《Phycological Research》：Effects of temperature on sexual competition in three kelp species, Pterygophora californica, Nereocystis luetkeana, and Macrocystis pyrifera: Implications for range shifts in foundation species
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本研究发现温度显著调控三种共栖大型海藻（巨藻Macrocystis pyrifera、加州翅藻Pterygophora californica和路氏海带Nereocystis luetkeana）的早期竞争动态与繁殖时序。通过实验室孢子体密度和配子发生实验，揭示在低温（8-12°C）下加州翅藻竞争优势显著，而16°C时巨藻逆转格局；路氏海带孢子体密度始终偏低。升温同步加速所有物种的产卵时间，预示气候变暖可能通过微观阶段相互作用重塑海藻林群落结构，为海洋生态系统保护提供关键机制见解。
SUMMARY
海藻林正面临海水温度上升的威胁，但变暖对共栖海藻物种早期生活史阶段相互作用（特别是竞争动态和繁殖时序）的影响仍知之甚少。本研究通过实验室孢子体密度和配子发生实验，探究温度对三种共栖海藻物种（巨藻Macrocystis pyrifera、加州翅藻Pterygophora californica和路氏海带Nereocystis luetkeana）胚胎孢子体竞争相互作用和繁殖时序的影响。结果表明，温度显著影响海藻孢子体竞争动态：在较低温度（8°C和12°C）下，加州翅藻孢子体竞争优势超过巨藻孢子体；而在16°C时，巨藻孢子体竞争优势超过加州翅藻和路氏海带孢子体。路氏海带孢子体密度始终低于其他物种。繁殖时序也随温度变化，所有三种海藻物种在较高温度下均观察到更早的产卵时间。这些发现表明，气候引起的变暖可能改变海藻林的竞争格局，可能有利于巨藻而非其他物种。理解这些复杂相互作用对于预测海洋变暖的生态后果和制定有效的海藻生态系统保护策略至关重要。
INTRODUCTION
海藻是大型褐藻，被认为是基石物种，因为它们为海洋动植物提供食物和栖息地。与海藻相关的复杂形态和高生物多样性提供了重要的生态系统服务。海藻种群栖息在地球上一些最具动态的环境中，温度、盐度、光照、营养盐、沉积作用或波浪作用等环境条件的改变会严重影响海藻种群的健康、稳定和成功补充。气候变化对海藻种群产生了显著影响。气候变化最充分记录的后果之一是海洋物种（包括海藻）范围的极地转移。这些范围转移是由影响海藻物种补充成功、竞争和生存的温度制度改变驱动的。然而，这些转移背后的机制，特别是在海藻生命周期的微观阶段，仍然知之甚少。
海藻具有二相生活史，包括宏观和微观阶段。二倍体宏观孢子体具有聚集在孢子囊群中的孢子囊，其中包含游动孢子，这些孢子被释放、分散、定居并萌发成单倍体雄性和雌性配子体。成熟后，雌性配子体产生卵囊，释放卵子，进而释放信息素lamoxirene。这种信息素释放触发雄性配子体释放其精子。精子然后追踪信息素回到卵子进行受精。受精后，产生的二倍体合子发育成新的孢子体，完成生命周期。
海藻类群间配子发生时间的差异可能导致影响补充模式的微观阶段竞争相互作用。海藻通过响应略有不同的有利环境条件（包括光照和温度）显示出繁殖时序的可塑性。先前研究表明，当在配子发生期间培养温度高于或低于其自然环境平均海水温度3-5°C时，一些雌性海带目配子体的生育力可能降低，相反，一些雌性海带目配子体在高于或低于其自然环境平均海水温度的温度下可能增加产卵量。然而，在次优或超优温度下升高的产卵量不一定表明更高的适合度，因为它可能是由于热胁迫下营养生长延长或能量分配改变所致。此外，一个物种的繁殖时序可能通过先于竞争物种准备卵子释放时释放信息素lamoxirene，从而不对称地抑制另一个物种的孢子体生产。这种不对称相互作用在变暖条件下可能加剧或逆转，潜在地改变竞争结果并导致长期群落变化。
巨藻、加州翅藻和路氏海带是在加州中部海岸蒙特雷湾海洋保护区内发现的三种优势海藻。这三种海藻经常在同一海藻床中共存。虽然这三种海藻的孢子释放时间可能因环境因素而异，但巨藻全年释放孢子，而路氏海带和加州翅藻主要在秋季平均水温约为12-13°C时释放孢子。在过去的100年里，蒙特雷湾的海面温度上升了约1°C。随着蒙特雷湾海水温度升高，研究人员观察到巨藻和加州翅藻在蒙特雷湾内向北转移，以及路氏海带的深度范围扩张。由于一些预测预报到210年蒙特雷湾近海水域可能变暖近4°C，因此需要研究这种温度上升如何影响蒙特雷湾这些优势海藻物种的繁殖和相互作用。
MATERIALS AND METHODS
生殖材料（带孢子囊群的叶片）从加州斯蒂尔沃特湾的健康成体巨藻、加州翅藻和路氏海带个体周期性收集约15个月。大多数收集发生在2012年至2013年的秋季月份。在实验室进行测试温度耐受性和竞争相互作用的实验，以控制光照水平（40 μmol photons m?2s?1），光暗周期14:10小时，以及温度、营养盐和游动孢子密度。
为了诱导游动孢子释放，孢子叶在1%碘溶液中冲洗30秒，在蒸馏水中放置30秒，擦洗并在无菌海水中最后冲洗，用湿纸巾包裹，并在10°C暗室中储存。3小时后，将孢子叶在18°C无菌人造海水中放置1小时，在环境室光下产生来自给定物种所有孢子叶的单一混合孢子悬浮液。 resulting游动孢子溶液密度使用血球计数板在400倍放大下计数，并稀释至所需的起始浓度。
游动孢子溶液在三格培养皿中培养。24小时后，一旦游动孢子定居，将游动孢子溶液更换为营养强化海水溶液（PES），并随后每周更换以增强游动孢子生长和萌发。根据实验设置的密度要求，培养皿接种游动孢子溶液以产生1-2个游动孢子/mm2或10-11个游动孢子/mm2。
为了评估温度如何影响当两种不同海藻的游动孢子在一起生长时的孢子体密度，在六个三格培养皿中进行了两种海藻游动孢子在同一培养皿上定居的处理，每个处理重复三次。为竞争试验接种了两种物种的三种不同比例，以确定物种的不同比例（高高、高低和低高）是否影响孢子体密度。接种比例包括具有一种物种低密度和第二种物种高密度的培养皿（1:10和10:1游动孢子/mm2）以及两种物种高密度的培养皿（10:10游动孢子/mm2）。所有竞争实验包括巨藻作为其中一个物种。为了区分物种，一种物种的游动孢子首先释放，允许定居24小时，然后用20% Fungi-fluor?染色24小时。48小时后，弃去染料，定居的游动孢子用无菌海水冲洗三次以去除残留染料。然后使用相同的游动孢子释放过程，允许第二种物种的游动孢子在培养皿中定居24小时。为了说明时间对每组物种组合在每个密度水平和温度下定居的影响，对每个实验重复切换物种首先定居和染色的顺序，并计算平均响应。
为了评估温度变化如何影响孢子体密度，总共测试了四个温度：4°C、8°C、12°C和16°C。每个试验包括每个温度6个三格培养皿，每个试验总共24个三格培养皿。每个试验在15个月的收集期内运行三次。
使用每种海藻的单一培养来测试产卵时间是否随温度变化。在每个温度（4°C、8°C、12°C和16°C）下培养每种物种的单一培养，并定期采样以确定每种海藻物种释放卵子的雌配子体百分比，每个温度有六个重复。为了测量卵子释放，每1至3天通过显微镜随机取样50只雌性，观察有卵雌性与无卵雌性的比例。这种采样在雌性开始产卵之前进行，并持续到所有卵子成为孢子体或配子体死亡。
竞争实验的所有分析中的主要响应变量是孢子体密度。使用孢子体密度作为竞争成功的代表。竞争结果定义为在特定游动孢子接种比例和温度下一起生长时每个物种的相对孢子体密度。所有分析均基于这些共培养实验进行。
为了评估竞争结果如何随温度和接种比例变化，在每个温度（除4°C外）进行单变量双因素固定因子方差分析（ANOVA）。对于每个物种对和温度，三个重复试验的平均值用于计算每个处理的平均孢子体密度。这些平均值作为统计分析的复制单位（每个处理条件n=3）。使用Holm校正的两样本t检验进行每个温度下物种间的成对比较。这些比较侧重于每个温度下相等定居密度的竞争处理（10:10游动孢子/mm2接种比例），以测试相等初始游动孢子密度下的竞争结果。
为了评估产卵时间，使用每个温度下跨物种达到20%卵子释放的时间的成对Holm校正比较。所有统计分析在SYSTAT 13中执行。
RESULTS
竞争测定：巨藻与加州翅藻
所有温度下每个试验中的所有接种比例均有可测量的孢子体密度（n>0），除4°C外，其中几个处理中的一个或两个物种显示无孢子体生长。在4°C时，接种比例对孢子体密度的影响显著。当两种物种数量相等时，加州翅藻的孢子体密度显著大于巨藻。加州翅藻的孢子体密度不随巨藻数量的变化而变化，而巨藻的孢子体密度随加州翅藻数量的增加而减少。在8°C时，物种和接种比例之间的相互作用显著。巨藻孢子体密度随混合物种处理中加州翅藻数量的增加而减少。当两种物种数量相等时，加州翅藻的孢子体密度显著高于巨藻。在12°C时，物种和接种比例之间的相互作用显著。巨藻孢子体生产在混合物种处理中随加州翅藻的存在而下降。当两种物种数量相等时，加州翅藻的孢子体密度显著大于巨藻。16°C时的结果与4°C、8°C和12°C观察到的不同。在16°C时，总体物种效应显著，表明巨藻在所有接种比例下通常表现出比加州翅藻更高的孢子体密度。尽管巨藻在1M:10P处理中没有竞争优势加州翅藻，但它在16°C下在大多数比例下保持密度优势。物种和接种比例之间的相互作用不显著。
竞争测定：巨藻与路氏海带
所有温度下的所有试验均有可测量的孢子体密度，除4°C外，其中路氏海带显示非常有限的孢子体补充，以及16°C，其中路氏海带完全无法生长。在4°C时，路氏海带孢子体密度在混合物种处理中随巨藻的存在显著减少，接种比例对孢子体发育的影响显著。当两种物种数量相等时，巨藻的孢子体密度显著大于路氏海带。在8°C时，巨藻和路氏海带在所有处理中变异性比4°C时更大，尽管巨藻仍然竞争优势。物种、接种比例以及两个因素之间相互作用的影响不显著。这可能是由于实验重复之间变异性增加。当两种物种数量相等时，巨藻和路氏海带之间的成对比较不显著，可能由于这种增加的变异性。在12°C时，所有试验在所有处理水平显示可测量的孢子体密度。路氏海带孢子体密度在混合物种处理中随巨藻的存在而下降。物种和接种比例之间的相互作用显著。当两种物种数量相等时，巨藻的孢子体密度显著高于路氏海带。然而，巨藻在1M:10N处理中不占优势。16°C时的结果来自单个实验，未进行分析，因为任何处理中路氏海带均无存活。在路氏海带内，孢子体密度在所有温度和所有处理中较低，并且在8°C和12°C之间未显示统计显著减少。
温度对产卵时间的影响
巨藻和加州翅藻的雌配子体在所有温度（4°C、8°C、12°C和16°C）下成功产卵用于受精，而路氏海带仅在4°C、8°C和12°C下产卵。产卵时间与温度相关。暴露于最暖温度（16°C）的配子体对于巨藻和加州翅藻产卵最快，并且所有物种的产卵时间随温度降低而增加。在4°C时，巨藻、加州翅藻和路氏海带的20%卵子释放分别发生在46、43和69天，并且只有路氏海带花费的时间显著长于巨藻和加州翅藻。在8°C时，巨藻、加州翅藻和路氏海带的20%卵子释放分别发生在23、19和28天，并且加州翅藻达到20%卵子释放的时间显著早于巨藻，而巨藻和路氏海带无显著差异。在12°C时，巨藻、加州翅藻和路氏海带的20%释放分别发生在17、13和21天，并且加州翅藻再次达到20%卵子释放的时间显著早于巨藻，而巨藻和路氏海带无显著差异。在16°C时，巨藻和加州翅带的20%卵子释放发生在10天，两个物种无显著差异，而路氏海带在此温度下不产卵。
DISCUSSION
上升的海洋温度是全球海藻林衰退的主要原因。虽然东太平洋加州中部海岸的海洋温度平均约为12°C，但该温度在过去一个世纪上升了1.0-1.7°C。通过实验观察和操作，本研究解决了温度对巨藻和加州翅藻之间以及巨藻和路氏海带之间海藻孢子体密度、种间竞争和雌配子体产卵时间的影响。
在检查温度对竞争动态的影响时，没有物种在4°C下补充特别好。这是预期的，因为这些物种都不常见于水温达到4°C的区域。加州翅藻孢子体定居在8°C和12°C下竞争优势超过巨藻，但在16°C下不；巨藻孢子体定居在所有温度（8°C、12°C和16°C）下竞争优势超过路氏海带，并且所有物种的最大萌发和孢子体密度发生在12°C。这些结果有几个有趣的原因。首先，蒙特雷湾海洋保护区的年平均水温为12°C。因此，观察到所有海藻在这种受控实验室实验中在此温度下生长特别好令人鼓舞。其次，虽然蒙特雷湾海洋保护区的平均温度约为12°C，但蒙特雷湾时间序列的长期月平均值表明，温度通常在冬季和早春月份降至约10.5°C，并在早秋升至约14.1°C。因此，可以想象巨藻和加州翅藻之间随着海洋温度上升的动态关系，巨藻可能适应在夏季早期产生孢子体，以便不在秋季与加州翅藻竞争。
这些发现还表明，如果该地区局部海洋温度继续升高，加州海岸的路氏海带斑块可能发生转移。确实，这以前发生过，当时由核电站持续热排放引起的迪亚布洛湾海水温度升高3.5°C导致路氏海带被巨藻竞争优势。然而，路氏海带在本研究中所有温度下总体较低的孢子体密度的另一个可能假设是路氏海带需要比其他海藻极高的游动孢子密度才能成功萌发和最终补充，高于本研究中使用的密度。理由是路氏海带是一种一年生物种，其从生殖叶片掉落孢子囊群到底部，产生局部极高的定居密度区域。与此假设一致的是，定性观察到早期实验中路氏海带萌发个体相对于其他物种较少，表明在使用的接种密度下发育成功较低。然而，需要进一步研究来更仔细地检验这一假设。
在本研究中，发现了温度与卵子发育和释放速率之间的直接联系。较高的温度加速了所有三种海藻物种的成熟过程。加州翅藻在8°C和12°C下表现出最快的成熟时间，而在16°C下，巨藻和加州翅藻之间的成熟时间无显著差异。这些结果与孢子体密度结果一致，显示加州翅藻在8°C和12°C下对巨藻具有孢子体密度优势。有趣的是，当加州翅藻和巨藻之间卵子成熟时间无差异时，巨藻对加州翅藻表现出孢子体密度优势。这可能是因为16°C接近已知加州翅藻停止产生孢子体的温度。研究表明加州翅藻在18°C下难以产生孢子体，而巨藻可以产生孢子体至约22°C。另一种理论是巨藻施加了一种化学或信息素手段的不对称抑制，如先前提出的。这些转变提出了重要的生活史权衡，关于海藻在变化温度制度下是更有利于快速繁殖还是投资于更大的繁殖产出。
海藻补充取决于多种因素。游动孢子密度、与竞争者的距离以及温度都可能影响海藻的成功补充及其种群的持久性。繁殖时间可以给海藻物种竞争优势，也可能导致整个队列的损失。游动孢子之间的距离不仅对物种内受精至关重要，而且对繁殖期间的种间竞争也很重要。温度影响许多海藻物种的雌配子体生育力。本研究表明，繁殖时间是驱动竞争等级的因素，但这种竞争压力可能随着温度变化而解除或改变。
如果一个物种持续竞争优势另一个物种， resulting优势海藻物种的转移可能通过改变栖息地复杂性、营养循环和物种相互作用来重构当地群落。例如，路氏海带（形成一年生、快速生长的冠层）的衰退可能影响林下环境和相关物种，而巨藻形成多年生、寿命更长的冠层，可能以不同方式构建群落。因此，巨藻的增加可能导致与路氏海带不同的生态结果。理解这些竞争相互作用的结果对于预测加州海藻林的未来群落动态至关重要。
清楚地理解影响海藻孢子体密度和持久性的所有因素非常重要，因为这是种群持久的关键步骤，并且可能受到气候变化和海洋温度升高的严重影响。
