贝加尔湖天然浮游植物种群中硅藻的细胞分裂与硅沉积

《Journal of Great Lakes Research》：Cell division and silica deposition in diatoms from natural phytoplankton populations of Lake Baikal

　　

摘要
硅藻是水生生态系统中硅 (Si) 循环的关键参与者。硅藻细胞同化溶解态 Si 并利用其合成硅质壳。本研究旨在评估不同硅藻物种在实验条件和贝加尔湖自然种群中跨季节的细胞分裂和生物源硅沉积活动。我们采用了一种使用 PDMPO 和 Lumitracker LysoGreen 染料的染色技术，该技术能特异性标记新形成的壳。特定物种的染色细胞百分比被定义为细胞分裂和硅沉积 (CDSD) 指数。在培养 Ulnaria acus 和 Fragilaria radians 硅藻菌株时，我们证明培养基中 Si 缺乏导致 CDSD 下降。在自然环境中，CDSD 指数与溶解态 Si 浓度之间未发现相关性。观察发现，在冰盖期 CDSD 值最高（高达 95% 的细胞）。6 月，U. acus 细胞活动恢复，CDSD 范围为 9 至 24%。7 月直接分层期间，硅藻丰度和 CDSD 较低。在 2022 年和 2023 年 6 月的均温期，全湖观察到不同的丰度和物种组成模式。不同物种的同时发育可能导致 CDSD 显著变化。当 U. acus、Nitzschia graciliformis 和 Stephanodiscus meyeri 丰度高时，CDSD 指数未超过 42%。相反，2022 年的峰值（78–84%）记录在物种丰度低的站点。这些发现增进了我们对自然环境中硅藻生命周期动力学的理解。

引言
水生生态系统中的浮游植物群落构成了食物网的基础并确保其稳定性。贝加尔湖是世界上最深的水冷贫营养湖，具有独特的水生群落。一年中有 4-5 个月被冰覆盖，并有季节性水文期，如逆分层（冬春）、混合（春秋）和直接分层（夏秋）(Shimaraev 等人，1994)。贝加尔湖浮游植物以空间分布异质性和丰度及物种组成的显著年际波动为特征。在不同年份，通常主导系统浮游植物群落的物种可能被发现为罕见的单细胞，或者丰度可达 1,500,000 细胞 L?1 (Antipova, 1963; Popovskaya, 2000; Popovskaya 等人，2015)。浮游植物群落的大多数优势物种，其在贝加尔湖的主要代表是硅藻，在春季水文期（5-6 月）发育最旺盛，形成细胞丰度和生物量的年度最大值 (Popovskaya, 2000; Popovskaya 等人，2015)。优势物种包括硅藻属 Aulacoseira, Ulnaria, Stephanodiscus 和 Asterionella 的物种 (Popovskaya, 2000; Popovskaya 等人，2015)。未发现各种优势物种的丰度与环境理化参数之间存在一致的相关性。

硅藻的一个定义特征是它们的特异性硅质壳，这是一种进化创新，对其生态成功和在众多生态系统中的主导地位至关重要 (Behrenfeld 等人，2021; Round 等人，1990)。除了提供结构外，硅质壳还提供针对捕食者和病原体的保护 (Hamm 等人，2003; Kranzler 等人，2019)，并提高光合作用效率 (Goessling 等人，2018)。壳元素的合成发生在称为硅沉积泡的专用细胞内 compartment 中 (Reimann, 1964)。该过程在细胞质分裂后立即在子细胞中开始，新壳瓣形成时细胞仍由环带连接 (Bedoshvili 和 Likhoshway, 2019; Pickett-Heaps 等人，1990)。

与其他微藻类群不同，硅藻对培养基的硅 (Si) 含量敏感 (Paasche, 1980; Reynolds 和 Irish, 1997; Reynolds, 2006)。培养基中作为溶解硅酸存在的 Si 是实验室条件和自然种群中硅藻生长的限制因素 (Darley 和 Volcani, 1969; Martin-Jézéquel 等人，2000)。当环境 Si 缺乏时，细胞减少对其需求并形成硅化程度较低、较薄的壳 (Brzezinski 等人，1990; McNair 等人，2018; Paasche, 1973)，这是物种持久性的适应策略 (McNair 等人，2018)。环境条件影响物种策略、硅藻壳形态发生，并决定物种在生物硅化中的参与。

近年来，开展了大量研究以确定生物硅化过程的程度，并在硅藻浮游植物中可视化和量化它们。我们相信，使用特定染料的光学显微镜是识别生态系统中单个物种状态的最有前途的方法之一。使用能够掺入硅藻细胞中硅聚合期间形成的壳的荧光染料（Rhodamine, PDMPO, LysoTracker Yellow HCK-123, NBD-N2 和 NBD-N3 等），使得研究生物硅化、评估单个物种细胞 Si 吸收水平以及评估培养和自然种群中的生长率成为可能 (Annenkov 等人，2024; Desclés 等人，2008; Leblanc 和 Hutchins, 2005; Saxton 等人，2012; Zepernick 等人，2021)。研究表明，PDMPO 染色可用于特异性硅生产的定量分析 (McNair 等人，2015)。这些染料的优势之一在于，它们不仅揭示了细胞参与生物硅化的情况，还允许间接评估细胞活力。硅藻壳在水柱中存留很长时间，常规计数方法不能区分活细胞和死细胞，而它们具有不同的营养价值。

此前对贝加尔湖的研究显示，春季冰下使用 PDMPO 染色的硅藻细胞比例很高，而 6 月硅藻数量很高时可能不会染色 (Grachev 等人，2021)。本研究的目的是评估不同硅藻物种在贝加尔湖浮游植物自然种群中共存期间，包括冰下期在内的不同时期的细胞分裂和生物源硅沉积活动，使用 PDMPO 和 Lumitracker 染色。我们引入 CDSD 指数（细胞分裂和硅沉积指数）一词，定义为积极参与这些过程的特定物种细胞百分比。我们假设 CDSD 指数可能根据营养物可用性、季节动态、透光层内的深度以及不同硅藻物种的丰度而变化。为了验证这一假设，我们使用了春季均温期的详细采样网格，此时观察到最高的丰度和生物量水平，并选择了单独的采样点研究不同季节透光层几层的浮游植物。CDSD 测定于：(1) 在不同营养物浓度的培养基中培养两种硅藻物种期间；(2) 2023 年贝加尔湖的几个时期，包括冰下期，在距李斯特维扬卡 7 公里处透光层不同深度的站点；以及 (3) 2022 年和 2023 年春季生长季节（均温期）全湖透光层期间。然后将获得的数据与自然种群中不同硅藻物种的丰度相关联进行分析，以评估观察到的模式是否支持我们的假设。

章节片段
体外培养实验
无菌菌株 Ulnaria acus (Kützing) Aboal AxBK497 和 Fragilaria radians (Kützing) D.M. Williams & Round Ax7L547 是根据 Zakharova 等人 (2020) 提出的方案获得的，并在 DM 培养基 (Thompson 等人，1988 – Ca(NO3)2· 4H2O – 20 mg L?1, KH2PO4–12.4 mg L?1, MgSO4 · 7H2O – 25 mg L?1, NaHCO3–16 mg L?1, Na2EDTA – 2.25 mg L?1, H3BO3–2.48 mg L?1, MnCl2 · 4H20–1.39 mg L?1, (NH4)6Mo7O24 · 4H2O – 1 mg L?1, FeCl3–1.6 mg L?1) 中培养，Si 浓度为 5.6 mg L?1，磷酸盐

培养介质中营养物浓度变化时的 CDSD
在贝加尔湖中经常占主导地位的两种硅藻物种 U. acus AxBK497 和 F. radians Ax7L547 的无菌菌株中，确定了 CDSD 指数，在变化的营养物浓度下培养后 (图 1)。LumiTracker LysoGreen 染色使得能够清晰地可视化各种壳组件，包括两个壳瓣和环带 (图 1A, B)。两个物种在 CDSD 对营养物可用性变化的响应模式上表现出相似性。短期 (12h) 溶解态 Si 增加

讨论
我们在贝加尔湖的发现揭示了一个更明显的冰下活动模式：CDSD 指数在冰下期达到异常高的水平，N. graciliformis 峰值为 80%，U.acus 为 94%。此前，在使用 PDMPO 染色研究伊利湖冰下和夏季浮游植物的研究中，显示硅藻细胞也在冰下分裂，这些物种的染色细胞比例在冬季为 10-25%，夏季为 60-100% (Saxton 等人，2012)。
如果

结论
本研究应用 CDSD（细胞分裂和硅沉积）指数调查了超贫营养贝加尔湖中硅藻的生理活动。对 Ulnariaacus 和 Fragilaria radians 无菌菌株的实验室实验表明，培养基中短期 (12 h) Si 缺乏可能导致 CDSD 下降，而在测试条件下，磷酸盐或硝酸盐的类似缺乏似乎没有显著影响。季节性野外观察在 a

CRediT 作者贡献声明
叶卡捷琳娜·D·贝多什维利：写作 – 原稿，可视化，方法学，调查，形式分析，概念化。安娜·尤·贝苏多娃：可视化，形式分析。阿莲娜·D·菲尔索娃：可视化，形式分析。玛丽亚·V·萨基尔科：可视化，形式分析。尤利娅·R·扎哈罗娃：可视化，形式分析。瓦季姆·V·布利诺夫：可视化，形式分析。伊利亚·A·阿斯拉莫夫：可视化，形式分析。尤里·P·加拉恰扬茨：可视化，形式分析。鲁斯兰·尤·格纳托夫斯基：可视化，形式分析。

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，可能会影响本论文中报告的工作。

致谢
本研究使用俄罗斯科学院西伯利亚分院湖泊学研究所超微分析综合中心电子显微镜仪器中心的设施进行 (https://www.lin.irk.ru/copp/)。作者感谢细胞超微结构系的员工 Elvira Sudakova 和 Artyom Marchenkov 采集浮游植物样本，Lubov Titova 协助浮游植物计数，以及研究船"G.Yu."的船员。

资助
本研究得到俄罗斯联邦科学与高等教育部支持，项目编号 1023032700153-7-1.6.17(FWSR-2026-0001) (俄罗斯科学院西伯利亚分院湖泊学研究所)。

叶卡捷琳娜·D·贝多什维利|安娜·尤·贝苏多娃|阿莲娜·D·菲尔索娃|玛丽亚·V·萨基尔科|尤利娅·R·扎哈罗娃|瓦季姆·V·布利诺夫|伊利亚·A·阿斯拉莫夫|尤里·P·加拉恰扬茨|鲁斯兰·尤·格纳托夫斯基|玛丽亚·V·巴申卡耶娃|叶连娜·V·利霍什瓦伊
俄罗斯科学院西伯利亚分院湖泊学研究所，乌 lan-Batorskaya 街 3 号，伊尔库茨克 664033，俄罗斯