阿塔卡马沙漠沙砾结皮中分离绿藻的生态生理学研究

《Journal of Phycology》：Ecophysiological study of green microalgae isolated from the grit crust of the Atacama Desert

　　

摘要：陆生藻类在作为微生态系统的生物土壤结皮(biological soil crusts, biocrusts)——尤其分布于极端环境中——的功能发挥中起至关重要却常被忽视的作用。本研究调查了从智利阿塔卡马沙漠(潘德阿苏卡尔国家公园)沙砾结皮(grit crust，一种数年前报道的独特生物土壤结皮类型)中分离的绿藻之生态生理性状。研究人员评估了4株藻——Sign岛伪绿藻(Pseudochlorella signiensis)菌株C11、裂片球藻(Lobosphaera incisa)菌株LC2，及2株优美科勒丝藻(Klebsormidium elegans) C12和C14——的光合性能、温度耐受性及脱水恢复能力。结果显示种间差异显著：P. signiensis具最高光合能力，两株Klebsormidium均表现出高效光能利用率。所有物种在极低相对空气湿度下的脱水恢复均有限，可能反映了阿塔卡马沿海地区频发雾事件导致中等空气湿度的生境影响。本研究填补了南美洲陆生藻类生态学的重大认知空白，强调了使藻类能在全球最极端环境之一存活的生理性状，并为环境变化下生物土壤结皮群落韧性提供了见解。

论文解读：《Ecophysiological study of green microalgae isolated from the grit crust of the Atacama Desert》发表于《Journal of Phycology》

一、研究背景与意义

生物土壤结皮(biological soil crusts, biocrusts)是由细菌、藻类、真菌、地衣和苔藓与土壤颗粒紧密结合形成的表层微生态系统，广泛分布于旱地与半干旱区，占全球陆地表面逾30%，具固氮、固碳、抗侵蚀及促进土壤发育等生态功能。近年来在智利阿塔卡马海岸荒漠的潘德阿苏卡尔国家公园新发现一类独特结皮——沙砾结皮(grit crust)，以<6 mm石英或花岗岩碎石下表面着生Caliciaceae科地衣为主，伴生游离绿藻、蓝藻和真菌，覆盖度达20%–80%。该地区虽为全球最干旱非极地荒漠，但受沿岸camanchaca雾影响，夜间至清晨相对湿度常>90%，形成周期性干湿交替。然而目前南美洲尤其是智利生物土壤结皮及其共生/游离微型藻类(绿藻)的生态生理数据极为匮乏。已有研究多关注蓝藻或北美、欧洲高山与极地结皮藻类，对阿塔卡马沙砾结皮中游离绿藻的光合-光温适应性及脱水忍耐机制几乎无报道。为此，研究人员假设源自该生境的绿藻因动态雾湿循环与极端温差应具备较宽生态幅(脱水、温度)及强光下的光合可塑性，并对此开展系统生态生理测定，以补充南美陆生藻类生态学数据，阐明极端环境下藻类存活策略。

二、主要关键技术方法

研究人员从阿塔卡马沙漠潘德阿苏卡尔国家公园沙砾结皮中分离鉴定4株绿藻——Pseudochlorella signiensis C11、Lobosphaera incisa LC2、Klebsormidium elegans C12及C14——经除菌纯化、克隆培养后开展三项实验：(1)光依赖光合作用测定：用氧光极(OXY-4 mini)在20°C恒温和0–~1400 μmol photons·m^?2·s^?1PAR光梯度下测O₂产率绘制光合-光强曲线(photosynthetic-irradiance curve, P-I curve)，以Walsby模型拟合最大光合速率(P_max)、光利用系数(alpha)、光补偿点(I_c)和光饱和点(I_k=P_max/alpha)并以叶绿素a标准化；(2)温度依赖光合作用测定：恒光485 μmol photons·m^?2·s^?1，5–40°C梯度测O₂产率与暗呼吸，Yan and Hunt模型拟合最适温(T_opt)及80%最大光合温区；(3)脱水耐受性测定：将藻液点于玻纤滤膜置含硅胶珠干燥器(RH≈10.9%±0.5%)脱水至PSII实际光化学量子产额Y(II)归零，再复水培养，用脉冲振幅调制叶绿素荧光仪(pulse amplitude modulation chlorophyll fluorometer, PAM 2500)追踪脱水及复水后2 h、20 h的Y(II)恢复率，以反映光合器完整性。

三、研究结果

Light-dependent photosynthesis (P-I curve)

通过P-I曲线拟合发现4株藻光合性状种间分化明显。Pseudochlorella signiensis C11具最高P_max(183.14 μmol O₂·mg^?1Chl a·h^?1)，为高光下强固碳能力；Lobosphaera incisa LC2具最高alpha值(1.68)及最低I_c(2.31 μmol photons·m^?2·s^?1)与I_k(68.37 μmol photons·m^?2·s^?1)，表明擅长弱光利用，适应石下荫蔽微生境；两株Klebsormidium elegans光饱和点略高(C12: I_k=98.90, I_c=7.83; C14: I_k=91.09, I_c=3.96)且无光抑制(β≈0)，具较强光保护机制；L. incisa LC2在高光下出现轻微光抑制(β=?0.08)。暗呼吸速率各株均远低于P_max。

Temperature-dependent photosynthesis and respiration activity

温度-光合曲线显示各株最适光合温度(T_opt)介于24–30.5°C：P. signiensis C11最适27.6°C但最适温区最窄(19.7–34.2°C, Δ=14.5°C)；L. incisa LC2最适24°C且最适温区最宽(14.6–32.8°C, Δ=18.2°C)，体现较高温度可塑性；K. elegans C12和C14最适分别为27.2°C和30.5°C。呼吸最适温普遍比光合最适温高5–10°C，且在5°C仍可测到净正碳增益，40°C呼吸下降避免负碳平衡。

Desiccation tolerance experiment

在RH≈10.9%极度脱水下，四株藻Y(II)均于约230 min降至0。复水20 h后P. signiensis C11恢复最好(Y(II)恢复至初始49%)，两株K. elegans恢复率相近(37%–39%)，L. incisa LC2恢复最低(11%)。整体恢复率低于其他旱区结皮Klebsormidium报道，研究人员认为这与阿塔卡马海岸常年受雾维持中等湿度(常>20% RH，日均40%–80%)，藻类适应周期性部分脱水而非持续极端干燥有关；此外E-Clade Klebsormidium胞壁较薄也限制其极端脱水保护。

四、讨论与结论总结

讨论指出：①阿塔卡马分离株P_max高于阿尔卑斯高山Klebsormidium而近似南非旱区株，反映高辐照生境驱动高光合潜能；低I_c与石下微生境弱光(入射光透6 mm石英约5%–30%)相适应，结皮整体高I_c源于表生Trebouxioid地衣光共生体。②多数株无明显光抑制说明具非光化学猝灭(non-photochemical quenching, NPQ)及类胡萝卜素等光保护。③最适温偏低符合海岸冷荒漠雾季特征(午温20–25°C)，宽温区体现对变温适应。④较低脱水恢复呼应生境以雾湿维持中度湿度，属部分脱水耐受型；Klebsormidium E-Clade胞壁较G/F-Clade薄弱，与有限恢复相符。

结论(翻译)：本研究揭示了阿塔卡马沙漠沙砾结皮中游离绿藻的生态生理表现。不同系统发育位置的藻株均表现弱光适应，且多数株可在强辐射下免遭光抑制，弱光适应反映沙砾结皮中藻类常栖于石英石下方的微生境条件。所有藻株具脱水耐受性但在极干燥后的光合恢复不及同类研究报道，这可能反映采样点位于沿海多雾致中等空气湿度的特殊生境，尽管阿塔卡马荒漠降水极少。