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白令海是太平洋沿岸最北的边缘海,在全球气候变化研究中具有很重要的地位,同时也是全球渔业的主要产区之一。借美国白令海生态研究科考2008年春季航次mN0802的机会,获得了宝贵的实验材料和数据。论文围绕浮游植物特别是硅藻展开了形态学、生态学、生理学和分子生物学的研究。介绍了白令海东部海域的特点,研究了白令海东部海域各种环境因子和浮游植物的地理分布特征,探讨了两者之间的相互关系。在环境因子的测定中,将尿素作为一个重要因子加以讨论,结合了海区尿素测定,甲板模拟培养实验以及实验室尿素实验三方面的结果,探讨了尿素对硅藻细胞生长的影响。最后对该海区浮游植物优势种(Thalassiosira antarctica,T.nordenskioeldii和T.hyalina)进行了遗传多样性和系统进化分析,探讨高纬度海区不同生境下浮游植物在分子遗传水平上的差异。主要研究结果如下:
1)共采集白令海东部海域水样55个,其中分层站位样品30个,叶绿素最高层样品25个。共鉴定到浮游植物155种,其中硅藻35属135种,甲藻7属14种,金藻1属1种,绿藻1属1种和裸藻2属4种。优势种有拟齿圆筛藻(Coscinodiscus pseudodenticulatus)、圆柱脆杆藻(Fragilaria cylindrus)、海岛脆杆藻(F.islandica)、海洋脆杆藻(F.oceanica)、克格伦拟脆杆藻(Fragilariopsiskerguelensis)、范氏舟形藻(Navicula vanhoeffenii)、南极海链藻(Thalassiosiraantarctica)、鼓胀海链藻(Zgravida)、透明海链藻(T.hyalina)、诺氏海链藻(T.Nordenskioeldii)和圆海链藻(T.rotula)。白令海东部海域浮游植物细胞丰度在0.084×104 cells/L～428.8×104 cells/L,之间,平均值为30.266×104 cells/L。其中最低值出现在北部冰层覆盖海区的圣马修岛附近的MN8.站位20m水层,最高值出现在南部开阔水域的24l站位20m水层。PCA分析发现,几种优势种如海洋脆杆藻(F.oceanica)、诺氏海链藻(T.nordenskioeldii)和圆海链藻(T.rotula)具有较高的正荷载系数。对各站位种类组成的聚类分析发现样品可分为2个群,分别为高细胞丰度浮游植物群,低细胞丰度浮游植物群。不同站位的样品的PCA得分和聚类分析情况基本体现出该海区浮游植物分布趋势的区域性和时间性,主要的影响因子是海冰覆盖情况和海水温度。在白令海东部海域环境因子对浮游植物分布的影响中,温度占了最主要的地位,同时协同温度对浮游植物生长具有积极影响的还有盐度、磷酸盐浓度、硝酸盐浓度、硅酸盐浓度和尿素浓度,而亚硝酸盐浓度和铵盐浓度相关性并不明显。
2)白令海东部海域的海水中尿素含量最高值为3.6μmol/L,平均值为1.2μmol/L(标准差为+0.733)。近岸或者靠近海底的区域尿素含量相对较高,尿素含量最高区与叶绿素a(Chla)最低区往往重合。不过,本次调查中浮游植物爆发水华的海区同时也是尿素含量最高的海区。甲板模拟实验结果表明,无生物群落海水中尿素会自然降解,有生物群落的海水中,尿素含量与细胞丰度峰值相反。浮游植物细胞丰度与尿素含量的相互作用中,尿素含量具有一定的提前性,可能与浮游动物摄食等影响有关。在实验室培养条件下,尿素产量与硅藻细胞丰度之间具有一定的同步性,非硅藻组并无此现象。在硅藻的不同生长期,胞外尿素含量可能与硅藻尿素产量和硅藻尿素摄取量之间的动态平衡有关。通过光暗对照实验表明,在硅藻细胞生长进入稳定期后关闭光源,胞外尿素含量明显降低。这可能是由于光照主要影响调控尿素循环的关键酶--CPSⅢ的活性。在衰退期关闭光源后,尿素含量并无大的波动,这可能是因为在衰退期,硅藻细胞尿素合成已经基本停止,所以并未显示出太大的影响。
3)基于三个序列片段的亚极地海链藻属系统进化分析发现,种以下的系统进化分析中,ITS rDNA最为灵敏,分辨度最高。对于属以下种间系统进化分析中,LSU rDNA效果最佳,不仅分类准确而且容错性高。SSU rDNA虽然在种间的或者种以下的解析度并不如LSU rDNA和ITS rDNA,但由于其相对保守性,以及GenBank上同源序列数据的丰富性,在进行海链藻属分类地位及其属内各种之间的系统进化分析时,具有较好的通用性。结合ITS-1和ITS-2二级结构和CBCs分析,发现在透明海链藻(T.hyalina)中分为两个基因型:(MMDL0001、MMDL0034)和(MMDL0094、MMDL0203),两组内可能不存在生殖隔离,而这两组之间却可能存在着生殖隔离现象。南极海链藻(T.antarctica)中,MMDL0075和其他藻株间可能存在生殖隔离现象。诺氏海链藻(T.nordenskioeldii)中,各藻株间可能不存在生殖隔离现象。