隨著全球氣候變化，海洋熱浪的頻率和強(qiáng)度不斷增加，為了加快對海藻耐熱性的生態(tài)學(xué)和進(jìn)化的研究，澳大利亞科學(xué)家開發(fā)了一種高效、可重復(fù)且廣泛適用的海藻熱指標(biāo)。根據(jù)陸地T–F0方法，作者在多種海帶中應(yīng)用了這一新方法，并確定了在不同葉狀體形態(tài)或厚度的物種中應(yīng)用的幾個(gè)重要方法考慮因素。結(jié)果表明，這種高通量和高效的方法可以被廣泛采用，以支持全球?qū)Ｔ迥蜔嵝缘纳鷳B(tài)學(xué)和進(jìn)化的研究，并代表了預(yù)測海藻對溫度變化反應(yīng)的重要資源。
圖1 T–F0測量設(shè)置和熒光曲線示例。（a）Maxi-Imaging-PAM（帶紅色遮光板）與金屬框架安裝在由實(shí)驗(yàn)升降臺支撐的帕爾貼控溫板上。樣品用雙層玻璃壓住，以便與熱電偶接觸并緩沖溫度。（b）陣列上的海藻樣品帶有網(wǎng)格參考，并覆蓋一層塑料薄膜，每個(gè)樣品都與熱電偶連接。（c）顯示慢上升熒光和快上升熒光（Tcrit）之間的斷點(diǎn)/拐點(diǎn)的溫度依賴性熒光曲線示例。
圖2 三種不同海藻（Ecklonia、Phyllospora和Sargasum）的兩種不同采后處理之間的最大量子產(chǎn)量（Fv/Fm）隨時(shí)間的下降：海水（藍(lán)色實(shí)線）和潮濕棉袋（黑色虛線）。在所有物種中，儲存在棉袋中的樣本的Fv/Fm隨時(shí)間沒有變化，而儲存在海水中的樣本，F(xiàn)v/Fm在采集后25小時(shí)開始下降。點(diǎn)是平均值±SE，每個(gè)物種每個(gè)時(shí)間點(diǎn)n=5。
圖3 確定在海藻上使用熒光測定時(shí)的適當(dāng)光強(qiáng)和設(shè)備偏移，比較三個(gè)物種的反應(yīng)。（a）使用Fv/Fm對每個(gè)物種使用Maxi-Imaging-PAM優(yōu)化飽和脈沖光強(qiáng)度。脈沖強(qiáng)度設(shè)置4和6都顯示出具有最小變化的最高Fv/Fm。點(diǎn)是平均值±SE，每個(gè)物種每強(qiáng)度n=10。（b）Diving-PAM與Maxi-Imaging-PAM輸出的Fv/Fm差異以1:1繪制以顯示偏移。點(diǎn)是一系列樣本中成對組織的原始數(shù)據(jù)，這些樣本在出水時(shí)間上變化，以捕捉整個(gè)Fv/Fm范圍。圖4 根據(jù)之前的工作方案，在樣品底部安裝熱電偶，測試加熱/冷卻速率對Tcrit變化的影響，（a）熱Tcrit和（b）冷Tcrit。點(diǎn)是平均值+-SE，n=30每種每加熱/冷卻速率。（c） 根據(jù)（a）和（b）從初始加熱/冷卻速率變化開始重復(fù)實(shí)驗(yàn)，但僅在Tcrit熱的樣品頂部和底部都有熱電偶。根據(jù)先前的協(xié)議，當(dāng)熱電偶放置在底部時(shí)，加熱速率和Tcrit的增加也出現(xiàn)了相同的模式；然而，在樣品頂部有熱電偶的情況下，Tcrit熱不受加熱速率的影響。圖5 Tcrit在兩個(gè)季節(jié)的變化：春季（10月）和夏季（1月），海面溫度分別為16°C和20°C。Ecklonia和Sargasum的Tcrit升高約3°C，季節(jié)和物種之間存在相互作用（P=0.015），物種效應(yīng)（P<0.001），Phyllospora沒有變化。點(diǎn)是指+-SE，每個(gè)物種每個(gè)季節(jié)n=30。研究表明，T–F0曲線可以檢測耐熱性及其適應(yīng)性的季節(jié)變化和物種水平差異。可將其作為一種標(biāo)準(zhǔn)化的統(tǒng)一指標(biāo)來推進(jìn)熱生態(tài)學(xué)。用依賴溫度的熒光曲線來推導(dǎo)PSII的Tcrit，作為評估和比較海藻光合耐熱性的一種激勵工具。其標(biāo)準(zhǔn)化輸出和高通量能力使其能夠快速測定全球許多種群和物種的耐熱性。臨界溫度的跨物種比較將能夠更好地預(yù)測群落組成如何隨著海面溫度的變化而變化。該方法還允許計(jì)算和比較熱安全裕度，這是一種衡量熱耐受性與實(shí)際最高海水溫度接近程度的指標(biāo)，是一種用于描述氣候變化下面臨風(fēng)險(xiǎn)的植物物種的常用指標(biāo)。此外，對臨界溫度沿緯度梯度變化的物種內(nèi)評估將提供關(guān)于熱生理學(xué)局部適應(yīng)程度的見解。對種群Tcrit的時(shí)間（例如，季節(jié)間）和空間（例如，熱深度梯度）差異的分析將有助于預(yù)測氣候變化下的相對適應(yīng)潛力或范圍變化。最后，將這些表型測定與遺傳分化或基因表達(dá)模式的測量相結(jié)合，將為深入了解海藻耐熱性的機(jī)制提供強(qiáng)大的潛力。這些研究對保護(hù)和恢復(fù)工作以及我們對光合生物熱生理學(xué)進(jìn)化的基本理解都有意義。
Harris, R.J., Bryant, C., Coleman, M.A., Leigh, A., et al. A novel and high-throughput approach to assess photosynthetic thermal tolerance of kelp using chlorophyll α fluorometry[J]. Journal of Phycology, 2023, 59: 179-192.
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