高温热胁对Achnanthes sp.光系统的影响

在10月的原创中，我已经对光合活性分析仪在环境监测中的应用作了初步分析，感谢各位专家对本人作品的肯定。本文为此作品的续作，将以春秋季常见的水华种Achnanthes sp.为切入点，谈论高温对Achnanthes sp.光系统的影响，从而从科学角度阐释Achnanthes sp.水华消亡的主要环境动力学原因。

PS：在做本实验之前，本人和业内的很多前辈一样，都把Achnanthes sp.水华的消亡原因归结于该藻对高温的适应性较差。（因为这种水华一般只出现于春秋季，水温大概在15~20℃这样）事实是否真如此呢，我们还是让数据来说话吧。

1.实验材料和仪器

Achnanthes sp.（2012.5.4采自宁波某水库），这个是实验用的藻种，纯度在99%以上吧。

先上2张Achnanthes sp.水华发生时的图片，水色为红褐色。浓的时候像酱油汤

PHYYTO-PAM调制叶绿素荧光仪（德国WALZ公司）

光合活性测试截图

百级超净台，用于接种、扩培等实验过程的无菌操作

光照培养箱（宁波江南仪器厂），用于藻类的扩培和温度光照条件控制。PS：藻液培养条件20℃，2000LX光照强度，光暗比16:8。

这里说下为什么选择这个实验条件。从野外的水华发生数据看，以Achnanthes sp.为优势种的水华发生在春秋季，温度15~20℃，因为一般来说温度越高，长势越好，所以我们扩培条件选择了20℃。光照条件2000lx对于多数硅藻来说都是比较适宜的，有报道说强光对硅藻细胞有杀伤作用。至于光暗比，本来想用12:12的，奈何培养箱中还有其他实验在进行，而且通过一段时间的培养，发现16:8光暗比条件下，该硅藻也能缓慢增长。（没养过12:12的条件，不敢下定论哪个快，如果哪位有数据的麻烦分享下）

2.实验方法：

实验主要以光合活性yield为分析指标，具体的操作步骤我在这里就不赘述了，上一个原创中有图文介绍

本文设计了几个小实验，对高温胁迫下Achnanthes sp.藻的光系统变化进行了初步分析，剥削了几个学生的劳力，再此对他们的劳动深表感谢。废话不说，直接看实验结果吧

3.实验结果与讨论

3.1不同温度对Achnanthes sp.光合状态的影响

因为叶绿素荧光可以估计光系统II的光化学电荷分离的效率，并且所有的电子都是通过光系统II泵出来的，因此温度对整个电子传递步骤的任何影响可以通过叶绿素荧光的变化反映出来。

由图1可知，低温和高温都不适合Achnanthes sp.的生长。当温度低于15℃时，可能由于类囊体膜和基质膜的流动性减弱，光合作用所需要的酶活性受到一定抑制，光量子产量随之降低；当温度15~35℃时候，在其他环境因子都适宜的情况下，Achnanthes sp.光量子产量Yield维持在0.60左右；当温度36~39℃时，类囊体膜和基质膜的流动性增加，可能会导致光合作用酶的失活和膜被破坏，光量子产量Yield下降；高于39℃处理24小时，Achnanthes sp.光量子产量Yield降到0。此时，参与Calvin循环的酶被热基本完全破坏，叶绿素也有部分解体（表现为chla含量明显降低）。

从处理0.5小时和处理24小时的对比看，Achnanthes sp.对短时间的热胁迫有一定抵御能力。37℃0.5小时热胁迫对Achnanthes sp.光量子产量未产生显著影响，而此温度下24小时热胁迫后，其Yield仅为0.16。

Achnanthes sp.最适温范围为15~35℃。由于气温到35度时，藻类光合活性还是处于较高水平，而一般该类型水华发生和消亡时的温度不超过35度，所以高温不受其消亡的主要原因。

3.2 不同高温胁迫时间对Achnanthes sp.光合状态的影响

37℃热胁作用下，随着作用时间的增加，Yield逐渐降低并趋向于0.10，如图2，Achnanthes sp.光合活性处于一定程度的受胁抑制状态。

抑制50％光量子产量的温度称为临界温度T50，由于15~35℃为Achnanthes sp.最适温度，此时光量子产量基本处于最高状态0.60左右；处理的临界温度为37℃Yield逐渐降低并趋向于0.10。所以当高温作用时间较长时（超过24h），Achnanthes sp.的临界温度T50约为36℃。

3.3高温热胁后Achnanthessp.的恢复情况

由于Achnanthessp.的最佳适温范围为15~35℃。所以高于35℃才可能产生高温热胁。对37℃，39℃，41℃处理24h后的样品的光合活性恢复程度进行观测，结果如图3所示：随着热胁温度的升高，Achnanthes sp.光量子产量恢复的速度和恢复程度呈显著下降趋势，在合适条件下恢复24小时后，受37℃热胁的Achnanthessp.光量子产量Yield恢复到0.48；受39℃热胁的Yield仅恢复到0.09；而受41℃热胁的Achnanthes sp.的Yield没有恢复的迹象，始终为0。

由于较低温度的热胁导致光合作用的酶的暂时失活，但温度还未达到使酶蛋白质变性的程度，故再次至于合适的条件下培养，随着酶的复性，光合活性Yield也随之上升；随着热胁温度的升高，部分酶蛋白开始变性，所以光量子产量恢复的速度和恢复程度呈显著下降趋势；到41℃热胁时，由于酶的变性失活和膜被破坏，光合系统被彻底破坏，Achnanthes sp.死亡，所以无恢复迹象。

4 结论

4.1 温度对整个电子传递步骤的任何影响可以通过叶绿素荧光的变化反映出来。

4.2 Achnanthes sp.对短时间的热胁迫有一定抵御能力。

4.3 当藻类长时间处于高温胁迫时，就会出现一定程度光合能力的降低，表现为（直接测得的Yield）实际量子产量和（暗适应后测得的）光系统II最大量子产量降低。

4.4 高温作用时间较长时（超过24h），Achnanthes sp.的临界温度T50约为36℃。

4.5 37~39℃高温，在合适条件下，Achnanthes sp.还能恢复部分光合活性，超过41℃，Achnanthes sp.死亡。

4.6 Achnanthes sp.的最适温度范围为15~35度，适温范围比较广（远比此前猜想的15~20摄氏度要宽），自然条件下温度对其光合活性影响较小。故而自然条件下高温不是其消亡的主要原因。（自然条件下水温达到28-30℃，对于藻类来说我们一般就认为是高温了。）至于以Achnanthes sp.为优势种的藻类水华消亡的真正环境动力学原因可能与种间竞争有关，没有数据支持前，这也是猜想。

PS：行文到此为止。或许有朋友会问，我这个实验为什么设置24h而不是像很多化学品抑制作用那样做72h呢？这里我给出一个实验后的答案，yield在外界条件稳定的前提下，对于外界胁迫的响应时间要远小于其生物量变化所需要的时间。可以理解为一定程度的外界胁迫，导致其yield降低，也就是光合效率降低，合成的叶绿素自然少，从而影响化学品抑制测试中的细胞密度、OD等指标。