珊瑚的光照驯化------转帖

不忘初心1314

原文链接：http://www.reefsmagazine.com/for ... s-shallow-tidepo...



原文作者：Dana Riddle


简译：yangsha

不忘初心1314

夏威夷一处潮间带潮坑内有许多硬骨珊瑚

不忘初心1314

玩珊瑚多年的老鱼友们应该能回忆起来，曾经有很长一段时间，我们不知道珊瑚的光照需求。假设用人造光源模拟太阳光，很多鱼友在浅珊瑚缸上使用400瓦，甚至1000瓦的金卤灯。1990年代后，关于虫黄藻的研究有了突破，科学家们发布了很多信息，使我们对光照强度的预期降低了。科学家们还研究了虫黄藻的基因序列。测光表被鱼友引入后，鱼友开始测量自己鱼缸内的PAR值，并与科学家的测量结果进行比较，但很多问题仍是未解之谜。

不忘初心1314

虫黄藻对光线需求与很多因素有关。有些虫黄藻对光线的适应能力非常强，但即便是这样，它们对光线的需求也与暴露在太阳光下的时间有关。很多年前，我一直对浅水坑内珊瑚的光合作用感到好奇。我推测这些珊瑚，更确切的说是它们体内的虫黄藻，需要极强的光照才能达到光合作用的顶峰。多年后，我做了类似的比对，珊瑚样本采自较深水域。我的实验室最近新增了设备，能够给我们提供答案------PAM荧光仪（见图1），通俗的说，它是用来测量光合作用效果的。

不忘初心1314

正如我们了解的，光合作用是连接自然界和生命世界的桥梁，通过光合作用，太阳光、二氧化碳和水将被转换成氧气和糖类。在陆地上，光线充足地带和阴影地带都有不同形式的植物存在。海洋世界也是一样，两个世界一起分享着光合作用的规律。

不忘初心1314

A colony of Pocillopora.
Photo by Gary Parr.

不忘初心1314

在光线条件较弱时，感光色素吸收大量光线，当光线条件增强时，它们开始将能量转存到荧光系统或者非辐射系统。过程是这样的，光合作用，远红荧光（不要与珊瑚的光致发光荧光混淆了），热，这些系统是相互竞争的。PAM荧光计利用这些因素揭示了其中的奥秘。仪器数据监测能告诉我们光是被光合作用利用了，还是被转移到其他系统了。

不忘初心1314

这里有些术语可能要先普及下：



Clade：进化枝，或者序列。鹿角珊瑚通常体内含有C分支的虫黄藻。其它虫黄藻一本是A,B或者D分支。

不忘初心1314

Yield（光合作用）：光合作用吸收率，是吸收光子数与接受光子数的比值。通过测量，虫黄藻的吸收率比绿色植物低（0.40比0.80）。



Electron Transport Rate(ETR):光电转换率，光子被感光色素吸收后转换成电子，转化比率就是转换率。

不忘初心1314

Photosynthetically Active Radiation or
PAR有效辐射或有效PAR：辐射波长在400纳米-700纳米之间的光。



Photosynthesis/Irradiance (P/I) Curve光合作用/辐射曲线：表示光合作用与光强度之间关系的曲线。

不忘初心1314

PPFD或Ph：光子密度，单位时间内照射到单位面积的光子数。






PAM Fluorometer： PAM荧光仪，用来测量光合反应中叶绿素荧光反应的仪器。

不忘初心1314

图1 PAM荧光仪，是我们揭开珊瑚光合作用秘密的法宝。可以水下测量。

不忘初心1314

PAM 荧光，收集虫黄藻进行光合作用中红色荧光光谱部分。为了计算，我们首先要设定光谱范围的上限和下限。这项设定是将珊瑚遮光于黑暗环境30分钟以后开始的。我使用的PAM仪是Junior德国制造的。工作时，仪器的蓝色LED发出极小量的光，仪器检测到的荧光设定为最小值。然后再给予饱和脉冲蓝光，仪器检测到的荧光量设定为最大值。这就是我设定上下限的过程。而且，我还更新了仪器的蓝色光源。

不忘初心1314

Saturation Point: 饱和点，光合作用与光照强度成正比，直到达到某个点，光强度增加，而光合作用不再变化。这个点就是饱和点。



Dynamic Photoinhibition: 光照抑制，当光线太强时，强光会将叶黄素转换成另一种形态，虫黄藻会关闭光合作用，保护自己。

不忘初心1314

光合作用的减压阀,叶黄素循环The Photosynthesis ‘Pressure Relief Valve’
– The Xanthophyll Cycle:

虫黄藻跟其他植物一样，有叶黄素循环（Xanthophyll Cycle）。它有两种形式，即Diadinoxanthin和Diatoxanthin。蓝光被Diadinoxanthin吸收，并使其转化为diatoxanthin (在黑暗环境中，这种转化是反向的。) 这个过程有很多命名，但本文称之为光照抑制‘Dynamic Photoinhibition’。 无论这个循环叫什么名字，它都是防御被高强度光伤害的自我保护过程。然而，当所有diadinoxanthin 都被转化成Diatoxanthin，就没法提供更多的保护了。图2显示了两种形式叶黄素的吸收情况。注意，转换过程中只涉及了对蓝光照射的保护，而其他波长范围的光，尤其是红色光的照射都没有收到这种保护。

不忘初心1314

图2.

不忘初心1314

Pocillopora damicornis –鹿角杯形珊瑚，我们的实验样本。



这种SPS是研究者最喜欢的。这种硬骨珊瑚容易采集、饲养，而且特征明显好区分。 它们在夏威夷海滩的潮汐坑里常见。有些有绿色或粉色荧光，很漂亮。它们名字的拉丁语意思是杯或碗状的，多孔的意思。在维护良好的水族箱里，它们成活率极高，就像自然界里它们的“杂草”属性一样。同时它也是水族常见珊瑚的近亲，见图3.

不忘初心1314

图3，这些浅水坑只有5厘米深。 Pocillopora damicornis生活得很好。

不忘初心1314

实验结果

我的主要目的是确定这些鹿角对光照的需求。根据数据得到了光合作用与光线强度的曲线。 结果显示，最强光合作用发生在低光照强度时。这种强度LED和荧光灯和金卤灯都能达到。参见图4

不忘初心1314

图4 图中显示光照只需达到200+ μmol photons·m2·sec光合作用效率就能达到顶峰值

不忘初心1314

实验的第二部分包括观察光能是如何被分配的。之前我们说过，光能利用和转化在在珊瑚体内存在竞争。当光线强度较低时，光合作用与叶黄素转化同时进行，当光达到一定强度后两个过程都开始减弱，如图5所示，而当光线强度达到一定值时，非辐射热能转化开始，并逐渐增强。据我所知，在我之前还没有人做过类似图谱。