生殖［14］。因此猜测，在食物充足的条件下，光照周期可能影响了大草履虫种群的分裂速度。这种猜测需要后续实验验证。

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