雪藻独特运动行为与热响应：极地生态系统的关键密码

本文研究雪藻运动行为与热响应，通过实验揭示其在低温下的运动特性，发现雪藻对温度敏感且运动能力多样。这为理解雪藻在极地和高山生态系统中的作用提供依据，有助于探究其对冰雪融化及微生物群落的影响。

　　

引言

雪覆盖的陆地表面在全球陆地面积中占比近 50% ，其中存在多样的微生物群落。雪藻是雪和冰生态系统中的主要初级生产者，其形成的藻华会使雪呈现不同颜色，且藻华范围大到可被卫星监测。雪藻的生物地理学受多种因素影响，许多雪藻具有运动能力，但个体细胞的游泳行为对藻华形成的影响尚不明确。

研究旨在探究雪藻在不同温度梯度下的运动性，包括其运动受温度的影响、游泳行为及光趋性的多样性，以及运动对雪藻藻华和微生物群落发展的生态影响。

结果

1. 实验温度控制对运动性的调节：以耐冷的网状绿球藻（Chloromonas reticulata）和嗜冷的斯匹次卑尔根湖沼藻（Limnomonas spitsbergensis）为研究对象，利用特殊显微镜载玻片和温控显微镜台记录藻类细胞游泳动态。结果表明，在 5°C 恒温控制处理下，细胞游泳速度在 240 - 780 秒内无显著变化；5 - 35°C 的温度梯度会使两种藻类细胞游泳速度立即改变，达到热极限后运动能力会突然丧失；温度振荡（5 - 25°C，Δ10°C?min^-1）会使细胞速度反复变化且疲劳迹象不明显，证明实验装置能稳定控制温度并灵敏测量游泳速度变化。
2. 雪藻分离株的形态和光趋性：研究选用 8 种雪藻分类群及 1 种作为对照的莱茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）。多数雪藻属于绿藻纲，具有绿色运动细胞阶段和两个对称的纤毛，还有一种属于金藻纲的类似水树藻（Hydrurus）的菌株，具有两个不对称的纤毛。细胞形态多为卵形，部分较圆。部分雪藻有可见眼点，通过光趋性平板试验发现，5 种雪藻在 2.5°C 时具有显著正光趋性，对照菌株莱茵衣藻在 20°C 时正光趋性显著，2.5°C 时无活性，还有 3 种雪藻无光趋性。
3. 雪藻运动性对温度的依赖性：对不同温度下培养 48 小时的细胞进行计算机辅助追踪，发现所有物种的运动细胞比例和游泳速度均随温度变化。通过拟合热性能曲线（TPCs），发现嗜温对照菌株莱茵衣藻在 25°C 时运动细胞比例最高，8 种雪藻中有 2 种表现出类似嗜温的热响应，6 种雪藻的最适温度（T_opt）低于 10°C。T_opt与最大游泳速度（R_max）呈正相关，细胞大小和形态与R_max无明显相关性。同时，测量各温度下的光合效率（Fv/Fm），其热响应模式与运动性和游泳速度测量结果大致相符，T_opt（游泳速度）和T_opt（Fv/Fm）近似成比例。
4. 空间扩散与温度的关系：除游泳速度外，还通过 “总移动距离”“最大移动距离” 和 “限制比” 等参数描述细胞在 10 秒内的扩散情况。在 0°C 和 2.5°C 时，不同雪藻的扩散速率不同，且最大扩散速率与温度呈正相关，说明空间位移速率也随温度变化。

讨论

1. 运动性在雪藻藻华中的作用：本研究记录了多种雪藻的运动和游泳特征及其热响应，发现除速度外，运动细胞比例、运动模式及对光和温度的响应都可能影响物种的生态成功、微观组织和藻华形成。
2. 温度对雪藻运动的影响机制：雪藻游泳速度对温度变化实时响应，48 小时的培养结果可用传统 TPCs 准确建模。微生物游泳性能不仅取决于酶动力学的生理速率，还受物理力影响，虽细胞大小影响阻力，但未发现其对T_opt下游泳速度的影响，可能是其他进化适应机制起补偿作用。此外，纤毛运动受多种因素调节，包括瞬态受体电位（TRP）通道等。
3. 雪藻的进化和适应性：不同雪藻的T_opt、R_max及运动细胞比例存在差异，体现了进化和适应结果的多样性。绿藻门的物种通过调整运动细胞和非运动细胞的比例来响应温度变化，这与细胞的能量分配和热应激有关。不同代谢过程的速率共同进化，但对温度的敏感性和最适温度存在差异，未来需研究相关生物能量特征。
4. 雪藻运动的生态相关性：研究雪藻在漫射光条件下的细胞扩散和光趋性响应发现，不同物种的游泳轨迹和模式随物种和温度变化。部分引起红色 “西瓜雪” 藻华的关键物种无光趋性，这引发了对光导向运动在红色雪藻华形成中作用的质疑，暗示其他如重力趋性等可能更重要，同时也表明雪藻在光感应机制上存在异质性，需进一步研究非模式藻类的光响应和传感。
5. 雪藻运动对环境变化的响应：多数雪藻适应在接近融雪的低温下游泳，其短期扩散速率显示出运动对雪藻群落形成的潜在影响，与野外观察结果相符。然而，气候变暖使雪藻暴露在更温暖的土壤环境中时间延长，可能导致群落结构变化、范围转移或适应性进化，进而影响相关微生物群落，但藻类运动对长期热环境变化的进化响应尚不清楚。

材料和方法

1. 培养和鉴定：实验选用多种雪藻菌株，包括从不同地区采集分离的以及作为对照的莱茵衣藻。培养时根据菌株不同选用不同培养基，在特定温度和光照条件下培养，实验前进行转接和浓度调整。通过提取 DNA、扩增和测序 18S rDNA 序列构建系统发育树。
2. 温控条件下的细胞追踪：将培养物在不同温度下孵育 48 小时后，取 5μL 细胞培养物加载到预先孵育的 20μm 深精子计数室载玻片上，置于温控显微镜台上，用特定显微镜和相机以 10× 放大倍数、1,080p/30fps 分辨率记录 10 秒视频，设置多种温度程序进行实验。
3. 视频追踪分析：将. AVI 格式视频通过 iMovie 反转图像并转换为.TIFF 图像序列，上传到 Fiji ImageJ，使用 TrackMate 插件进行细胞检测和追踪，设置相关参数并应用滤波器去除伪影，最后导出数据文件用于分析。
4. 区分运动和非运动细胞：通过对去纤毛的莱茵衣藻细胞进行实验，确定以总移动距离 100μm（对应平均速度 10μm?s^-1）作为区分运动和非运动细胞的阈值，实验中追踪大量细胞并计算运动参数的平均值。
5. 游泳速度的热性能曲线：使用 rTPC 包在 R 软件中对温度对游泳速度的影响进行建模，从 8 个模型中筛选出 3 个（“Pawar”“Thomas2”“Weibull”），通过加权非线性回归和自举重采样计算置信区间，根据模型拟合结果选择合适模型估计T_opt和R_max。
6. 运动参数：从 TrackMate 数据中提取 “总移动距离”“最大移动距离” 并计算 “限制比”，进而计算 “扩散” 参数。
7. 成像流式细胞术：使用成像流式细胞仪在 5°C 下测量细胞形态，用 IDEAS 软件处理图像获取细胞长度、宽度和面积数据。
8. 平板光趋性试验：将培养物调整浓度后在 2.5°C、40μmol?m^-2·s^-1光照下孵育 2 天，暗适应 1 小时后转移到平板上，用绿色 LED 诱导光趋性，35 分钟后通过特定公式计算光趋性指数并进行显著性检验。
9. 脉冲幅度调制荧光测定：使用多色脉冲幅度调制（PAM）荧光计和温控比色皿系统测量不同温度下的光合生理性能（Fv/Fm），对 Fv/Fm 数据集应用与游泳速度相同的 TPC 模型，评估T_opt（Fv/Fm）和T_opt（游泳速度）的相关性。
10. 统计分析：使用 R 软件中的 lme4 包进行线性混合效应回归模型分析实验基准数据，使用 t 检验比较温度梯度实验中的 TPC 参数和光趋性数据。