1、第 1 页 共 22 页拟 攻 读博 士 学 位 计划 书定鞭 金藻 （Haptophytes）在中 国典 型海域 的群 落结构 及其 生态学 功能目 录第 一 部 分 ：对 国 内 外 现 有 研 究 的 认 识 . 11、引 言 （Introduction）. 11.1 海 洋 微 型 生 物 生 态 学 概 述 （Summary on Marine Microbial Ecology）. 11.2 定 鞭 金 藻 门 类 （Taxonomy of Haptophyta）. 22、定 鞭 金 藻 的 研 究 现 状 （Research Status of Haptophytes）. 42.
2、1 定 鞭 金 藻 的 代 表 性 物 种 （Typical Species of Haptophytes）. 42.2 定 鞭 金 藻 有 害 藻 华 的 毒 理 学 机 制 及 其 他 环 境 效 应 （Toxicological Mechanisms onHarmful Algae Blooms for Haptophytes and Other Environmental Effects）.72.3 显 微 技 术 、 流 式 细 胞 技 术 及 分 子 生 物 学 技 术 等 在 定 鞭 金 藻 研 究 中 的 应 用（Application of Microtechnique, F
3、low Cytometry and Molecular Biotech- nologies Etc. for Haptophytes Research）. 92.4 生 态 （毒 理 ）学 在 定 鞭 金 藻 研 究 中 的 应 用 （Application of Eco-(Toxico-)logy forHaptophytes Research）.112.5 生 物 信 息 学 在 定 鞭 金 藻 研 究 中 的 应 用 （ Application of Bioinformatics forHaptophytes Research）.123、定 鞭 金 藻 的 研 究 意 义 及 展 望 （
4、Research Meanings and Future Research for Haptophytes）. 14 第 二 部 分 ：读 博 工 作 安 排 与 预 期 目 标 . 15 参考 文献 ：. 17第 2 页 共 22 页第一部分 ：对国内外现有研 究的认识1、引言（ Introduction）1.1 海洋 微型 生物生 态学概述 （Summary on Marine Microbial Ecology） 海洋微型生物生态学是一门新兴学科， 是科学技术高速发展的产物。 它将地球上最大的 “海洋” 与最小 的 “微型生物” 通过 “生态学” 联系起来， 实现了宏 观与微观的耦合 （
5、陈宜瑜院士语。 近 20 年来， 新方法、 新技术在海洋领域的应 用导致了一系列有关微型生物的重大发现，推动了学科的形成和迅速发展 1。自上 世纪 70 年代 以来， 人们不 断加深 了对 海洋微 型生物 的认识 ，新 生 的理 论与认识在传承经典的同时， 也时常出现 “打破” 或 “颠覆” 式的超越 （图 1）。 海洋 微型 生 物是 地 球上的 第一批“ 居民，是 改造地 球环境 的先锋 。从古至 今， 海洋微型生物都在为调节全球变化默默无闻地工作着。 在这个过程中， 海洋微型 生物是生物量和生产力的主要贡献者，是生命和非生命系统联系的关键环节， 是 生源要素循环的重要驱动 力 1, 2。
6、然而， 人们对海洋微型生物的认 识还非常有限 ， 已经研究过的海洋微型生物不到总量的 1%3。图 1 海 洋 微 型 生 物 （微 型 生 物 生 态 学 ）研 究 进 程Fig.1 Research process for Marine Microbes (Microbial Ecology)由图 1 可知， 每一重要理论的认识都是通过某些代表性的海洋微型生物 （往 往是整个类群的研究）实现的，从而推动了海洋环境，乃至全球环境的研究。 因 此，对典型的海洋微型生物的 环境行为效应等进行深入研究有重要价值。第 3 页 共 22 页1.2 定鞭 金藻 门类（T axonomy of Haptop
7、hyta）定鞭金藻 （Prymnesiophyceae，又称为土栖 藻或普林藻 ，因其具有附 着鞭毛（Haptonema，20 世纪 50 年代前后 通常称其为触丝藻 （Haptophyceae。在早期 分类中， 定鞭金藻是从 金藻纲 （Chrysophyceae）中分离出来的 一个独立类群 （因 其色素体 带黄色） 4。直到 1962 年， Christensen 才将其 定 为金藻门 （Chrysophyta） 的一个纲， 即定鞭金 藻纲 （Prymnesiophyceae（如图 2-）5。但将定鞭 金藻从 金藻门中独立出来， “自立” 定鞭金藻门 （Haptophyta，经历了一个比较复
8、 杂的 历史分类 过程。 以定鞭金 藻门、 颗石藻目 （Coccolithales）藻类为例 ，20 世纪初 期 ，颗 石 藻 只是 一 个 属 （Coccolithophoridae；同 时 ，具 有两 条 规 则 鞭 毛 的 海 藻 都 归 属 于 等 鞭 金 藻 目 （Isochrysidales），并 因 其 会 产 生 棕 黄 色 的 色 素 体 而 被 归 于 金藻纲中。 这种分类忽略了其他具有两条规则鞭毛的金藻。 此后， 又发现了另一 种含有 3 条 （类） 鞭毛 （两条为 鞭毛- flagella，另一条 为顶鞭丝- haptonema（捕食 作 用 ） 的 微 藻 ，并 将
9、其 归 入 为 Prymnesiaceae 科 中 。20 世 纪 中 叶 ，一 个 新 属 微 藻 （巴夫藻属 -Pavlova）被发现， 因其具有 “第三条 ”鞭毛而 被 归入 Prymnesiaceae 中 。20 年 后 ，有 更 多 的 种 被 归 入 巴 夫 藻 属 ，从 而 新 立 了 一 个 科 巴 夫 藻 科（Pavlovaceae；20 世纪中叶的另一个 重要突破是定鞭金藻的结构得到 了阐释， 且 在 淡 水 和 海 域 都 发 现 了 它 的 踪 迹 。至 此 ，形 成 了 1 目 2 纲 等 鞭 金 藻 目（Isochrysidales）、定 鞭金藻 纲（P rymne
10、siaceae）和 巴夫藻 目（P avlovaceae），并 组成了一个 门 （class）定鞭金藻门 （Haptophyta。此后的超 微 结构观察显示 ， 以 上 各 类 微 藻 都 属 于 粘 着 性植 物 （haptophytes），结 合 亚 分 子 研 究 ，说 明 以上 分 类在形态学上是合理的 6。根据定鞭金藻鞭毛的规则性， 此后又将含有规则鞭毛的藻 类归入定鞭金藻类 群 ， 而 将 不 规 则 鞭 毛 微 藻 归 入 巴 夫 藻 类 群 ， 即 成 立 了 定 鞭 金 藻 纲（Prymnesiophyceae）和巴夫 藻纲 （Pavlovophyceae（图 2。考虑到 颗
11、石藻类 群具有超过 15 个现存属和 30 多个化石属， 而等鞭金藻、 定鞭金藻和棕囊藻类群 属 较 少 （不 超 过 4 个 ），因 此 成 立 了 4 个 目 定 鞭 金 藻 目 （Prymnesiales）、颗 石藻 目 （Coccolithales）、棕囊 藻目 （Phaeocystales）和等 鞭金藻 目 （Isochrysidales）（如 2 ）。虽 然 自 1976 年 Hibberd 将 定 鞭 金 藻 独 立 为 一 个 门 （Haptophyta）以 来，对其分类有了较 系统的认识，但将定鞭金藻定义为一个纲 （Haptophyceae） 的 情 况 仍 有 出 现 7,
12、 8。而 我 国 对 定 鞭 金 藻 的 分 类 比 较 不 统 一 ，如 胡 鸿 钧 等 9已 将 定鞭金藻独 立为一门， 但王立等 10仍将定鞭金 藻纲中的三毛金藻属 （Primnesium）第 4 页 共 22 页和等鞭金藻属 （Isochrysis）归于金藻门 ，对于巴夫藻类 群的 归属问题在藻类学著名专著 中国淡水藻类 系统、 分类和生态 中也未曾收 录 9。颗石藻目微藻 种群 数量与 定鞭金 藻纲很 接近， 但 4 目分 类已经 应用了 30 多年 ，因此 上述分 类 仍旧是当前的分类基础 6（如图 2 所示。图 2 定 鞭 金 藻 系 统 分 类 示 意 图Fig.2 Schem
13、atic diagram for systematic classification of Haptophyta2、定鞭金 藻的研究现状（ Research Status of Haptophytes）2.1 定鞭 金藻的代 表性 物种（ Typical Species of Haptophytes） 定鞭 金藻门 下属两 个纲， 共5个目 。其 共 有特点 是：单 细胞或 群体， 具周质膜， 有2条等 长的鞭 毛（及一 条顶鞭 丝， 色 素体 2个， 带状， 有的细胞 壁具有 碳 酸钙 小片。 生殖时 细胞纵 裂，或产 生2条鞭 毛的游 动孢子 。在淡 水或海水 中都有 分布种类。 巴夫藻目
14、和定鞭金藻目的主要区别是前者的鞭毛是不规则的， 且含有 眼壶（e yespot）及类瘤体结 构 （knob-like body），同时，二者的分 子 生物学差异 也得到了 证实 6。巴夫藻目 的代表性物种是 绿色巴夫藻 （Pavlova viridis）和路氏 巴夫藻 （Pavlova lutheri，其典型特征是定 鞭丝不能弯曲， 而定鞭金藻目如 小定 鞭金 藻 （Prymnesium parvum）和三 毛金藻 （Prymnesium parvum Cater）的定 鞭丝 可以弯曲， 且较发达， 这对其占据优势的生态位有重要作用。 定鞭丝极度退化的第 5 页 共 22 页两个类群是颗石藻目
15、和等鞭金藻目微藻， 前者的原生质外有鳞片， 如赫氏颗石藻（Emiliania huxleyi）和 钙板金藻 （Calcidiscus leptoporus）；而 后者的细 胞裸露， 原生 质外无 鳞片， 鞭毛 等长， 如等 鞭金藻 （Isochrysis zhanjiangesis，Isochrysis Parke 等）和 叉鞭 金 藻（ Dicrateria zhanjiangesis，Dicrateria inornata，Dicrateria Parke 等 ）。棕 囊 藻 属 最 早 由 Hariot于 1892年 在 Pouchet发 现 ，目 前 主 要 将 其 分 为 6类 ：
16、Phaeocystis pouchetii、Phaeocystis globosa、Phaeocystis scrobiculata、Phaeocystis antarctica、Phaeocystis cordata、Phaeocystis Jahnii11，主要 分布 于南 、北两 极及 寒、 温带 12（如 图3所示 ，图片来 源于N CBI数据 库 13。其 中，路氏 巴夫藻、 等鞭金藻是主要的海洋经济微藻 14。1 2A B第 6 页 共 22 页CD EA.1&2 路氏巴夫藻 Pavlova lutheri；B.1&2 小定鞭金藻 Prymnesium parvum；C. Cocc
17、olithophore sp.；D.1 等鞭金藻 Isochrysis、2 叉鞭金藻 Dicrateria；E.1 Phaeocystis sp. Cells、2 Phaeocystis globosa第 7 页 共 22 页图 3 定 鞭 金 藻 的 代 表 性 物种Fig.3 The typical species of Haptophytes第 8 页 共 22 页2.2 定 鞭 金 藻 有害 藻 华 的 毒 理 学 机 制 及其 他 环 境 效 应 （Toxicological Mechanismson Harmful Algae Blooms for Haptophytes and
18、Other Environmental Effects）2.2.1 有害 藻华有害藻 华 （Harmful Algae Blooms，HABs）事件通 常发 生于低海 拔的上升流 区 域 （upwelling regions）15，是 由 近 海 藻 类 种 群 密 度 过 高 而 致 ，且 常 伴 随 着 毒 素的释放。 这会造成当地生 态破坏， 经济受损， 同时 会对旅游业养殖业及水域 管理造 成不可估量的 损失 16。自 Chrysochromulina polylepis 藻华首 次 （1988 年） 在欧洲爆发以来，人们开始了 对 HABs 的关注 17。有害藻华的发 生，主要是绿藻
19、门（C hlorophyta）蓝藻门（ Cyanophyta） 硅藻门 （Bacillariophyta、金藻 门 （Chyosophyta、定 鞭 金藻门（Ha ptophyta和 甲 藻门 （Pyrrophyta）的代 表 性 物 种单 独或 混 合作 用 的 结 果。 其中 ，铜绿 微囊 藻（ Microcystis aeruginosa ）、 鱼 腥 藻 （ Anabaena sp. ）、 汉 氏 菱 形 藻 （ Nitzschia hantzschiana ）、 小 等 刺 硅 鞭 藻 （ Dictyocha fibula ）、 小 定 鞭 金 藻 （ Prymnesium parv
20、um）和薄甲 藻 （Glenodinium pulvisculus）是六大 门类的代表 性物种 18。对各 代表性藻类进行研究， 是实现有害藻华防治的理论依据， 也是海洋微型生物生态 学在海洋环境研究及全球气候变化监测等领域的重要内容之一。2.2.2 有害 藻华 的爆发 及毒 理学机 制 藻华发生时的有害性主要有两种情况： 释放毒性物质或因藻群繁殖而大量消耗 水 体 的 溶 解 氧 19 。 据 报 道 显 示 ， 颗 石 藻 （ Emiliania huxleyi 和 Calcidiscus leptoporus）和棕 囊藻 （Phaeocystis sp.：P. pouchetii-北极
21、洲 ，P. globosa-热带 和亚 热带海域和 P. Antarctica-南极洲 ）是有害 藻华爆发的主 要定鞭金藻类 群 15, 20。通 常认为， 有害藻 华的发生 与光照和 温度 21-23、盐度 22, 24、N/P 浓度与 比例 23, 25-29 有关，甚至还会受水体中病毒数量、活性等的影响 30。目前， 对棕囊藻有害藻华的爆发研究比较深入。 该藻自身具有毒性 ，危害较 大。 首先 ，该藻球形群体外围具有一层柔软的胶质被且藻体 含多糖， 当大量繁殖 形成赤潮时， 含胶质和糖的藻体便紧紧贴在鱼鳃上。 影响鱼的呼吸和摄食 ，致使 鱼类窒息， 缺氧而死亡。 其次 ，该藻巨大的生物量
22、 （尤其是黎明和傍晚时） 可造 成水体缺氧导致灾害。 再加上藻体和藻细胞死亡腐烂 后会产生溶血毒素等有毒物 质， 对水体 环境的破坏将持 续一定时间， 严重时会导 致鱼类大面积死亡 ，尤其对 网 箱 养 殖 和 对 虾 育 苗 危 害 更 大 。2012 年 ，南 极 海 域 出 现 大 面 积 海 藻 爆 发 ，美 国 宇航局 “大地” 卫星上搭载的 Modis 设备拍摄到数张图像。 科学家分析造成这次第 9 页 共 22 页事 故 的 主 要 是 棕 囊 藻 31 。研 究 较 多 的 另 一 有 害 藻 华 爆 发 种 是 小 定 鞭 金 藻 （P.parvum）。研究 表明，其生长和爆
23、发 与生态 环境有重要关 系。其中 ，水体盐度与 温 度 是 两 个 主 要 因 素 。当 盐 度 在 0.3-3.0%，温 度 在 5-30时 ，P. parvum 易 对 其 他 水生 动 植 物产 生 危害 22, 24。有研 究 认 为， 盐 度在 4.0-8.0 ppt 时 P. parvum 易 达 到生长峰值 32，而温度为 15- 24时会发生藻华 33。有 害 藻 华 的 爆 发 与 其 对 其 他 生 物 的 毒 害 作 用 往 往 是 一 个 同 步 过 程 。 以 Prymnesium parvum 为例 ，当环境发生 改变时 （主要是受食 物源的影响） ，P. par
24、vum 会根据不同的环境条件作出不同的响应。 环境中是否存在可供光合生 长利用的无 机 N/P 是决定 P. parvum 是否会大量繁 殖并产生毒素的关 键因 素。而藻类的过度 繁 殖 及 对 其 他 生 物 的 危 害 又 会 反 过 来 破 坏 整 个 生 态 系 统 ，产 生 负 反 馈 调 节 。P. parvum 的生长 繁殖及危害机理如图 4 所示。图 4 P. parvum 生 长 繁 殖 及 危 害 机 理 示 意 图 （综 合 自 文 献 34-37）Fig.4 Schematic diagram about growth-reproduction and toxicolo
25、gical mechanisms of P. parvum（Summarized from the references 34-37）2.2.3 定鞭 金藻 的其他 环境 效应 定鞭金藻大量繁殖， 消耗水体中的溶解氧并释放有毒物 质是其环境效应的一方面。 此外 ，定鞭 金 藻会分泌 大量的二甲 基丙酸噻啶 （dimethylsulfoniopropionate， DMSP，该物质具有 渗透调节 作用 （osmoregulation，以抵抗捕食者 及抗氧化。 同时， 定鞭金藻藻华发生时二甲基硫化物 DMS 是大气中硫的主要贡献 者， DMS 具有吸潮作用， 使大气中云的密度增加， 易形成酸雨。
26、此外， 硫化物会以小颗粒第 10 页 共 22 页形式存在， 导致太阳光大量返 回宇宙中，因此地 球气温下降 15, 19, 38, 39。然而， 此结论有待进一步研究。定鞭金藻 藻华的另一个作用是海 洋的钙质沉淀 （calcareous sediments。其中， 钙 质 石 藻 （calcareous coccolithophores）是 主 要 贡 献 者 ，其 优 势 种 是 赫 氏 颗 石 藻（Emiliania huxleyi，但贡献最大的是 钙板金藻 （Calcidiscus leptoporus）15, 40, 41。2.3 显 微 技 术 、流 式 细 胞 技 术 及 分 子
27、 生 物 学 技 术 等 在 定 鞭 金 藻 研 究 中 的 应 用（ Application of Microtechnique, Flow Cytometry and Molecular Biotech- nologies Etc. for Haptophytes Research）微型生物个体极小， 成为研究发展的首要障碍。 微型生物的研究进展很大程 度上取决于技术的进步。 从技 术手段来说， 微型生物的研究经历了三大 “变革： 以 显 微 技 术 为 基 础 的 观 察 分 析 ，以 流 式 细 胞 技 术 （FCM）为 基 础 的 快 速 测 定 和 以分子生物学技术为基础的多样性分
28、析与功能 因分析 1。定鞭金藻作为微型生 物的一支，也经历了以上三个方法学的发展过程。2.3.1 种群 分类 及生物 多样 性分析 按 照 国 际 惯 用 的 生 物 粒 级 尺 度 标 准 ，海 洋 单 细 胞 浮 游 生 物 大 致 可 划 分 为 三类： 网采浮 游生物 （Netplankton，20200 m；纳微型 浮游生物 （Nanoplankton，220 m；皮微型 浮游生 物 （Picoplankton，0.22 m1。据此， 定鞭金 藻基本都 属于纳微型 浮游生物， 如 P. parvum 是一种单细 胞微藻， 细胞大小为 8-15 m4-10m（长 宽） 42；棕囊藻细胞
29、 呈球形或近球形 ，直径为 2.57.0 m，但群体胶质 囊大小可达 1102600 m10。随着更多超微 型海洋生物的发现 ，基于粒级尺度 的 划分标准已不适用， 但显微技术仍然是微型生物研究必不可少的手段。 常用的显 微技 术有透 射电子 显微技 术 （Transmission Electronic Microscopy，TEM）和表 面（落 式 ）荧 光 显 微 技 术 （Epifluorescence Microscopy，EFM）43-46。而 流 式 细 胞 技术可以实现对定鞭金藻的快速分类与定量 1, 47。虽然分子生物学技术起步较早， 但真正被大规模应用于海洋微型生物方面的 研究还是在 90 年代以后 ，其代表性 研究是 Giovannoni 等利用 PCR 扩增 16S rRNA 片段的技术研究了大西洋马尾藻 海的浮游细菌群落结构 48。与传统分类方法不同 的是， 分子生物学技术是基于物种遗传物质的异同而进行归类的， 正是因为分子 生物学的参与 （与形态观察相 结合， 才使得对定鞭金藻的 传统分类有了新突破， 其结果如图 2 所示。 根据现 有报道显示， 被广泛用于定鞭金藻种群分类及生物多 样性 分 析 的分 子生 物学 技术（ 手段 ）主 要有 ：PCR 扩增 技术 49-51、DNA 测序 技
