斜生柵藻誘導(dǎo)型防御的權(quán)衡策略與代價(jià)分析及在轉(zhuǎn)錄組水平上的差異.pdf

1、在生態(tài)系統(tǒng)各營(yíng)養(yǎng)級(jí)中，許多生物為了抵御較高營(yíng)養(yǎng)級(jí)的捕食作用，在與其捕食者的長(zhǎng)期協(xié)同進(jìn)化過(guò)程中形成了多種多樣的防御方式。防御方式按防御的時(shí)效性可分為誘導(dǎo)型防御和組成型防御。柵藻（Scenedesmus spp.）是一類具有典型誘導(dǎo)防御的藻類，在全球范圍內(nèi)的淡水水體中廣泛存在。柵藻能夠響應(yīng)枝角類、輪蟲等的信息素，形成4細(xì)胞、8細(xì)胞甚至更多細(xì)胞的真定型群體。防御理論認(rèn)為，任何形式的防御均伴隨著代價(jià)。柵藻形成防御群體后，由于比表面積的降低，導(dǎo)致

2、“包裹效應(yīng)”和較高的沉降速率，因此柵藻的誘導(dǎo)型防御必然伴隨著代價(jià)的產(chǎn)生。然而以往的眾多研究均未能觀察到柵藻在形成防御群體時(shí)付出的直接代價(jià)（如生長(zhǎng)率的下降）。柵藻誘導(dǎo)型反牧食防御作為誘導(dǎo)防御理論研究的重要模式系統(tǒng)，對(duì)于其代價(jià)的研究已然是亟待解決的重要問(wèn)題。本文以斜生柵藻(S.obliquus)為對(duì)象，研究在環(huán)境資源可得性不足時(shí)誘導(dǎo)型防御群體的產(chǎn)生是否會(huì)伴隨著直接的生長(zhǎng)代價(jià)。此外，當(dāng)環(huán)境中存在多重的選擇壓力時(shí)，防御代價(jià)的存在必然會(huì)導(dǎo)致生物在

3、表達(dá)防御和抵御其他環(huán)境壓力間權(quán)衡。因此，本文從種間競(jìng)爭(zhēng)、環(huán)境污染物脅迫以及長(zhǎng)期反復(fù)施加牧食壓力等方面開展了研究，以探討柵藻誘導(dǎo)型反牧食防御在多重環(huán)境壓力下的權(quán)衡策略和代價(jià)表現(xiàn)。同時(shí)，本文利用高通量測(cè)序手段研究斜生柵藻表達(dá)誘導(dǎo)型反牧食防御群體時(shí)在轉(zhuǎn)錄組水平上的變差異表達(dá)，以揭示斜生柵藻誘導(dǎo)型反牧食防御策略的內(nèi)在調(diào)控機(jī)制。本文的研究結(jié)果主要包括以下6個(gè)方面:
　　1、斜生柵藻誘導(dǎo)型反牧食防御在環(huán)境資源可得性受限時(shí)存在權(quán)衡和直接代價(jià)

4、r>　　在研究中發(fā)現(xiàn)，斜生柵藻誘導(dǎo)型反牧食防御的表達(dá)依賴于充足的環(huán)境資源。當(dāng)環(huán)境資源可得性降低時(shí)，柵藻的防御強(qiáng)度受到影響。不同的環(huán)境資源對(duì)柵藻防御的影響不同。光照強(qiáng)度降低限制了柵藻防御群體的形成;最大防御群體大小隨磷元素水平的下降而有降低的趨勢(shì);氮元素水平的降低不會(huì)影響防御的最大值，然而低氮水平下防御群體的持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)了。在鎂和鈣兩種金屬元素缺乏時(shí)，柵藻不能形成防御群體。在環(huán)境中磷元素和鎂離子缺乏時(shí)，柵藻形成防御型群體伴隨著較高的生長(zhǎng)代

5、價(jià)，生長(zhǎng)率表現(xiàn)出顯著的下降。在對(duì)缺氮和缺磷狀態(tài)下柵藻胞外固著性、溶解性多聚糖和胞內(nèi)多聚糖的測(cè)定中發(fā)現(xiàn)，大型溞濾液顯著提高了柵藻胞內(nèi)和胞外多聚糖的含量。缺氮時(shí)柵藻合成更多的多聚糖，而缺磷時(shí)多聚糖的含量差異不顯著。研究結(jié)果表明，光照強(qiáng)度、磷元素、鎂離子和鈣離子的缺乏時(shí)柵藻存在防御和生長(zhǎng)間的權(quán)衡，防御群體顯著減少以維持較高的生長(zhǎng)率;氮元素缺乏卻顯著延長(zhǎng)了防御群體持續(xù)的時(shí)間;在磷元素和鎂離子缺乏時(shí)，柵藻形成防御群體伴隨著直接的生長(zhǎng)代價(jià)。

6、　　2、斜生柵藻種間競(jìng)爭(zhēng)和誘導(dǎo)型反牧食防御的權(quán)衡
　　斜生柵藻在面臨種間競(jìng)爭(zhēng)和捕食壓力雙重壓力時(shí)，在形成大但是沉降較快的多細(xì)胞（有利于防御）和形成小卻容易被牧食的單細(xì)胞、（有利于競(jìng)爭(zhēng)）兩種細(xì)胞形式間存在權(quán)衡。在與銅綠微囊藻、小球藻和針桿藻共存時(shí)，柵藻防御強(qiáng)度顯著削弱;并且形成防御群體的柵藻在競(jìng)爭(zhēng)壓力下表現(xiàn)出顯著的生長(zhǎng)抑制，柵藻的競(jìng)爭(zhēng)能力下降。柵藻防御強(qiáng)度與環(huán)境中共存的其他藻類的生物量負(fù)相關(guān);共存者生物量很高時(shí)，柵藻減少防御群體的表

7、達(dá)，以維持較高的競(jìng)爭(zhēng)能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，誘導(dǎo)型反牧食防御的表達(dá)所伴隨的代價(jià)導(dǎo)致了柵藻在面臨多重選擇壓力時(shí)存在必要的權(quán)衡策略。
　　3、藻類和大型水生植物的次生代謝產(chǎn)物影響斜生柵藻的誘導(dǎo)型反牧食防御
　　本實(shí)驗(yàn)研究了斜生柵藻在微囊藻毒素(MC-LR)和大型水生植物浸提液影響下誘導(dǎo)型反牧食防御群體形成的變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，MC-LR作用下柵藻誘導(dǎo)型防御群體的變化不顯著，且未顯著影響柵藻的正常生長(zhǎng)。而四種大型水生植物的浸提液卻促使

8、柵藻產(chǎn)生更多的防御群體;不僅如此，柵藻的正常細(xì)胞增殖也受到了顯著的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，MC-LR對(duì)柵藻生長(zhǎng)和防御的干擾較弱;大型植物在與柵藻共存時(shí)產(chǎn)生的次生代謝產(chǎn)物對(duì)柵藻防御群體的形成有促進(jìn)作用，但是顯著干擾了柵藻的正常生長(zhǎng)。
　　4、重金屬和表面活性劑干擾了斜生柵藻防御群體的形成
　　實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，非致死濃度下重金屬鋅(Zn2+)嚴(yán)重抑制了斜生柵藻對(duì)大型溞信息素的響應(yīng)。溫度升高顯著增強(qiáng)了Zn2+對(duì)柵藻的毒性作用。三種表面活性

9、劑（十二烷基硫酸鈉SDS、十二烷基二甲基芐基溴化銨BZK和壬基酚聚氧乙烯醚NPE40)在很低的濃度下對(duì)柵藻誘導(dǎo)型防御群體的形成存在非常顯著的干擾。其中陰離子表面活性劑SDS不僅促進(jìn)了柵藻形成更多的防御群體，并且在無(wú)大型溞信息素存在時(shí)能夠誘導(dǎo)柵藻形成群體;陽(yáng)離子表面活性劑BZK和非離子表面活性劑NPE40抑制了柵藻防御群體的形成。實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)四種環(huán)境污染物對(duì)于柵藻群體防御的影響存在顯著的濃度相關(guān)性，即隨著污染物濃度的升高影響更為顯著。實(shí)驗(yàn)

10、結(jié)果表明環(huán)境污染物干擾了柵藻誘導(dǎo)型反牧食防御的形成。
　　5、長(zhǎng)期反復(fù)的大型溞信息素誘導(dǎo)下斜生柵藻誘導(dǎo)型防御的權(quán)衡
　　本實(shí)驗(yàn)設(shè)置了兩種不同的長(zhǎng)期反復(fù)誘導(dǎo)模式:1.當(dāng)斜生柵藻防御群體基本消失后再次誘導(dǎo);2.當(dāng)柵藻防御群體達(dá)到峰值時(shí)再次誘導(dǎo)。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在兩種反復(fù)誘導(dǎo)模式下，柵藻防御群體的最大值均有隨著誘導(dǎo)次數(shù)增加而下降的現(xiàn)象。在第一種模式下，柵藻防御群體強(qiáng)度于第4個(gè)周期時(shí)出現(xiàn)顯著的削弱，而在10個(gè)周期的反復(fù)刺激后，防御群體

11、仍能維持在2.5個(gè)細(xì)胞左右。在第二種模式下，柵藻群體防御能力迅速下降，于第4個(gè)周期時(shí)已降至最大群體大小低于2.5個(gè)細(xì)胞，第5個(gè)周期后防御群體低于2個(gè)細(xì)胞，已基本無(wú)法形成有效的防御。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，柵藻防御群體會(huì)隨著多次反復(fù)的信息素刺激而削弱，且與刺激的頻率和周期有顯著的相關(guān)性。
　　6、轉(zhuǎn)錄組水平的研究揭示了柵藻誘導(dǎo)型反牧食防御的內(nèi)在調(diào)控機(jī)制
　　本實(shí)驗(yàn)通過(guò)高通量測(cè)序技術(shù)，研究了斜生柵藻誘導(dǎo)型反牧食防御在轉(zhuǎn)錄組水平上的機(jī)制。測(cè)

12、序結(jié)果顯示，柵藻誘導(dǎo)型反牧食防御可能是通過(guò)磷酸肌醇代謝途徑和植物—寄生者相互關(guān)系途徑接收并傳遞防御信號(hào);通過(guò)上調(diào)光合固碳途徑合成更多的碳水化合物，上調(diào)淀粉和蔗糖代謝以及半乳糖代謝途徑生產(chǎn)多聚糖的原料。并且還發(fā)現(xiàn)眾多下調(diào)途徑（如核糖體的生物合成，過(guò)氧化物酶系，葉酸的生物合成等），說(shuō)明柵藻防御群體的形成以細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)生物合成降低，抗氧化體系的抑制以及細(xì)胞分裂等為代價(jià)。
　　綜上所述，本研究發(fā)現(xiàn)，在資源受限、競(jìng)爭(zhēng)、環(huán)境脅迫等條件下斜生柵