泥炭地鼓藻的耐旱性：托马斯微星鼓藻（Micrasterias thomasiana）和多毛十字藻（Staurastrum hirsutum）的比较研究 —— 探寻湿地生物对干旱的应对策略

为探究不同水文环境下的泥炭地鼓藻对干旱的耐受性差异，研究人员以Micrasterias thomasiana和Staurastrum hirsutum为对象开展研究。结果表明二者耐旱性有限，S. hirsutum相对更具抗性。该研究为理解泥炭地生物适应干旱机制提供了依据。

　　泥炭地，那是大自然中独特的生态系统，宛如地球的 “绿色海绵”，在维持生态平衡、调节气候等方面发挥着重要作用。鼓藻（Desmids）作为泥炭地植物底栖生物中常见的原生生物类群，对环境变化十分敏感，是淡水生态系统中宝贵的生物指标。然而，全球气候持续变化，在温带和寒温带湿地，水生栖息地的季节性干旱愈发频繁和严重，这给泥炭地生物带来了巨大挑战。

目前，虽然有研究关注泥炭地鼓藻在自然环境中的分布受干旱影响的情况，但对于鼓藻耐旱性的实验研究却较为缺乏。科学家们不清楚不同鼓藻物种在面对干旱时的具体反应，也不了解它们是否具备适应干旱的机制。因此，开展对鼓藻耐旱性的研究迫在眉睫，这有助于揭示泥炭地生物对干旱的适应策略，为保护泥炭地生态系统提供科学依据。

来自查尔斯大学（Charles University）的研究人员 Y. Nemcova、J. Neustupa 和 M. Pichrtová 针对这一问题展开了研究。他们将Micrasterias thomasiana和Staurastrum hirsutum这两种从捷克奥雷山泥炭地不同水文环境分离出的鼓藻作为研究对象，通过设置不同的干旱处理实验，观察它们的形态变化和光合性能，以此探究这两种鼓藻的耐旱性。最终研究发现，Micrasterias thomasiana和Staurastrum hirsutum的耐旱性非常有限，当光系统 II 有效量子产量（ΦPSII）降至临界值 0.1 以下时，细胞难以恢复光合活性，几天后便会死亡。不过，通过再培养实验发现，Staurastrum hirsutum比Micrasterias thomasiana更具耐旱性。这一研究成果发表在《Protoplasma》杂志上，为深入了解泥炭地生物对干旱的适应机制提供了重要参考。

研究人员在实验中运用了多种关键技术方法。首先，通过单克隆分离技术，从泥炭地不同水池的植物底栖生物中获取Micrasterias thomasiana和Staurastrum hirsutum的单克隆菌株，并在特定条件下进行培养。其次，利用光镜和荧光显微镜观察细胞形态，通过尼罗红（Nile red）染色和金胺（auramine）活体染色对细胞内脂质体等结构进行检测。此外，借助透射电子显微镜技术，对细胞进行固定、包埋和切片处理，以观察细胞超微结构变化。同时，采用叶绿素 a 荧光测量技术，测定光系统 II 有效量子产量（ΦPSII），评估细胞光合活性。

实验菌株的培养与特征

研究人员分别从捷克奥雷山泥炭地的矿质营养水池和雨养水池中分离出Micrasterias thomasiana和Staurastrum hirsutum的单克隆菌株。在实验前，将它们分别在液体 DYV 培养基中培养，设置培养温度为 24°C，光照强度为50μmol?m?2?s?1。实验使用了培养 3 周的年轻新鲜培养物和培养 5 个月的静止期老培养物。其中，Staurastrum hirsutum年轻细胞的叶绿体呈三裂叶状，含有少量小的胞质脂质体；老细胞则充满了含三酰甘油的脂质体，叶绿体常被大脂质体挤压。Micrasterias thomasiana年轻细胞的叶绿体几乎充满整个细胞，淀粉粒围绕着明显的蛋白核；老细胞的叶绿体有时会收缩，含有较大的脂质体。

干燥实验设计及结果

1. 实验 I：严重干燥胁迫：对两种鼓藻的年轻和老培养物进行干燥处理，当ΦPSII降至 0.1 以下时进行再水化。结果显示，年轻培养物的初始平均ΦPSII为 0.54，老培养物在实验前ΦPSII就较低（0.1 - 0.2）。实验开始 210 分钟后，所有测量值大幅下降，再水化后 7 天内，两种鼓藻的培养物均未恢复，细胞死亡。
2. 实验 II：轻度干旱胁迫：在实验中，向放置有培养物的滤纸上额外添加蒸馏水，将其置于 75% 相对湿度（RH）下 13 小时。实验结果表明，虽然滤纸最终看起来干燥，但ΦPSII仅略有下降。再水化后，所有培养物的ΦPSII均增加，两种鼓藻的年轻和老培养物都能存活。
3. 实验 III：老培养物的长期干燥处理：将老培养物在干燥室中放置 22 小时，结果老培养物最终失去光合活性，细胞全部死亡，无法在这种处理下存活。
4. 实验 IV：湿滤纸上的长期培养及轻度干燥胁迫：将实验 II 中的年轻培养物在湿滤纸上长期培养，定期再水化，之后停止再水化并进行轻度干燥。实验发现，培养物的ΦPSII持续下降，再水化后无法检测到可测量的荧光信号。不过，再培养实验显示，Staurastrum hirsutum至少有部分细胞存活并能重新生长，而Micrasterias thomasiana则未建立起新的培养物。

研究结论与讨论

研究结果证实，Micrasterias thomasiana和Staurastrum hirsutum对干燥高度敏感，当ΦPSII低于 0.1 时，细胞严重受损且无法恢复，最终死亡。这两种鼓藻在实验中的表现与其他一些对干旱适应性较差的双星藻纲（Zygnematophyceae）藻类相似。实验还表明，鼓藻在轻度干旱胁迫下无法适应，延长干燥时间会导致细胞死亡，这与部分双星藻属（Zygnema）藻类通过轻度干燥胁迫增强耐旱性的情况不同。虽然Staurastrum hirsutum和Micrasterias thomasiana的老细胞在形态上与 Zygnema 的 “前厚垣孢子（pre - akinetes）” 相似，但它们并非耐旱阶段。通过再培养实验推测，Staurastrum hirsutum比Micrasterias thomasiana更耐旱，可能是因为Staurastrum hirsutum的黏液更坚固，能将细胞聚集形成密集的团块，为部分细胞提供保护，使其在干燥环境中存活。

这项研究首次在控制实验条件下对鼓藻的耐旱性进行了研究，为理解泥炭地生物对干旱的响应机制提供了重要数据。它揭示了泥炭地鼓藻在面对干旱时的脆弱性，以及不同物种耐旱性的差异，有助于科学家进一步探索泥炭地生物适应环境变化的策略，为保护泥炭地生态系统和生物多样性提供了理论基础。同时，研究也为后续开展相关研究指明了方向，如进一步探究鼓藻耐旱性的分子机制，以及不同环境因素对鼓藻耐旱性的综合影响等。