冷激 priming 提升糖海带（*Saccharina latissima*）配子体来源孢子体的生长与生物量

《Journal of Applied Phycology》：Cold priming of Saccharina latissima gametophytes promotes sporophyte growth

　　

海藻栽培是欧洲一项新兴的产业，其中大部分生物量仍来自野生采收。建立可持续海藻生产产业的潜在途径之一是改良海藻品系。温度 priming（施加适度胁迫以增强后续表现）为改善生长提供了一种快速方法。研究人员考察了糖海带（*Saccharina latissima*）配子体为期三周的温度 priming（0、10、20 °C）对早期生活史阶段（配子体生长、孢子体补充、幼孢子体生长）的影响。冷 priming（0 °C）刺激了配子发生（gametogenesis），并产生了显著更大的显微孢子体。幼孢子体的这一尺寸优势在为期两周的温度梯度实验（0–21 °C）中得以延续，尤其是在最适温度（5–15 °C）下。在采用类似配子体 priming 方法的第二项实验中，研究人员在海水中养殖孢子体六个月，并考察了尺寸、生物量和生化组成。来自 0 °C priming 配子体的孢子体生物量是 10 °C 处理的两倍，是 20 °C priming 配子体的四倍。priming 处理间孢子体叶片的矿物组成差异表现不一。暖 priming（20 °C）下重金属（As、Cd）较低，而冷 priming 下少数常量元素和微量元素（K、P、S、Mn）显著升高。结果表明存在从单倍体配子体向二倍体孢子体的跨代传递效应（transgenerational carry-over effect），并凸显了配子体冷暴露对糖海带孢子体生长的重要意义。这表明配子体冷 priming 可作为模拟冬季（winter mimicry）的一种形式，以增强海带栽培中的生长并改变生化组成。

研究背景方面，全球海藻栽培已达到创纪录水平并持续快速扩张，但这一增长主要受亚洲水产养殖驱动，约占全球产量的97%；相比之下，欧洲海藻供应的大部分仍来自野生采收（96%）。因此，发展可持续的欧洲海藻水产养殖日益受到关注，这既源于对海藻衍生产品兴趣的增长，也因其有助于缓解对当前被采收的野生种群的压力，后者还面临气候变化特别是海洋热浪强度和持续时间增加的威胁。糖海带（*Saccharina latissima* (Linnaeus) C.E. Lane, C. Mayes, Druehl and G.W. Saunders）是北大西洋栽培最广泛的海带物种之一，其高生长速率和生物量用途的多样性使其成为水产养殖极具吸引力的候选对象，同时它也是生命周期研究透彻、在实验室和育苗场环境中易于控制的模式生物。开发改良栽培品系是通向高产可持续海藻产业的关键路径。选择育种是品系改良的常规方法，已在亚洲的海带物种中成功应用数十年，可有效改善生长速率、产量和胁迫耐受性，但存在明显局限：耗时长（尤其因海带的双相生命周期）、存在降低遗传多样性的风险，并引发栽培品种与野生种群交叉污染的生物安全和伦理担忧。priming 是作物农业中成熟但在海藻栽培中尚待探索的补充方法，其在生物发育早期施加非致死性胁迫，诱导胁迫记忆，使机体对后续胁迫事件做出更快、更强或更有效的响应。海带物种的双相生命周期特别适合 priming 实验，因为微观单倍体配子体阶段以自由生活形式存在，可在小规模下受控操作。该方法的关键在于 priming 记忆从单倍体世代向二倍体世代的跨代遗传性，研究人员将其跨倍性水平（即从不同配子体到孢子体世代）的遗传性称为"跨代效应"（transgenerational effects），这有别于陆生植物 priming 中通常指跨多个有机体世代持续至无胁迫子代（F2代）的用法。基于 Liesner et al.（2020）和 Gauci et al.（2022）对海带 *Laminaria digitata* 的研究发现，研究人员提出假设：配子体冷 priming（0 °C）产生跨倍性水平的传递效应，与暖 priming（20 °C）和未 priming 对照处理（10 °C）相比可增加后续孢子体的生长；且配子体中诱导的 priming 记忆所产生的传递效应甚至可持久至成体孢子体，导致栽培产量的有意义的增加。为验证这些假设，研究人员设计了两项互补实验，均以配子体温度 priming 起始：第一项聚焦 priming 对早期生活史阶段的生理效应，表征配子体中的孢子体补充及随后显微孢子体在温度梯度下的生长；第二项考察 priming 效应是否持久至成体孢子体，通过在海水养殖现场实验中表征产量和生化组成，从而可能成为提高海带产量的有价值的工具。

在技术方法方面，研究使用源自挪威罗弗敦 Napp 的糖海带配子体材料。早期生活史实验使用7个雌雄同胞克隆配子体品系，海水养殖实验使用5个孢子体的混合配子体后代。两项实验中配子体均在0 °C（0-P）和20 °C（20-P）下热 priming 三周，对照保持在10 °C（10-C），priming 期间施加红光以允许生长但阻止配子发生。早期生活史实验在配子发生期间及随后的温度暴露（0–23 °C）中评估配子体生长、配子发生、孢子体补充、尺寸和相对生长速率（RGR）；海水养殖实验在6个月生长（2个月育苗场+4个月养殖场）后评估孢子体尺寸、生物量和生化组成，同时监测养殖场海水温度和营养盐。生化分析包括碳氮含量（元素分析仪）、甘露醇（HPLC法）、海带多糖（laminarin，酶解结合PAHBAH还原端糖比色法）和矿物组成（微波辅助酸消解结合电感耦合等离子体发射光谱 ICP-OES）。统计分析在R环境中进行，采用单因素方差分析、Kruskal–Wallis检验、混合设计方差分析及相应事后检验。

研究结果方面，在早期生活史实验的配子体生长与配子发生部分，研究人员确认实验开始时雌配子体密度在各 priming 处理间相等，且配子体 priming 对配子发生初期（第0–5天）配子体相对生长速率无直接影响。在10 °C配子发生期间，三个 priming 处理间孢子体发育出现差异：孢子体在较冷温度 priming 的雌配子体中形成更快，第7天时0-P和10-C处理的孢子体显著多于20-P处理；至配子发生结束时（第13天）各处理孢子体密度相等。藏卵器（oogonia）发育在0-P和10-C处理中加速。priming 对显微孢子体尺寸和RGR有显著影响，配子发生结束时0-P处理孢子体显著长于其他两个处理（0-P：225.1 ± 10.2 μm；10-C：174 ± 8.8 μm；20-P：184.1 ± 10.7 μm），分别比10-C和20-P长29%和22%；20-P孢子体也显著长于10-C，但差异较小（仅5%）。在孢子体生长部分，研究人员确认温度处理第0天孢子体密度在各 priming 处理间相等。来自0-P处理的孢子体较大尺寸在温度梯度（0–21.5 °C）暴露两周期间 largely 得以保持，第7天和第14天 priming 对0-P处理孢子体尺寸有显著正向效应；显著的 priming × 温度交互作用表明不同 priming 处理间温度响应存在差异，0-P孢子体虽在多数温度下初始较长，但在温度极端值（0和21.5 °C）下未观察到该尺寸差异，各处理生长均类似地降低；温度强烈影响孢子体长度，各处理最适温度均为10 °C；14天温度暴露后总体格局持续，冷 priming 优势在中间温度（5–15 °C）下仍显著。与总体孢子体长度不同，相对生长速率主要受温度影响，priming 效应较弱，同样以约10 °C为最适温度；生长在两个测量日之间保持稳定，但显著的 priming × 时间交互作用表明 priming 对相对生长速率的影响随时间减弱，第二周时各 priming 组RGR格局趋于一致。在海水养殖实验部分，研究人员记录了部署地点的海水温度和营养条件：整个栽培期间温度保持寒冷，从2月的2.89 ± 0.05 °C升至6月的10.61 ± 0.57 °C；各采样月份营养盐浓度均较低并随实验进程下降，铵盐（NH4+）是始终最丰富的氮源但保持低水平，硝酸盐和亚硝酸盐（NO3? & NO2?）以及磷酸盐（[PO4]3?）从2月到6月显著下降。在孢子体尺寸和生物量产量方面，配子体 priming 显著影响海水养殖6个月后成体孢子体的生物量产量和孢子体长度：生物量产量以0-P处理最高（1.01 ± 0.34 kg FW m?1），其次为10-C对照（0.56 ± 0.29 kg FW m?1）和20-P处理（0.19 ± 0.12 kg FW m?1）；0-P和10-C处理的孢子体显著长于20-P处理（分别为49.5 ± 7.58 cm、45.9 ± 4.59 cm和39.2 ± 2.70 cm）；叶片宽度在各处理间无显著差异，但观察到类似趋势。在碳氮含量方面，配子体 priming 未显著影响6个月海水养殖后孢子体的碳、氮含量或C:N比，尽管C:N比接近统计学显著；值得注意的是0-P处理在所有三项指标上相比20-P处理表现出相当大的方差。在甘露醇和海带多糖含量方面，配子体 priming 对成体孢子体的甘露醇组成有显著影响，尽管经Tukey HSD多重检验校正后两两比较未达统计学显著；0-P处理的甘露醇含量明显较低（27.2 ± 5.64 % DW），相比10-C（32.2 ± 2.79 % DW）和20-P（32.5 ± 1.16 % DW）均接近显著水平，且0-P处理再次表现出比暖 priming 处理更高的方差。海带多糖含量在各 priming 处理间无显著差异，0-P处理平均值略低。在矿物组成方面，配子体 priming 显著影响成体孢子体中若干矿物的组成，包括常量矿物、必需微量元素和重金属：常量矿物中，0-P处理孢子体的钾（K）和磷（P）含量显著高于20-P处理；硫（S）含量在0-P和20-P处理中均显著高于对照（10-C）；微量元素中，锰（Mn）含量在0-P和10-C处理中均显著高于20-P处理；有毒金属砷（As）和镉（Cd）呈现相同格局，0-P和10-C处理浓度显著高于20-P处理。

讨论部分总结如下。研究揭示了糖海带配子体冷暴露对促进后续孢子体生长的重要意义，证明早期生命周期阶段受益于0 °C冷 priming 处理，表现为更快的配子发生，进而产生更大的显微孢子体，这一早期生理提升被证明持续贯穿幼孢子体至海水养殖实验中的成体，最终导致更高的生物量产量。关于 priming 对配子发生和早期孢子体生长的影响，冷 priming 加速配子发生，这种较早的孢子体补充因而导致更大的孢子体，与 Gauci（2025）对斯匹次卑尔根种群糖海带的发现一致；13天后各 priming 处理孢子体密度相等表明尺寸优势源于较早补充允许更多生长时间而非增加孢子体数量；由于相对生长速率在各处理间无差异，冷 priming 孢子体是将其初始尺寸优势向前传递而非内在生长更快；这些结果共同表明从单倍体配子体到二倍体孢子体的亲本传递效应，可能与通过母体供给（maternal provisioning）的营养和能量转移、DNA甲基化等表观遗传修饰或转录组重编程有关，这些机制并不互斥。关于海水养殖中的 priming 效应，显微孢子体中观察到的生长优势在海水养殖实验中得以延续，冷 priming 配子体产生更大的孢子体和更高的生物量产量，尽管使用了略有不同的 priming 方法（混合而非克隆配子体及育苗场中不受控的配子发生）；较早孢子体补充随时间产生尺寸滚雪球效应的相同机制可能 underlie 两项结果；由于孢子体尺寸与密度负相关，冷 priming 孢子体同时更长且密度更高这一事实反驳了播种偏差而支持真正的 priming 效应；绝对产量仍远低于挪威更广泛报道的糖海带栽培值，低氮和磷酸盐条件可能放大了 priming 驱动的性能差异；虽然研究人员认为冷 priming 赋予的生理生长优势是最可能的解释，但其他机制如冷 priming 可能选择性改变配子体库向更耐冷基因型偏移、开放育苗场和海水养殖系统中较早补充带来的竞争优占据绳索优势、高温可能削弱早期生活史阶段对绳索的附着力等也可能有贡献，需要更精细的实验加以区分。关于收获孢子体的生化组成，鉴于海带生化组成固有的高变异性，生化格局应被解释为指示性而非确定性的 priming 效应；各处理一致的低组织氮含量反映了地点水平的氮限制及由此导致的低生长活动；0-P处理6月采样时甘露醇较低的趋势可能表明这些孢子体相比暖 priming 处理更早开始碳水化合物储存；矿物组成对 priming 的响应因元素而异，由于矿物吸收与代谢活动和生长速率相关，冷 priming 孢子体改善的生长性能可能与更有效的矿物吸收耦合，表明 priming 可能影响基础代谢过程而非孤立的生理性状。关于对海带海水养殖的意义，结果表明配子体冷 priming 是提高海水养殖海带产量的有前景工具，在海水养殖环境中显微孢子体中观察到的生长优势直接转化为更高的生物量产量、更大的孢子体和绳索上更高的密度，均为具有商业相关性的结果；冷 priming 可作为模拟冬季的一种形式，替代冬季前早期部署；除生物量外，priming 可根据材料的预期最终用途在一定程度上改变生化组成；对食品应用而言，冷 priming 可能通过改善 Na/K 比提高糖海带的营养价值，冷 priming 驱动的钾浓度增加可提供有意义的营养益处，冷 priming 还提升锰等其他必需元素；相反，暖 priming 孢子体中较低的矿物含量可能有利于改善风味，较高的甘露醇含量有利于生物炼制或发酵；海藻产品日益受到重金属如砷和镉潜在积累的审查，最关键的是食品安全方面，0-P和10-C处理孢子体的镉值达到或略高于法国食品、环境及职业健康安全局（ANSES）0.5 mg kg?1 DW阈值，而20-P处理孢子体远低于该阈值，表明暖 priming 可能是针对镉限量严格的人类食品市场的有用工具，但这是与冷 priming 所实现的更高生物量和孢子体尺寸之间的权衡。结论部分译文如下：总体而言，这些发现表明 priming 可作为直接满足海带海水养殖特定预期结果的工具，范围从更高生物量产量到生化组成的改变。如 Jueterbock et al.（2026）所述，需要进一步的海水养殖实验试验以在不同环境条件和生产系统中确认这些效应。尽管如此，研究人员证明配子体温度 priming 是提高海带海水养殖产量和产品品质的一种有前景的实用方法，并凸显了配子体阶段作为改善孢子体性能杠杆的重要性。