棕囊藻属(Phaeocystis)的种类多样性及地理 分布特征研究进展*

沈萍萍 齐雨藻

(1. 烟台大学海洋学院 烟台 264005; 2. 暨南大学赤潮与海洋生物学研究中心 广州 510632; 3. 水体富营养化与赤潮防治广东普通高校重点实验室 广州 510632)

棕囊藻(Phaeocystis)是全球海洋广泛分布的有害藻华原因种, 也是海洋初级生产力的重要贡献者, 在极地和近海地区的碳、硫元素的生物地球化学循环、食物网结构及全球气候变化中都具有极其重要的作用(Verity et al, 2007)。多数棕囊藻具有复杂的异型生活史(heteromorphic life cycle, 亦称多态生活史polymorphic life cycle), 兼有单细胞和囊体两种形态(Rousseau et al, 2007)。在富营养条件下, 棕囊藻能在短时间内暴发性增殖形成藻华, 不仅能够产生溶血性毒素、二甲基硫化物(DMSP/DMS)及硫丙酸等化合物影响海洋生物(van Rijssel et al, 2007), 囊体衰亡后还形成大量泡沫物质, 严重影响海洋生态系统的结构与功能, 给渔业养殖造成巨大危害与损失(齐雨藻等, 2002; Schoemann et al, 2005)。棕囊藻藻华因其暴发规模大、持续时间长、危害严重, 一直受到高度关注, 是国际、国内有害藻类研究的热点之一(Qi et al, 2004; 沈萍萍等, 2018)。

1997 年10 月末中国东南沿海首次暴发了特大规模的棕囊藻藻华, 其原因种为我国一种藻华新记录种——球形棕囊藻(Phaeocystis globosa)(陈菊芳等, 1999; 陈月琴等, 2002)。此后, 陆续在广东、福建、海南、广西北部湾等海域都暴发了此种藻华。2004年渤海天津海域也首次录得球形棕囊藻藻华的发生(曲凌云等, 2008)。截至2017 年底, 中国沿海已报道的棕囊藻藻华高达55 起, 发生面积超过14000 km2(沈萍萍等, 2018)。此种藻华能致养殖渔业遭受巨大损失, 如仅1997 年底广东拓林湾的网箱养殖损失达9000 余万(陈菊芳等, 1999)。从2014 年开始, 广西北部湾海域大量棕囊藻囊体堵塞滨海核电站的冷源取水口, 严重影响核电运行安全(曹西华等, 2017), 引起社会极大关注, 也为棕囊藻藻华的研究提出了新的挑战与要求。

近二十年来我国学者针对棕囊藻进行了诸多研究(沈萍萍等, 2018), 尤其是最近几年取得了显著的进展(Wang et al, 2015; 梁大勇等, 2018; 胡晓坤等,2019; 胡章喜等, 2019; Zhang et al, 2020)。但是有关中国沿海棕囊藻形态及分类的研究却一直较少(陈月琴等, 2002; 覃仙玲等, 2016; 胡章喜等, 2019), 目前报道的仅“球形棕囊藻” 1 种, 绝大多数报道主要依据藻华暴发时的“球形囊体”特征将其认定为“球形棕囊藻”, 但不同地理株出现了明显的分化(Shen et al,2011; Xu et al, 2017; 胡晓坤等, 2019), 有可能存在隐存种现象。此外, 过去我们关注到东海海域一直没有球形棕囊藻及藻华的研究报道, 实际上却有2 种新记录种存在(即心形棕囊藻Phaeocystis cordata Zingone et Chrétiennot-Dinet 和杨棕囊藻P. jahnii Zingone), 且丰度较高有形成藻华的迹象(Lin et al, 2014)。这一现象表明, 中国沿海有关棕囊藻种类多样性的研究比较匮乏, 而种类的分类与鉴定是所有研究的基础和根本, 亟需填补。因此本文就全球范围内棕囊藻属的分类及地理分布特征等研究进展作一梳理与总结,为厘清中国沿海棕囊藻的种类及遗传多样性现状提供基础资料。

1 棕囊藻的分类及形态特征

棕囊藻属(Phaeocystis)由Lagerheim 始建于1893年, 现隶属于定鞭藻门(Haptophyta)定鞭藻纲(Haptophyceae)棕囊藻目(Phaeocystales)(见Algaebase条目), 是广温广盐性的海洋微藻, 广泛分布于从极地到热带地区各大海洋中(Baumann et al, 1994)。此属的主要特征是既有单细胞型又有群体型; 运动细胞＜ 10 μm 且具2 条长鞭毛及1 条短直的定鞭毛; 有些种类具不动细胞阶段, 细胞单生或聚集成球形或不规则的囊体。由于棕囊藻细胞个体微小且多具有复杂的异型生活史, 具有单细胞和囊体两种形态, 因此棕囊藻属种类的确定从一开始即颇多争论(齐雨藻等,2001)。1892 年, Pouchet 首次报道了1882 年夏季发现于挪威海域的胶质囊状“棕囊藻”, 由于与绿藻四孢藻属(Tetraspora)的Tetraspora giraudyi Derbès & Solier(1851)的胶质囊很像而被命名为Tetraspora poucheti Hariot (Pouchet, 1892)。1893 年Lagerheim 在瑞典Koster 群岛海域发现相似种类并质疑这两个海洋棕色藻类不该属于淡水绿藻四孢藻属, 他因此建立新属棕囊藻属(Phaeocystis Lagerheim), 将 Tetraspora poucheti Hariot 重新命名为波切棕囊藻[Phaeocystis pouchetii (Hariot) Lagerheim]并以此为棕囊藻属模式种。原属四孢藻属的淡水绿藻T. fuscescens Braun ex Kützing 与T. giraudyi (Derbès & Solier)也被相继归于棕囊藻属, 即 P. fuscescens (Braun) De Toni 与 P.giraudyi (Derbès and Solier) Hamel。

随后, 球形棕囊藻(Phaeocystis globosa Scherffel,1899)和南极棕囊藻(P. antarctica Karsten, 1905)分别在德国北海及南极海域被发现, Scherffel (1900)在球形棕囊藻中首次详细描述了棕囊藻的第三根鞭毛“定鞭体(haptonema)”。1911 年, Büttner 从德国Kiel 港又分离鉴定 2 个种 P. sphaeroides Büttner 和 P.amoeboidea Büttner, 这2 个种具有肉眼可见的棕色囊体, 细胞内具1 个黄棕色叶绿体且运动细胞具2 条等长的鞭毛, 却因细胞内仅有1 个叶绿体而受到质疑(Medlin et al, 2007)。1922 年, 在南极洲又发现一新种Phaeocystis brucei Mangin, 细胞大小为5—6 μm, 每个细胞含有2 个金黄色叶绿体, 囊体直径1—2 mm,此种囊体与球形棕囊藻和南极棕囊藻的囊体具有明显的差别在于存在一些与囊体通过黏液小径相连的独立细胞簇。早期由于受光学显微观察技术的限制,很难获得单细胞的详细形态结构, 因此主要基于囊体形态与地理分布差异将不同棕囊藻种分开。1955年Kornmann (1955)详细比较了球形棕囊藻和波切棕囊藻的囊体形成过程, 发现两个种的囊体发展过程很相似, 大约在16 细胞时期才出现不同, 因此他认为球形棕囊藻是波切棕囊藻的幼体形式, 囊体形态特征从此后成为一个不太可靠的分类标准。

时隔多年直到1979 年, Moestrup (1979)综合利用电子扫描及透射显微镜在新西兰海域发现了只有单细胞形态的新种P. scrobiculata Moestrup (蜂窝状棕囊藻), 至此已被描述的棕囊藻共有9 种。Sournia (1988)将从建属以来发表过的这9 种棕囊藻重新审订, 发现大多数种的鉴定不充分, 囊体特征易发生变异, 而单细胞缺乏必要的亚显微结构特征描述如鞭毛长度、体表鳞片、附属物等特征, 他剔除了明显不符合棕囊藻属特征的两个淡水种P. fuscescens 与P. giraudyi, 还有3 个种如P. amoeboidea、P. brucei 及P. sphaeroides等种类自首次描述过后一直没有获得纯培养而无法深入鉴定, 而对于两个常见种类P. pouchetii 和 P.globosa 进行细致研究后却没有将二者区分开, 因此Sournia 认为确定的只有两个种: 一是仅发现单细胞形态的蜂窝状棕囊藻(P. scrobiculata Moestrup), 二是能够形成囊体的波切棕囊藻[P. pouchetii (Hariot)Lagerheim, 包括球形棕囊藻在内]。为避免混淆, 1990年代中期前大多数海洋生态学家遵从Sournia 的“两大类”建议来报道棕囊藻。有学者认为这一分类过于简化, 如Baumann 等(1994)依据地理分布、温度和光的耐性、囊体形态等特征将棕囊藻细分为4 个不同的种: 即蜂窝状棕囊藻、球形棕囊藻、波切棕囊藻及南极棕囊藻。

其后随着观察技术的发展和研究的深入, 棕囊藻的分类特征有了新的补充, 运动细胞的特征如细胞大小、鞭毛及定鞭体的长短、星形线状分泌物以及体表鳞片等成为重要的分类标准(Parke et al, 1971;Zingone et al, 1999; Peperzak et al, 2000; Jacobsen,2002)。特别是星形线物质特征, 即运动细胞产生并释放一种纤维状的几丁类物质, 能够形成五角星形或九角星形的模式(图1), 这个特征成为棕囊藻属一个重要且特有的分类标准(Chrétiennot-Dinet et al, 1997),用来鉴定不同棕囊藻运动单细胞的种类, 如波切棕囊藻、球形棕囊藻及南极棕囊藻(P. antarctica Karsten)细胞分泌物质的特征为五角星形, 而蜂窝状棕囊藻的分泌物质特征却是九角星形。

后来随着分子标记技术的应用, Medlin 等(1994)利用18S rRNA 基因序列对上述分类结果进行了遗传水平的确定, 首次从分子水平上将球形棕囊藻与波切棕囊藻两个种区分开。1999 年Zingone 等(1999)又根据传统形态和核糖体SSU rRNA 分子特征分析在地中海海域发现2 个新种, 即P. cordata (心形棕囊藻)和P. jahnii (扬棕囊藻)。基于形态学及分子生物学分析, Medlin 等(2007)认为已有的对棕嚢藻的形态学分类研究不足以界定本属, 应予修正。为此, 她们对棕嚢藻属做了如下界定:

棕嚢藻(Phaeocystis Lagerheim 1893, Medlin &Zingone emended)

运动细胞具两条等长或不等长鞭毛及一条短直定鞭体; 叶绿体1—4 个侧生; 细胞常为2 种不同大小的平滑鳞片覆盖。某些种类具有射出的细胞器。生活史复杂, 包括形成不动细胞的阶段, 但此种状况不是所有种类皆如此。不动细胞通常无附属物及鳞片, 细胞单生或排列成球形、有裂瓣的、具色鞘或不规则的胶质囊体; 如有附属物, 通常短而不完整。

最近, Andersen 等(2015)从阿拉伯海域发现了1种新的单细胞种类——冠状棕囊藻(Phaeocystis rex),此种仅观察到单细胞形态存在, 其细胞个体较大, 直径6—10 μm, 长8—15 μm, 尤其外被的多层不定形有机鳞片和指状突起的叶绿体特征, 较其他棕囊藻种有显著的差别, 与Medlin 等(2007)所界定的棕囊藻属的基本特征亦不完全吻合, 但系统进化分析结果却显示冠状棕囊藻是介于单细胞种类和群体型种类的中间进化类型。

图1 棕囊藻的星形线分泌物特征Fig.1 The star-like filaments of Phaeocystis

至此已被描述的棕囊藻有 10 个种, 分别是:Phaeocystis amoeboidea Büttner 变形虫状棕囊藻、P.antarctica Karsten 南极棕囊藻、P. brucei Mangin 布鲁斯棕囊藻、P. cordata Zingone et Chrétiennot-Dinet 心形棕囊藻、P. globosa Scherffel 球形棕囊藻、P. jahnii Zingone 扬棕嚢藻、P. pouchetii (Hariot) Lagerheim 波切棕囊藻、P. rex Andersen, Bailey, Decelle & Probert冠状棕囊藻、P. scrobiculata Moestrup 蜂窝状棕囊藻、P. sphaeroides Büttner 圆形棕囊藻等。其中7 个种已经过DNA 分子鉴定或电镜形态特征检验, 而剩余P.amoeboidea (1910) 、 P. sphaeroides (1911) 及 P.brucei (1922) 3 个种类由于在原文无明确的附图及可疑性状(如只有1 个叶绿体及无定鞭毛), 在此后的文献中再也没有被论及, 故本文按照“棕囊藻属种的检索表”介绍7 种确定棕嚢藻的综合形态特征(Medlin et al, 2007; Rousseau et al, 2007)(图2, 3, 4):

棕嚢藻属种的检索表

(一) 群体型:

(1) 波切棕嚢藻

Phaeocystis pouchetii (Hariot in Pouchet)Lagerheim (Pouchet, 1892) (模式种)(图2a, 3a)

囊体呈裂瓣状, 囊体内细胞往往4 个聚堆。具鞭毛阶段的细胞为球形, 平均直径5 μm, 2 条鞭毛等长约11 μm, 定鞭体很短1—2 μm。细胞外有2 类鳞片:一种为环片状0.24 μm×0.25 μm; 另一种为卵圆形且边缘微卷曲的鳞片0.9 μm×0.15 μm, 覆盖于大鳞片之下层。细胞核后位, 叶绿体2 块且内生蛋白核, 高尔基体居二者其间。

(2) 球形棕嚢藻

Phaeocystis globosa Scherffel (Scherffel, 1900)(图2b, 3b, 3c)

囊体呈球形, 囊体内细胞均匀分布。具鞭毛阶段的细胞大小3—6 μm。2 条鞭毛等长, 长度为体长1.5倍。定鞭体的长度是鞭毛的1/4 至1/3。体表鳞片有2类: 环片状(0.18 μm×0.19 μm)及小形底垫的卵圆状鳞片(0.10 μm×0.13 μm)。具2 片叶绿体, 细胞核后位, 具高尔基体及多数簇生潴泡(cisternae)。

图2 群体型棕囊藻囊体的光学形态特征(引自Medlin et al, 2007)Fig.2 Light microscopic micrographs of colony stages of Phaeocystis (from Medlin et al, 2007)

(3) 南极棕囊藻

Phaeocystis antarctica Karsten (1905)(图2c, 2d, 3d)

囊体为圆形囊状, 细胞散布在近囊体表层, 囊体会随年龄增长而变成扭曲状或伸长。囊体内细胞呈圆形或稍近四边形, 直径4—6 μm, 通常具有2 个或罕见有4 个拉长的金棕色叶绿体, 每个含1 个纺锤状蛋白核, 高尔基体位于两个叶绿体之间。具鞭毛阶段细胞大小及形状变化较多, 小的圆形细胞大小约4 μm长, 而大的卵圆形或梨形细胞长约6 μm; 具2 条明显不等长且尖头的鞭毛(分别长7—12 μm 及12—18 μm),定鞭体长3—4.5 μm 且末段未见凸胀。大部分时间鞭毛细胞表面无鳞片覆盖, 并且无观察到星形线分泌物。若有鳞片覆盖, 为圆形(直径0.20 μm)(Zingone et al, 2011); 或大小不同的卵圆形分别为 0.27 μm×0.19 μm 及0.18 μm×0.14 μm。有鳞片覆盖的细胞同时能形成五角星形线结构(中心0.8 μm 宽)。

(4) 扬棕囊藻

Phaeocystis jahnii Zingone (Zingone et al, 1999)(图2e, 3e)

囊体为不定形囊状, 囊体内细胞疏松排布(亦有认为此种属单细胞类型), 大小约为 6—8.5 μm, 具2—4 个叶绿体。鞭毛细胞近圆形, 直径3.5—5 μm, 具有2 条不等长的鞭毛(长8.5—12 μm 及5.5—6.5 μm),鞭毛末端凸胀不明显。外覆细胞鳞片, 其表面上的放射纹很不明显。藻体呈桔黄色。

(二) 单细胞型:

(5) 心形棕囊藻

Phaeocystis cordata Zingone &Chrétiennot-Dinet (Zingone et al, 1999)(图3h, 3i, 3j)

单细胞三角形、心形或椭圆形, 间或扁平, 末端微尖, 细胞大小平均为3—3.5 μm 长, 3—4 μm 宽, 厚度约为2.5 μm。具2 条稍不等长鞭毛, 其长度分别为5.5—7.5 μm 及 4.5—6 μm, 定 鞭 体 很 短 长 度 为2.2—2.5 μm。外覆鳞片卵圆形, 大鳞片 0.25 μm×0.18 μm, 小鳞片为0.18 μm×0.13 μm。

(6) 蜂窝状棕囊藻

Phaeocystis scrobiculata Moestrup (Moestrup,1979)(图4a, 4b)

藻体单细胞直径约为8 μm。具2 种鳞片, 大小分别为0.6 μm×0.45 μm 及0.19 μm×0.21 μm, 2 根鞭毛及1 根定鞭体都较球形棕囊藻的长一倍。

本种首先在新西兰发现, 目前已在多个海域有分布记录。

(7) 冠状棕囊藻

Phaeocystis rex Andersen, Bailey, Decelle &Probert (Andersen et al, 2015)(图4c, 4d)

藻体单细胞, 直径6—10 μm, 长8—15 μm, 外周由多层不定形的有机磷片包被。细胞末端有时有疣状突起, 细胞具有2 个叶绿体, 每个叶绿体呈前伸手指状突起, 内有1 蛋白核。不动细胞及运动细胞都具有2条较短的鞭毛及1 条定鞭体。模式样本来自阿拉伯海。

(三) 未确定种类及形态(Undescribed species/morphotype)

近年来有更多的棕囊藻新种或新形态被发现(Medlin et al, 2007; Doan-Nhu et al, 2010a; Rousseau et al, 2013; Novarino, 2014; Andersen et al, 2015)。Medlin 等(2007)报告了地中海海域分离的3 个未确定种: Phaeocystis sp.1 (PML559)(图5), Phaeocystis sp.2(图2f), Phaeocystis sp.3 (图3g)。其中Phaeocystis sp.1和Phaeocystis sp.3 为单细胞种类, 而Phaeocystis sp.2能够形成囊体, 其运动细胞形状不规则, 2 条鞭毛明显不等长且定鞭体无凸胀末端; 细胞表面无鳞片及纤维(图2f); 虽然18S rDNA 序列分析表明其属于球形棕囊藻分支, 但是ITS rDNA 序列分析却无法与其他球形棕囊藻株系聚类。Doan-Nhu 等(2010a)曾描述过越南沿海及南海广泛分布的一种棕囊藻单细胞形态(Phaeocystis spp.), 细胞近圆形, 大小约3 μm, 2 条鞭毛可能等长, 定鞭体不清楚, 能够形成五角星形结构, 具有2 种大小不同的圆形平坦的鳞片且与已知棕囊藻种类皆不同, 但由于原文及照片描述比较模糊无法进一步确定。

Novarino(2014)报道了地中海西部海域6 种棕囊藻单细胞形态(Morphotype 1—6), 其中Morphotype 1—3 分别对应了波切棕囊藻、球形棕囊藻及蜂窝状棕囊藻的运动细胞形态, 而其余3 种(Morphotype 4—6)与已知的棕囊藻种类皆不相符(图6—8)。其中Morphotype 4 为此海域中继Morphotype 2(即球形棕囊藻)之后的第二高丰度的细胞形态(图6), 其细胞大小为3—3.5 μm, 具不等长鞭毛, 没有定鞭体。基于鞭毛的长度, 此类细胞分为两种类型, 类型1(Form-1)细胞鞭毛分别长为7—8 μm 和5—6 μm 并能观察到五角星形线(图6a), 类型2(Form-2)细胞鞭毛长15—20 μm和10—12 μm 但未观察到星形线结构(图6e); 细胞表面覆盖2 种鳞片, 大的椭圆形为0.44 μm×0.31 μm 和小的圆形鳞片平均直径为0.13 μm (图6b—6d), 此种最有可能为棕囊藻新物种(Novarino, 2014)。Morphotype 5 在地中海的分布及数量稀少, 大多数为3—4 μm细胞, 具有 2 条不等长鞭毛分别为 20—30 μm 和15—22 μm 长(图7)。五角星形线结构中间部分无孔,被纤维物质紧密围绕。细胞表面的椭圆形鳞片非常类似波切棕囊藻, 但是大小有较大差别。此形态与波切棕囊藻经常同时出现, 因此推测很可能是波切棕囊藻的某个生活史阶段(Novarino, 2014)。Morphotype 6仅观察到一个样品, 其直径约3 μm, 2 条不等长鞭毛分别长5 和3.5 μm(图8)。细胞被10 个未完全展开的纤维丝包所包围, 未见五角星形或九角星形结构(如果这些纤维丝能够完全展开, 可能会形成类似五角星线结构)。外覆鳞片只有1 种类型大小约0.60 μm×0.51 μm, 鳞片大小及外形类似蜂窝状棕囊藻, 但没有观察到其特征性的九角星形线形结构。目前一个共性问题是尚不能确定这些细胞型能否代表生物学上独立的棕囊藻种类, 还是同一个种不同生活史阶段的细胞形态, 需要进一步结合分子遗传信息、生活史研究及传统形态学观察来综合确定。

图4 单细胞型棕囊藻(蜂窝状棕囊藻和冠状棕囊藻)的细胞形态特征(引自Moestrup, 1979; Andersen et al, 2015)Fig.4 Microscopy of solitary Phaeocystis (from Moestrup, 1979;Andersen et al, 2015)

虽然未确定的棕囊藻种类或形态较多, 仅从地中海海域就描述了6 种未定种(株)(不包括已确定的5种: 波切棕囊藻、球形棕囊藻、蜂窝状棕囊藻、心形棕囊藻及杨棕囊藻), 但是它们是否属于表型、生理、基因抑或生态的多态性还不能确定。棕囊藻复杂的生活史是理解问题的关键所在。在所有棕囊藻种类中,有7 种已确定具有多个形态迥异的生活史阶段, 除了能够形成囊体的波切棕囊藻、南极棕囊藻和球形棕囊藻, 还包括杨棕囊藻、心型棕囊藻、蜂窝状棕囊藻及冠状棕囊藻(Vaulot et al, 1994; Peperzak et al, 2000;Rousseau et al, 2007; Gäbler-Schwarz et al, 2013;Andersen et al, 2015)。因此考虑到种内多态性的存在,这些未确定种类及形态必须要在明确其生活史的基础上才能得以确定。再者由于获得信息不对称, 如早期的种类描述中只有囊体形态而没有细胞超微结构及鳞片等电镜观察特征, 后来的研究中有些种类不能分离培养而无法获得其DNA 序列信息, 加之棕囊藻本身复杂的异型生活史, 增加了太多的不确定性,使得棕囊藻种类的鉴定变得更为错综复杂。

但不管怎样, 不论从形态学还是分子遗传信息来讲, 目前棕囊藻属的种类多样性被低估是毋庸置疑的(Medlin et al, 2007)。越来越多的超微型真核生物研究表明, 定鞭藻类是热带、亚热带海洋生态系统中重要的初级生产者, 是2—8 µm 真核生物类群的优势种, 但对于其种类组成还远不了解, 大部分种类以“类群”和“未培养克隆(Uncultured clone)”的形式出现(Liu et al, 2009; Masquelier et al, 2011; Lin et al, 2014;Shih et al, 2019)。因此棕囊藻属可能远不止目前已描述的10 种, 一方面由于棕囊藻单细胞个体微小, 在常规显微检测中很容易被忽略; 另一方面由于棕囊藻具有较强的生态适应性, 它们的分布极其广泛, 但目前调查取样的范围与样品还远远不够, 尤其是基因库中大量“未培养克隆”种类的存在, 表明全球范围内棕囊藻种类多样性的工作还有很大的研究空白,有待于结合实验室分离培养、形态观察及分子鉴定等技术手段进行深入探索与发现。

2 棕囊藻的系统进化及地理分布

棕囊藻是对温度和盐度适应性非常广的海洋微藻,生境多样, 从南北极到赤道的沿海及大洋生态系统中皆有分布(Schoemann et al, 2005; Verity et al, 2007)。

图5 地中海海域报道的未定种棕囊藻鞭毛藻细胞特征 [Phaeocystis sp. 1 (PML 559), 引自 Medlin et al, 2007]Fig. 5 LM, TEM and SEM micrographs of flagellated stages of Phaeocystis sp. 1 (PML 559, from Medlin et al, 2007)

图7 地中海海域棕囊藻鞭毛藻细胞形态5 (Morphotype 5)(引自Novarino, 2014)Fig.7 Phaeocystis morphotype 5 from Mediterranean Sea (from Novarino, 2014)

图8 地中海海域棕囊藻鞭毛藻细胞形态6 (Morphotype 6)(引自Novarino, 2014)Fig.8 Phaeocystis morphotype 6 from Mediterranean Sea (from Novarino, 2014)

群体型棕囊藻由于能够形成肉眼可见的囊体且能引发大规模藻华而备受关注, 其丰度极高(发生藻华时细胞丰度可达106—108cells/L), 其中经常发生藻华的种类有南极棕囊藻、波切棕囊藻及球形棕囊藻,并且具有特定的地理分布范围: 南极棕囊藻主要分布在南极周边海域; 波切棕囊藻分布在北半球高纬度的北冰洋、北大西洋海域; 球形棕囊藻主要分布在北大西洋、北海沿海等温带海域及热带、亚热带海域。这些群体型棕囊藻特定的地理分布特征具有其生理学基础, 野外观察和实验室研究表明南极棕囊藻的温度耐受范围介于＜-2—14°C, 最适生长温度为4.5°C; 波切棕囊藻温度耐受范围介于＜-2—14°C, 其最适生长温度为 8°C; 而球形棕囊藻耐受范围为＜-0.6—22°C, 最适生长温度为16°C, 后者的温度范围及最适生长温度(尚未包括热带亚热带海域球形棕囊藻株系)明显高于前两者(Jahnke et al, 1987; Jahnke,1989; Medlin et al, 1994)。尤其是随着海域富营养化的加剧以及全球气候的异常, 球形棕囊藻藻华的发生范围不断扩大, 逐渐覆盖热带、亚热带海域。1990年夏季在科威特湾首次发生棕囊藻藻华(Al-Hasan et al, 1990); 1996 年夏季在阿拉伯海外海又暴发了球形棕囊藻藻华(Madhupratap et al, 2000); 1997 年10 月中国东南沿海首次暴发球形棕囊藻藻华后在南海沿海迅速扩展, 其藻株耐受水温高达30°C 以上, 最适温度为25°C, 明显高于北温带海域的球形棕囊藻株系(Shen et al, 2011; Xu et al, 2017); 越南沿海从2002—2008 年几乎年年都暴发大规模的球形棕囊藻藻华(Doan-Nhu et al, 2010b); 南海沿海球形棕囊藻藻株由于形成的囊体巨大(直径超过3 cm)且能耐受高温,形成了非常独特的球形棕囊藻分支(王小冬等, 2012;Medlin et al, 2007; Smith et al, 2014; Liu et al, 2015)。

相对于群体型种类, 单细胞种类棕囊藻发现较晚, 第一种即蜂窝状棕囊藻于1979 年才在新西兰海域发现(Moestrup, 1979), 但这并非表明单细胞棕囊藻的细胞丰度低, 实际上这些种类的细胞丰度亦较高, 如心形棕囊藻在地中海海域细胞丰度最高可达105cells/L (Zingone et al, 1999), 而中国东海北部海域心形棕囊藻和杨棕囊藻的混合丰度超过107cells/L(Lin et al, 2014)。由于棕囊藻单细胞个体微小, 而且常规固定方法很容易引起细胞变形, 同时又需要专门的研究工具才能准确鉴定, 因此单细胞种类的研究相对较少, 其地理分布记录零星而分散: 如之前蜂窝状棕囊藻只在新西兰有记录, 扬棕囊藻及心形棕囊藻仅在地中海中部海域发现(图9a, Schoemann et al,2005), 新种冠状棕囊藻仅在阿拉伯海域有记录。但随着研究的发展, 近年来单细胞种类的分布记录不断增加: 蜂窝状棕囊藻陆续在越南沿海及南海(Doan-Nhu et al, 2010a)、澳大利亚(Hallegraeff, 1983)、热带大西洋(Estep et al, 1984)、北太平洋(Baumann et al, 1994)、格陵兰岛(Moestrup et al, 2003)、巴西(Bergesch et al, 2008)、地中海西部(Novarino, 2014)等海域被发现, 遍布南北半球的热带、温带及寒带海洋, 表明此种应该是世界广布性种类; 心型棕囊藻和杨棕囊藻在中国东海及南海海域(Lin et al, 2014; Wu et al, 2015)、斯堪的纳维亚沿海(Guiry et al, 2020)、新西兰(Guiry et al, 2020)、北太平洋、印度洋、红海等(Decelle et al, 2012)均有报道并且丰度较高, 分布范围涵盖了赤道到温带的广阔海域, 亦验证了“全球广泛分布种”的推测(Zingone et al, 1999)。

除此以外, 尚有大量的“未确定种类”存在并且遍布全球各大海洋(图9a, Schoemann et al, 2005), 如前述地中海海域就有多种未确定种类或细胞形态, 还有很多“未培养克隆”棕囊藻种类的存在, 不仅分布极其广泛, 而且丰度较高(Lin et al, 2014; Wu et al, 2015)。有些棕囊藻还以共生的形式存在(Decelle et al, 2012),研究表明这些棕囊藻与放射虫共生, 分布广泛且丰度极高, 遍布全球开阔大洋, 包括太平洋、印度洋、红海、地中海、英吉利海峡、南大西洋和南极洲。其中在亚热带太平洋、热带印度洋及地中海海域发现的几种未确定种棕囊藻(Phaeo1, Phaeo2), 其进化地位位于棕囊藻系统进化的最基部分支(早于心形棕囊藻和杨棕囊藻分化), 可为棕囊藻暖水起源的重要佐证(Decelle et al, 2012)。而且地中海海域出现的未确定种(Phaeo1, Phaeo2)能否与前面所描述的未确定种(Phaeocystis sp.1—sp.3)及形态(Morphotype 4—6)相对应起来尚不得而知, 后续可以通过建立藻类纯培养将分子克隆信息与细胞形态特征有机结合起来进行研究。

综上所述, 棕囊藻属的全球分布范围尤其是新种的分布, 需要进一步重新审视, 我们在Schoemann等(2005)的基础上将至今发表的相关信息进行了补充与更新(图9b; 主要参考Guiry et al, 2020)。前后对比发现有两个特点, 一是种类分布上, 球形棕囊藻、心型棕囊藻及蜂窝状棕囊藻的地理分布范围有显著的增加, 尤其是心型棕囊藻和蜂窝状棕囊藻, 已被证实为全球广泛分布种, 因此预计其地理分布记录会越来越多; 二是分布范围上显示了 3 个热点区域(Hotspot), 1 个位于地中海海域, 1 个在中国南海海域及其邻近太平洋海区, 1 个位于印度洋阿拉伯海域,这几个热点位于低纬度热带、亚热带及其邻近海区,种类多样性较高, 尤其是地中海海域是浮游植物多样性极高的地区(López, 1994), 推测极有可能还存在其他棕囊藻种或新种, 与前述的地中海海域出现多种未确定种(株)的现象相呼应。

图9 棕囊藻的地理分布比较图(改自Schoemann et al, 2005)Fig.9 Geographical distribution of the genus Phaeocystis(modified from Schoemann et al, 2005)

图10 基于18S rDNA 序列构建的17 个棕囊藻种(株)和其他定鞭藻类的最大似然法系统发育树(fastDNAml)(Medlin et al,2007)Fig.10 Maximum-likelihood phylogeny (fastDNAml) of 17 Phaeocystis species/strains and other prymnesiophytes inferred from 18S rDNA (Medlin et al, 2007)

Lange 等(2002)利用18S rDNA 及ITS1 rDNA 基因序列对全球分布的22 株棕囊藻进行了系统发育分析, 发现单细胞类型地中海杨棕囊藻(P. jahnii)和心形棕囊藻(P. cordata)位于系统进化树的基部分支, 分化时间较早, 应该为全球广泛分布种(图10)。而群体型种类分化时间较晚, 又各自演化为一冷水型复合种(北极的波切棕嚢藻和南极的南极棕嚢藻)和一暖水型复合种(包含球形棕嚢藻在内)。地中海区域的杨棕囊藻和心形棕囊藻可能是约500 万年前大西洋海水灌入干涸的地中海盆地而引入的(Hsü et al, 1977)。而南极棕囊藻和波切棕囊藻虽然分布在地球两极, 地理分布距离最远, 但亲缘关系最近, 位于进化树的同一分支, 由共同的祖先进化而来(图10, Medlin et al,2007)。可以说, 前面所观察到所有形态及生理上的变异皆具有其坚实的遗传基础, 证实源于不同气候区(即北极、南极和温带/热带地区)的群体型棕囊藻的种水平上的分离。相反, ITS1 表现出大量的种内及种间遗传分化, 除南极棕囊藻外, 其他棕囊藻种不同地理株ITS1 存在多重拷贝, 尤其球形棕囊藻可能是包括至少三个种(亚种)在内的复合种(Medlin et al, 2007),这也可以解释为什么球形棕囊藻的分布范围能够跨越不同的气候区(温带、亚热带、热带等)而南极棕囊藻只局限于南极附近海域。

Medlin 等(1994)以rRNA 基因为分子指标同时结合Ochman (1987) rRNA 分子钟概念对定鞭藻类进行了研究分析, 提出棕囊藻为一种暖水起源的全球性分布藻类, 随着地球气候变化逐渐分化出冷水种。之后Medlin 等(1997)又根据球石藻化石记录对定鞭藻纲分子钟进行了校正, 将棕囊藻起源估算至7500万年前。随后全球气温骤降, 出现不同温度水团, 冷水种得以分化。根据校正后的定鞭藻分子钟推断冷水种从暖水种中分化时间约在6000 万年前, 南极德雷克海峡的形成使大西洋和太平洋得以连通从而形成环绕南极大陆的南极环流(ACC), 将南极大陆沿岸水团与北部水团有效分隔, 棕囊藻逐渐被隔离分化出一支南极冷水种(Medlin et al, 2007)。波切棕囊藻和南极棕囊藻虽然分布于地球两极, 但却是亲缘关系最近的姊妹株, 南极海域这一冷水种即是它们的祖先(Medlin et al, 1994)。这表明扩散不是从现今的暖水种向两极扩散演化成现今的冷水种, 而是跨越了热带地区的两极之间的基因流。研究发现这2 种冷水种的进一步分化约在2000—1500 万年前第三纪的中新纪,全球海洋有一次短暂的变暖事件(Crame, 1993)。而在此之前, 全球水温相对较低, 允许南极海域的冷水种棕囊藻存活并越过赤道区域到达北半球。但是这次短暂变暖事件使地球升温, 将南北两极的棕囊藻隔离分化, 最终形成南极的南极棕囊藻和北半球的波切棕囊藻。Darling 等(2000, 2004)在有孔虫的研究中也发现南北两极之间确实存在跨越热带地区的基因流,为棕囊藻从南极向北极的传播分化过程提供了间接证据。而最近Wu 等(2015)在热带海域南海西南沿海冷涡区域发现了大量南极棕囊藻和波切棕囊藻的存在, 与暖水种球形棕囊藻一起贡献了9%—67.1%的叶绿素生物量。这些冷水种类到底从哪里来, 是本地起源还是外来物种, 其适应机制如何, 还无从考究,但这一发现或许能够为棕囊藻两极之间的传播途径提供直接的证据。

除了单细胞型和群体型, 近来还发现了介于二者之间的中间进化类型, 即2015 年在阿拉伯海域发现的新种冠状棕囊藻, 目前仅观察到单细胞形态存在, 但其细胞个体较其他棕囊藻种类都大, 尤其外被的多层不定形有机鳞片和指状突起的叶绿体特征,与其他棕囊藻种有显著的差别(Andersen et al, 2015)。系统进化分析结果显示, 冠状棕囊藻是介于单细胞种类(心形棕囊藻和扬棕囊藻)和群体型种类(球形棕囊藻、南极棕囊藻、波切棕囊藻)的中间进化类型, 在遗传距离上更接近南极棕囊藻, 表明囊体的形成是后来衍生的特征(图11, Andersen et al, 2015)。有关此种的地理分布范围、生活史等诸多问题尚不得而知,但这一中间进化类型的发现无疑对于我们完整理解棕囊藻属的系统进化具有重要意义。

图11 利用最大似然法(RAxML, 28 个种类, 4824 个对齐位置)基于5 种基因序列(线粒体16S rRNA, 18S rRNA and 28S rRNA, 质粒 psbA and rbcL 基因)构建的可培养棕囊藻种类的系统发育树(Andersen et al, 2015)Fig.11 Phylogenetic tree of Phaeocystis inferred from a concatenated alignment of five genes (the ribosomal 16S rRNA, 18S rRNA and 28S rRNA, and the plastidial psbA and rbcL genes) using Random Axelerated Maximum Likelikhood(RAxML, 28 taxa with 4824 aligned positions) (Andersen et al, 2015)

3 展 望

根据棕囊藻属不同类型种类发现的先后顺序,如群体型种类先被发现, 后来发现的种类多为单细胞型, 推测那些未被描述的种类或者新种都应以单细胞种类为主(Andersen et al, 2015)。而且随着环境样品分子标记及高通量测序等深度、广度技术的应用,出现了更多的“未培养克隆”棕囊藻种类(Lin et al,2014; Wu et al, 2015), 不仅分布极其广泛, 而且丰度都较高。从生物多样性的角度来看, 这些遗传信息所代表的多样性还需要从形态学上进一步相互验证。但无论如何, 新的分子生物学技术的应用对于深入了解全球范围内棕囊藻属的种类多样性及其地理分布特征、发现新的棕囊藻种类都具有极大的推动作用。棕囊藻属的种类多样性研究, 正面临前所未有的机遇与挑战, 相信今后在传统的分类学与分子生物学组学等技术相结合的基础上, 将更加清晰揭示全球棕囊藻的物种多样性、遗传多样性与生态系统多样性分布格局。