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

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

2、“包裹效應”和較高的沉降速率，因此柵藻的誘導型防御必然伴隨著代價的產(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付出的直接代價（如生長率的下降）。柵藻誘導型反牧食防御作為誘導防御理論研究的重要模式系統(tǒng)，對于其代價的研究已然是亟待解決的重要問題。本文以斜生柵藻(S.obliquus)為對象，研究在環(huán)境資源可得性不足時誘導型防御群體的產(chǎn)生是否會伴隨著直接的生長代價。此外，當環(huán)境中存在多重的選擇壓力時，防御代價的存在必然會導致生物在

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

4、r>　　在研究中發(fā)現(xiàn)，斜生柵藻誘導型反牧食防御的表達依賴于充足的環(huán)境資源。當環(huán)境資源可得性降低時，柵藻的防御強度受到影響。不同的環(huán)境資源對柵藻防御的影響不同。光照強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;氮元素水平的降低不會影響防御的最大值，然而低氮水平下防御群體的持續(xù)時間延長了。在鎂和鈣兩種金屬元素缺乏時，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，柵藻形成防御型群體伴隨著較高的生長代

5、價，生長率表現(xiàn)出顯著的下降。在對缺氮和缺磷狀態(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。缺氮時柵藻合成更多的多聚糖，而缺磷時多聚糖的含量差異不顯著。研究結果表明，光照強度、磷元素、鎂離子和鈣離子的缺乏時柵藻存在防御和生長間的權衡，防御群體顯著減少以維持較高的生長率;氮元素缺乏卻顯著延長了防御群體持續(xù)的時間;在磷元素和鎂離子缺乏時，柵藻形成防御群體伴隨著直接的生長代價。

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

7、達，以維持較高的競爭能力。實驗結果表明，誘導型反牧食防御的表達所伴隨的代價導致了柵藻在面臨多重選擇壓力時存在必要的權衡策略。
　　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型反牧食防御
　　本實驗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型反牧食防御群體形成的變化。實驗結果表明，MC-LR作用下柵藻誘導型防御群體的變化不顯著，且未顯著影響柵藻的正常生長。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，柵藻的正常細胞增殖也受到了顯著的影響。實驗結果表明，MC-LR對柵藻生長和防御的干擾較弱;大型植物在與柵藻共存時產(chǎn)生的次生代謝產(chǎn)物對柵藻防御群體的形成有促進作用，但是顯著干擾了柵藻的正常生長。
　　4、重金屬和表面活性劑干擾了斜生柵藻防御群體的形成
　　實驗中發(fā)現(xiàn)，非致死濃度下重金屬鋅(Zn2+)嚴重抑制了斜生柵藻對大型溞信息素的響應。溫度升高顯著增強了Zn2+對柵藻的毒性作用。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)在很低的濃度下對柵藻誘導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不僅促進了柵藻形成更多的防御群體，并且在無大型溞信息素存在時能夠誘導柵藻形成群體;陽離子表面活性劑BZK和非離子表面活性劑NPE40抑制了柵藻防御群體的形成。實驗中還發(fā)現(xiàn)四種環(huán)境污染物對于柵藻群體防御的影響存在顯著的濃度相關性，即隨著污染物濃度的升高影響更為顯著。實驗

10、結果表明環(huán)境污染物干擾了柵藻誘導型反牧食防御的形成。
　　5、長期反復的大型溞信息素誘導下斜生柵藻誘導型防御的權衡
　　本實驗設置了兩種不同的長期反復誘導模式:1.當斜生柵藻防御群體基本消失后再次誘導;2.當柵藻防御群體達到峰值時再次誘導。在實驗中發(fā)現(xiàn)，在兩種反復誘導模式下，柵藻防御群體的最大值均有隨著誘導次數(shù)增加而下降的現(xiàn)象。在第一種模式下，柵藻防御群體強度于第4個周期時出現(xiàn)顯著的削弱，而在10個周期的反復刺激后，防御群體

11、仍能維持在2.5個細胞左右。在第二種模式下，柵藻群體防御能力迅速下降，于第4個周期時已降至最大群體大小低于2.5個細胞，第5個周期后防御群體低于2個細胞，已基本無法形成有效的防御。實驗結果表明，柵藻防御群體會隨著多次反復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性。
　　6、轉(zhuǎn)錄組水平的研究揭示了柵藻誘導型反牧食防御的內(nèi)在調(diào)控機制
　　本實驗通過高通量測序技術，研究了斜生柵藻誘導型反牧食防御在轉(zhuǎn)錄組水平上的機制。測

12、序結果顯示，柵藻誘導型反牧食防御可能是通過磷酸肌醇代謝途徑和植物—寄生者相互關系途徑接收并傳遞防御信號;通過上調(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，過氧化物酶系，葉酸的生物合成等），說明柵藻防御群體的形成以細胞內(nèi)蛋白質(zhì)生物合成降低，抗氧化體系的抑制以及細胞分裂等為代價。
　　綜上所述，本研究發(fā)現(xiàn)，在資源受限、競爭、環(huán)境脅迫等條件下斜生柵