Количественные закономерности изменения относительного содержания хлорофилла при совместном действии света и температуры у диатомовых водорослей
Ковалёва И.В., Финенко З.З. Ilona V. Kovalyova, Zosim Z. Finenko
Федеральный исследовательский центр
УДК 581.526.325.4+577.355.3
По экспериментальным данным для двух видов диатомовых водорослей Phaeodactylum tricornutum и Skeletonema costatum дано математическое описание совместного действия света и температуры на изменение внутриклеточного содержания хлорофилла а. Уравнение позволяет оценивать относительное содержание хлорофилла в водорослях в широком диапазоне температурных и световых условий. Описан степенной характер температурной зависимости отношения между органическим углеродом и хлорофиллом. Наиболее высокие значения относительного содержания хлорофилла наблюдаются при высокой интенсивности света и низкой температуре, минимальные – при высокой температуре и низкой интенсивности света. При высокой плотности светового потока действие температуры на удельное содержание хлорофилла в водорослях выражено сильнее, чем при низкой облученности. Ключевые слова: свет; температура; диатомовые водоросли; относительное содержание хлорофилла.
Введение Величина отношения между органическим углеродом и хлорофиллом (С/Chl) является важнейшей акклимационной характеристикой фитопланктона к условиям среды. В природных условиях измерить органический углерод фитопланктона не представляется возможным из-за отсутствия методов. На сегодняшний день доступны лишь измерения концентрации хлорофилла. Поэтому разрабатываются различные способы расчета содержания органического углерода в водорослях. Для этого наиболее часто используется способ, основанный на линейной зависимости между взвешенным органическим углеродом и концентрацией хлорофилла а. На величину отношения С/Chl, прежде всего, влияют такие факторы, как температура, свет и концентрация биогенных веществ, а также видовой состав фитопланктона. Ряд работ (Terry et al., 1983; Geider et al., 1985; Cloern et al., 1995; Nielsen, 1996; Behrenfeld et al., 2005, Boatman et al., 2018, McKew et al., 2013) посвящен исследованию зависимости отношения С/Chl от какого-либо одного из перечисленных факторов, гораздо меньше работ (Geider, 1987; Finenko et al., 2003; Шоман, Акимов, 2013; 2015), в которых рассматривается совместное действие двух и более факторов, еще меньше имеют математическое описание указанных зависимостей (Geider, 1987; Finenko et al., 2003; Flynn et al., 2001; Flynn, 2001). Так, например, в некоторых работах (Finenko et al., 2003) проводилось моделирование температурно-световой зависимости С/Chl-отношения в узком световом диапазоне. Исследование С/Chl-отношения в широком световом и температурном диапазоне остается актуальной задачей. В данной работе мы не будем рассматривать механизмы, которые определяют синтез и разрушение хлорофилла а в клетке, уделив основное внимание математическому описанию совместного действия света и температуры на удельное содержание хлорофилла в водорослях. Цель работы – исследовать совместное действие температуры и интенсивности света при их изменении в широких пределах на С/Chl-отношение в микроводорослях двух видов – Phaeodactylum tricornutum и Skeletonema costatum в оптимальных условиях питания.
Материалы и методы Расчеты проводили по экспериментальным данным, опубликованным в работе (Шоман, Акимов, 2015). Эмпирические данные получены для культур диатомовых водорослей Phaeodactylum tricornutum Bohlin, 1897 и Skeletonema costatum Cleve, 1873 из коллекции отдела экологической физиологии водорослей ИМБИ РАН. Микроводоросли выращивали на питательной среде F/2. Водоросли P. tricornutum выращивали при девяти интенсивностях света (14–1200 мкЕ·м-2·с-1) и четырех температурах (в диапазоне 5–25ºС). Для S. costatum – при десяти интенсивностях света в интервале от 5 до 530 мкЕ·м-2·с-1 и четырех температурах от 5 до 20ºС. В ходе эксперимента в течение трех суток проводили акклимацию исследуемых культур водорослей к температурным и световым условиям. Для поддержания определенной температуры использовали термостатированный бокс. Освещённость внутри склянок измеряли зондирующим 4П датчиком квантометра QSL 2101. Концентрацию хлорофилла а определяли по поглощению света водорослями, измеренному на спектрофотометре SPECORD UV VIS (Шоман, Акимов, 2015). Концентрацию углерода в пробах определяли на CHN анализаторе.
Результаты По экспериментальным данным для двух видов водорослей проводили аппроксимацию изменения отношения С/Chl от интенсивности света при исследуемых температурах (рис. 1).
Рис. 1. Линейная аппроксимация зависимости отношения С/Chl от света при различных температурах для двух видов водорослей Fig. 1. Linear approximation of C/Chl ratio on light at different temperatures for two species of algae
Во всем диапазоне освещенностей зависимость между содержанием органического углерода и концентрацией хлорофилла в культурах водорослей была линейной с высокими коэффициентами детерминации – от 0,82 до 0,98. Для совместного влияния двух факторов – света и температуры определялась температурная зависимость коэффициентов линейного уравнения С/Chl – освещенность. Линейные и гиперболические уравнения имели высокие коэффициенты детерминации (0,5–1) для P. tricornutum и S. costatum (рис. 2), и были достоверны при высоком уровне значимости (р<0,0001). По результатам расчетов выведено общее уравнение совместного влияния света и температуры на отношение С/Chl для исследуемых видов диатомовых водорослей: С/Chl =(а/(Т+b))·E+d·T+c (1), где Т – температура, ºС;
Рис. 2. Температурная зависимость коэффициентов (a, b) линейного уравнения С/Chl от света Fig. 2. Temperature relationship of the coefficients (a, b) of the linear C/Chl equation on light
Сравнение рассчитанных значений и данных измерений показало их высокую сопоставимость (рис. 3). Погрешность уравнения (1) во всем диапазоне исследованных температур и освещенностей для P. tricornutum составляет 23%, для S. costatum – 26% по отношению к экспериментальным данным. Стандартная ошибка уравнения для двух указанных видов – 18 и 23 соответственно. Уравнение (1) хорошо применимо при средних температурах воды (5<Т<20ºС для P. tricornutum; 10<Т<20ºС для S. costatum) и интенсивности света (25<Е<800 мкЕ·м-2·с-1 для P. tricornutum; 15<Е<400 мкЕ·м-2·с-1 для S. costatum). Ошибка расчетов относительно экспериментальных данных в указанных случаях не более 20%. Однако при крайних значениях света и температуры различия между измеренными и рассчитанными величинами достигали 30–50%. Указанная вариабельность в изменении отношения С/Chl от света может быть принята во внимание при анализе расчетных значений по уравнению (1). Значения отношения С/Chl в широком диапазоне освещенностей (от 14 до 1200 мкЕ·м-2·с-1) и температур (от 5 до 25ºС) для P. tricornutum по полученным расчетным данным варьируют от 15 до 293, а для S. сostatum от 8 до 600. Рис. 3. Сравнение рассчитанных по уравнению (1) и измеренных данных Fig. 3. Comparison of calculated data using equation (1) and measured data
Согласно статистическим показателям, уравнение (1) хорошо применимо для указанных двух видов микроводорослей в диапазоне световых и температурных условий, которые обычно наблюдаются в Черном море. Температурные зависимости отношения С/Chl от световых условий по расчетным данным представлены на рис. 4. Рис. 4. Температурная зависимость отношения С/Chl, рассчитанная по уравнению (1) при высокой и низкой интенсивности света Fig. 4. Temperature dependences of C/Chl ratio at high and low light intensity
Они наглядно демонстрируют существенное возрастание С/Chl-отношения при высоких освещенностях и низких температурах. Как видно, у P. tricornutum при интенсивности света 500 мкЕ·м-2·с-1 с изменением температуры от 5 до 25ºС С/Chl отношение уменьшается в 4,1 раза, тогда как при изменении температуры на 10ºС от 5 до 15 и от 15 до 25ºС оно изменяется в 2,8 и 1,5 раза соответственно. При интенсивности света 50 мкЕ·м-2·с-1 у P. tricornutum С/Chl отношение уменьшается только в 1,8 раза, а на каждые 10ºС происходит изменение в 1,5 и 1,2 раза. У S. costatum изменение отношения С/Chl через 10ºС при освещенности 500 мкЕ·м-2·с-1 в диапазоне температур от 5 до 15ºС происходит в 5,1, в диапазоне температур от 15 до 25ºС в 1,4 раза; при 50 мкЕ·м-2·с-1 соответственно в 2,5 и 0,7 раза. Проведенные расчеты позволили выявить степенной характер температурной зависимости С/Chl-отношения. В общем виде это уравнение можно записать: С/Chl = m·T-n (2). где Т – температура, ºС; m, n – коэффициенты, зависящие от интенсивности освещения.
Обсуждение Как показано в ранних исследованиях, линейная зависимость отношения С/Chl от света наблюдается только на начальном участке кривой, затем кривая выходит на плато и, по некоторым данным (Шоман, Акимов, 2015), при крайне высоких освещенностях происходит резкое возрастание. Однако такой ход кривой вносит несущественный вклад при линейной аппроксимации во всем световом диапазоне, о чем свидетельствуют статистические показатели. Во многих исследованиях зависимости С/Chl-отношения от различных факторов основное внимание уделялось какому-либо одному или двум факторам (Finenko et al., 2003; Шоман, Акимов, 2013; 2015; Geider, Osborne, 1986; Behrenfeld et al., 2005). Так, при исследовании светозависимых кривых отношения С/Chl, дан подробный анализ и математическое описание начального участка кривой при разных температурах (Finenko et al., 2003). Другими авторами для этого же участка также получены линейные зависимости, а для более широкого светового диапазона – гиперболические или экспоненциальные (Terry et al., 1983; Geider et al., 1985; Behrenfeld et al., 2005). Клорн с соавторами (Cloern et al., 1995) обобщили литературные данные для 16 видов водорослей и описали комбинированное влияние света, температуры и питательных веществ на отношение C/Chl. Сравнение данных, рассчитанных по уравнению, предложенному в работе (Cloern et al., 1995) и нашему уравнению (1) для двух рассматриваемых видов водорослей показало различия между результатами от двух до девяти раз с уменьшением температуры. Эти различия могут быть обусловлены тем, что Клорн с соавторами использовали одинаковые коэффициенты в уравнении для всех видов микроводорослей, однако, как показано позже, они различаются в зависимости от типа водорослей (Finenko et al., 2003). Исследования на разных таксономических группах показали, что при одинаковых условиях наиболее высокие значения относительного содержания хлорофилла наблюдаются у диатомовых, минимальные – у динофитовых, у остальных групп водорослей они имеют промежуточные значения (Finenko et al., 2003). Указанные несоответствия результатов связаны, возможно, также с особенностями метода выращивания микроводорослей или проведения эксперимента. У диатомовых водорослей снижение температуры приводит к повышению отношения С/Chl в клетках (Geider, 1987; Verity, 1982; Thompson et al., 1992; Finenko et al., 2003; Шоман, Акимов, 2015). Однако механизм температурной адаптации фитопланктона при низкой интенсивности света и низкой температуре до сих пор изучен недостаточно. Закономерного изменения С/Chl в таких условиях может не наблюдаться (Smith et al., 1994), и есть основания полагать, что увеличение относительного содержания хлорофилла в клетке не всегда связано с понижением температуры. Результаты наших расчетов показали, что отношение С/Chl от температуры (в диапазоне от 5 до 25ºС) изменяется по степенному закону (рис. 4, уравнение (2)). При одинаковой температуре для двух видов водорослей в случае с низкой освещенностью различий в величинах С/Chl-отношения почти не наблюдалось, тогда как при высокой освещенности значения С/Chl различались примерно в два раза. Таким образом, при высокой температуре и низкой освещенности значения отношения С/Chl минимальны, а низкие значения температуры и высокие величины светового фактора приводят к максимальным значениям С/Chl-отношения.
Заключение В широком диапазоне света и температуры дано математическое описание их совместного действия на отношение органического углерода к хлорофиллу а для двух видов диатомовых водорослей Phaeodactylum tricornutum и Skeletonema costatum. Согласно статистическим показателям, полученное уравнение хорошо применимо для указанных двух видов микроводорослей в диапазоне световых и температурных условий, которые обычно наблюдаются в Черном море. По данным математического моделирования определен вид степенного уравнения изменения отношения С/Chl от температуры. Наиболее высокие значения наблюдаются при высокой интенсивности света и низкой температуре, минимальные – при высокой температуре и низкой интенсивности света.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов, требующего раскрытия в данной статье. Работа подготовлена по теме госзадания ФИЦ ИнБЮМ № 0556-2019-0003 «Функциональные, метаболические и токсикологические аспекты существования гидробионтов и их популяций в биотопах с различным физико-химическим режимом», номер гос. регистрации АААА-А18-118021490093-4, а также по проекту РАН «Влияние физико-химических процессов на смену видового состава и продуктивность морского фитопланктона», номер гос. регистрации АААА-А18-118020790209-9.
Список литературы
Статья поступила в редакцию 27.06.2019
Об авторах Ковалёва Илона Васильевна – Kovalyova Ilona V. кандидат биологических наук ila.82@mail.ru Финенко Зосим Зосимович – Finenko Zosim Z. доктор биологических наук, профессор zosim_finenko@mail.ru Корреспондентский адрес: Россия, 299011, Севастополь, пр. Нахимова, 2, ФИЦ ИнБЮМ; тел. (8692)-550944.
ССЫЛКА НА СТАТЬЮ: Ковалёва И.В., Финенко З.З. Количественные закономерности изменения относительного содержания хлорофилла при совместном действии света и температуры у диатомовых водорослей // Вопросы современной альгологии. 2019. № 3 (21). С. 28–36. URL: http://algology.ru/1567 DOI - https://doi.org/10.33624/2311-0147-2019-3(21)-28-36
Уважаемые коллеги! Если Вы хотите получить версию статьи в формате PDF, пожалуйста, напишите в редакцию, и мы ее вам с удовольствием пришлем бесплатно. При перепечатке ссылка на сайт обязательна
Quantitative regularities of changes in the relative content of chlorophyll at the joint action of light and temperature in diatoms Ilona V. Kovalyova, Zosim Z. Finenko FIC «Kovalevsky Institute of Biology of the Southern Seas RAS» (Sevastopol, Russia) According to experimental data for two spеcies of diatoms Phaeodactylum tricornutum and Skeletonema costatum, a mathematical description of the combined effect of light and temperature on the change in the intracellular ratio of organic carbon to chlorophyll a was carried out. The equation allows estimating the relative content of chlorophyll in algae in a wide range of temperature and light conditions. According to the results of calculations, the power relationship between temperature and organic carbon and chlorophyll was determined. The highest values of the relative content of chlorophyll were observed at high light intensity and low temperature, the minimum ones were at high temperature and low light intensity. At high density of the light flux, the effect of temperature on the specific content of chlorophyll in algae is more pronounced than at low irradiance. Key words: light; temperature; diatoms; relative content of chlorophyll.
References
Authors Kovalyova Ilona V. ORCID - https://orcid.org/0000-0001-5430-2002 FIC «Kovalevsky Institute of Biology of the Southern Seas RAS», Sevastopol, Russia ila.82@mail.ru Finenko Zosim Z. ORCID - https://orcid.org/0000-0003-4852-341X FIC «Kovalevsky Institute of Biology of the Southern Seas RAS», Sevastopol, Russia zosim_finenko@mail.ru
ARTICLE LINK: Kovalyova I.V., Finenko Z.Z. Quantitative regularities of changes in the relative content of chlorophyll at the joint action of light and temperature in diatoms. Voprosy sovremennoi algologii (Issues of modern algology). 2019. № 3 (21). P. 28–36. URL: http://algology.ru/1567 DOI - https://doi.org/10.33624/2311-0147-2019-3(21)-28-36
Dear colleagues! If you want to receive the version of the article in PDF format, write to the editor,please and we send it to you with pleasure for free. When reprinting a link to the site is required
К разделу ОБЗОРЫ, СТАТЬИ И КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ
|
|||
|
|