CN110367149A - 一种利用虫黄藻治理珊瑚白化的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明申请属于藻类培养技术领域，具体公开了一种利用虫黄藻治理珊瑚白化的方法，具体包括以下步骤,(1)取种剥离：从珊瑚的共生膜中将健康的虫黄藻剥离下来备用；(2)培养：将步骤(1)中得到的健康虫黄藻接种到光合生化反应器组中进行单独培养；(3)对步骤(2)中在光合生物反应器组中的虫黄藻进行定向进化，提高它们对于温度和酸性的耐受能力，得到进化后的虫黄藻备用；(4)珊瑚‑虫黄藻共生关系重构。本方法利用定向进化的方法对虫黄藻进行改造，对珊瑚礁进行珊瑚‑虫黄藻共生关系重建，从而使得珊瑚在撷取超级虫黄藻后构建的共生关系可以抵御海洋CO2的增加和海水酸化的加剧。
Description
技术领域
本发明属于海洋生物技术领域，具体公开了一种利用虫黄藻治理珊瑚白化的方法。
背景技术
自然界中存在许多“互利共生”的现象。海洋世界中，珊瑚和虫黄藻之间的互利共生关系是一个典型的例子。主要生存于热带和亚热带浅水海区珊瑚，在全世界有800-1000种之多。造礁珊瑚体内含有共生的微藻虫黄藻。虫黄藻的叶绿素a(Chlorophyll a)等光合色素是珊瑚七彩颜色的来源。虫黄藻是海洋单细胞藻类——甲藻的一种，是能和多种海洋动物和原生动物细胞形成内共生关系的一种金黄色共生类群，从有孔虫到石珊瑚，从水母、海葵、软体动物,再到涡虫、海绵的腔体内，都存在虫黄藻，特别是珊瑚纲生物最常见。据估计，每立方毫米的珊瑚组织内有3万个虫黄藻，它们与珊瑚虫互惠共利，彼此依存。虫黄藻是光自养微生物，能够通过光合作用转化太阳光能驱动细胞吸收CO2，为宿主提供易位式还原碳化物，如葡萄糖、甘油、氨基酸等光合作用的产物。珊瑚礁高达90％的能源需求为虫黄藻所提供。同时珊瑚为虫黄藻提供保护、居所、营养(主要是含有氮和磷的代谢产物)并供应光合作用所需的部分二氧化碳。可以说，石珊瑚与虫黄藻之间的共生关系是珊瑚礁生态系统的基础。
珊瑚礁生长在地球最复杂和多样的海洋环境中，对海洋生态起着关键作用。本世纪以来，全球气候异常变化,海水温度呈上升趋势，海水中的二氧化碳含量升高也导致海水酸化的发生。这些环境变化加上日益严重的海洋污染，全球许多地方的珊瑚礁已经出现白化现象，一些珊瑚礁生态系统甚至因此面临崩溃和死亡的威胁，研究人员指出，目前在全球所有近海海域，珊瑚礁的健康水平每况愈下。到目前为止，全球珊瑚礁已死亡三分之一。主要的珊瑚礁系统正在更加缓慢地钙化，此举旨在建立它们的石质骨骼。其中一项研究显示，澳大利亚沿岸大堡礁的珊瑚生长速度在过去30年中下降了40％。气候变化引起珊瑚白化对珊瑚礁造成巨大威胁，近期的极端白化事件已经造成全世界范围内珊瑚不同程度的死亡，如果不立即采取行动，本世纪末将会有更多珊瑚礁遭受永久性破坏。近日，澳大利亚RachelLevin博士通过基因工程的方法对珊瑚中的共生微藻进行遗传改良，增强其耐热性，有望减轻珊瑚白化。
珊瑚白化过程中，共生体细胞间的活动非常复杂，目前的研究非常有限。我们大致可以将白化过程分为三个阶段：首先是活性氧的产生；其次是细胞间的信号引发珊瑚白化；最后是虫黄藻离开珊瑚——胞吐作用或宿主细胞的分离宿主细胞的凋亡。一些宿主细胞可能会由于抗凋亡蛋白的激活而幸存下来，未来还有重新长出珊瑚组织的机会。白化并非意味着珊瑚已经死亡，当我们看到白化的珊瑚时，珊瑚体内的虫黄藻密度实际已经减少了70％～90％。一旦海水的温度在几天或几周内下降，这些共生藻类还会回来。
如何防止或者治理珊瑚白化是本领域技术人员急需解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够利用虫黄藻治理珊瑚白化的方法。
为了达到上述目的，本发明的基础方案为：
一种利用虫黄藻治理珊瑚白化的方法，具体包括以下步骤,
(1)取种剥离：从珊瑚的共生膜中将健康的虫黄藻剥离下来备用；
(2)培养：将步骤(1)中得到的健康虫黄藻接种到光合生化反应器组中进行单独培养；
(3)定向进化：对步骤(2)中在光合生物反应器组中的虫黄藻进行定向进化，提高它们对于温度和酸性的耐受能力，得到进化后的虫黄藻备用；
(4)珊瑚-虫黄藻共生关系重构：将步骤(3)中得到的进化后的虫黄藻与已经白化的珊瑚重组共生关系，修复病态珊瑚礁。
进一步，所述步骤(3)包括热激定向进化和耐酸定向进化；其中热激定向进化包括以下步骤：虫黄藻接种在光合生物反应器组内，此光合生物反应器组由一个摇床和内置6个150ML摇瓶组成，工作液位为50ML，虫黄藻由f/2人工海水培养液培养，摇床内置光源，光合生物反应器表面光强度为200Einstein/m-2/s；摇床初始温度调控在低于25℃，速度为80RPM；培养5天后待虫黄藻进入对数生长期，取出摇瓶放入热水浴箱内45℃加温热休克2小时，等待虫黄藻开始白化；然后放回25℃光合生物反应器内，待产生了完全的“白化”现象后，离心分离白化虫黄藻细胞，倒掉上清液，使用新鲜f/2人工海水培养液培养备用；重复上诉步骤，同时逐渐增加温度和热休克时间，最终使集胞藻突变株能在>45℃温度下正常生长。
进一步，所述耐酸定向进化包括以下步骤：在热激定向进化获得的虫黄藻突变株获得耐热能力之后，再对其耐酸的能力进行定向进化，对培养处于对数生长期的虫黄藻耐热突变株的光合生物反应器以每天pH下调0.3的速率添加常用酸，到达pH＝5时，离心分离虫黄藻细胞，倒掉上清液，使用新鲜f/2人工海水培养液培养备用。
进一步，常用酸为盐酸、硫酸、醋酸和硝酸。
进一步，步骤(4)包括以下步骤：在珊瑚繁殖季节，在待修复珊瑚礁附近岸边，使用生产出的虫黄藻定点施放待修复的水域，使得白化珊瑚可以吸收超级虫黄藻，就近补充白化珊瑚。
本方案的工作原理和有益效果：
白化并非意味着珊瑚已经死亡，白化的珊瑚，珊瑚体内的虫黄藻密度实际已经减少了70％～90％。一旦海水的温度在几天或几周内下降，这些共生藻类还会回来。然而如果白化的时间过长，虫黄藻不能及时回补到宿主珊瑚组织中，白化现象持续下去，珊瑚的最终死亡便不可避免。如果适时采取生物修复措施，对于遭受白化的亚健康珊瑚礁进行珊瑚-虫黄藻共生关系重建，使定向进化后的虫黄藻进入白化的珊瑚，则珊瑚礁有可能恢复健康状态和多彩的风貌；
珊瑚白化后，如果回到正常的环境中，珊瑚通常可以复原；虽然白化珊瑚组织中的共生藻密度会降低至几近于零，但是只要有少数的共生藻存在，珊瑚即可在外界环境恢复正常后，经由共生藻的分裂，或经由食入、吞噬作用等获得外界环境中的游离共生藻，而出现局部复原。本方案从珊瑚的共生膜中将健康的虫黄藻剥离下来，放入光合生化反应器中进行单独培养。然后对于在光合生物反应器中的虫黄藻进行定向进化提高它们对于温度和酸性的耐受能力。由此获得的虫黄藻与已经白化的珊瑚重组共生关系，修复病态珊瑚礁，让热带及亚热带海洋生态环境恢复健康状态。本发明利用直接和简便的生物定向进化技术用以培养耐受高温和酸化海水的虫黄藻，对于遭受白化的亚健康珊瑚礁进行珊瑚-虫黄藻共生关系重建。本方案在利用定向进化的方法对虫黄藻进行改造，使其对高温和强酸的耐受性不断增强。从而使得珊瑚在撷取超级虫黄藻后构建的共生关系可以抵御海洋CO2的增加和海水酸化的加剧。
附图说明
图1是本发明一种利用虫黄藻治理珊瑚白化的方法的热激定向进化中虫黄藻对数生长期示意图；
图2是本发明一种利用虫黄藻治理珊瑚白化的方法的热激定向进化中虫黄藻完全白化示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
实施例
如图1-2所示
一种利用虫黄藻治理珊瑚白化的方法，具体包括以下步骤，
(1)取种剥离：从珊瑚的共生膜中将健康的虫黄藻剥离下来备用；
(2)培养：将步骤(1)中得到的健康虫黄藻接种到光合生化反应器组中进行单独培养；
(3)定向进化：对步骤(2)中在光合生物反应器组中的虫黄藻进行定向进化，提高它们对于温度和酸性的耐受能力，得到进化后的虫黄藻备用；
(4)珊瑚-虫黄藻共生关系重构：将步骤(3)中得到的进化后的虫黄藻与已经白化的珊瑚重组共生关系，修复病态珊瑚礁。
其中步骤(3)包括热激定向进化和耐酸定向进化；其中热激定向进化包括以下步骤：虫黄藻接种在光合生物反应器组内，此光合生物反应器组由一个摇床和内置6个150ML摇瓶组成，工作液位为50ML，虫黄藻由f/2人工海水培养液培养，摇床内置光源，光合生物反应器表面光强度为200Einstein/m-2/s；摇床初始温度调控在低于25℃，速度为80RPM；培养5天后待虫黄藻进入对数生长期(图1)，取出摇瓶放入热水浴箱内45℃加温热休克2小时，等待虫黄藻开始白化；然后放回25℃光合生物反应器内，待产生了完全的“白化”(图2)现象后，离心分离白化虫黄藻细胞，倒掉上清液，使用新鲜f/2人工海水培养液培养备用；适应了热休克的虫黄藻细胞将会重新生成叶绿素，进而恢复光合作用和生长能力。同时，细胞的代谢机理会发生缓变，虫黄藻突变株将能适应温度的升高。反复进行上述虫黄藻细胞热休克-白化-复苏的“定向进化”过程，逐渐增加温度(从35℃升到47℃)和热休克时间(从30分钟升到4小时)；最后得到的集胞藻突变株能在>45℃温度下正常生长。
耐酸定向进化包括以下步骤：在热激定向进化获得的虫黄藻突变株获得耐热能力之后，再对其耐酸的能力进行定向进化，对培养处于对数生长期的虫黄藻耐热突变株的光合生物反应器以每天pH下调0.3的速率添加常用酸，常用酸为盐酸、硫酸、醋酸和硝酸等，到达pH＝5时，离心分离虫黄藻细胞，倒掉上清液，使用新鲜f/2人工海水培养液培养备用，适应了低培养液pH值的虫黄藻细胞将会重新生成叶绿素，进而适应酸性环境生长，反复进行上述pH缓降实验。虫黄藻细胞细胞的代谢机理会发生缓变，虫黄藻突变株将能适应培养环境的酸化。
具体用于修复或者治理珊瑚的步骤是珊瑚-虫黄藻共生关系重构：将步骤(3)中得到的进化后的虫黄藻与已经白化的珊瑚重组共生关系，修复病态珊瑚礁在珊瑚繁殖季节，在待修复珊瑚礁附近岸边，使用生产出的虫黄藻定点施放待修复的水域，使得白化珊瑚可以吸收超级虫黄藻，就近补充白化珊瑚。
本发明利用直接和简便的生物定向进化技术用以培养耐受高温和酸化海水的虫黄藻，对于遭受白化的亚健康珊瑚礁进行珊瑚-虫黄藻共生关系重建。本方案在利用定向进化的方法对虫黄藻进行改造，使其对高温和强酸的耐受性不断增强。从而使得珊瑚在撷取超级虫黄藻后构建的共生关系可以抵御海洋CO2的增加和海水酸化的加剧。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。
Claims (5)
1.一种利用虫黄藻治理珊瑚白化的方法，其特征在于，具体包括以下步骤，
(1)取种剥离：从珊瑚的共生膜中将健康的虫黄藻剥离下来备用；
(2)培养：将步骤(1)中得到的健康虫黄藻接种到光合生化反应器组中进行单独培养；
(3)定向进化：对步骤(2)中在光合生物反应器组中的虫黄藻进行定向进化，提高它们对于温度和酸性的耐受能力，得到进化后的虫黄藻备用；
(4)珊瑚-虫黄藻共生关系重构：将步骤(3)中得到的进化后的虫黄藻与已经白化的珊瑚重组共生关系，修复病态珊瑚礁。
2.如权利要求1所述的一种利用虫黄藻治理珊瑚白化的方法，其特征在于，所述步骤(3)包括热激定向进化和耐酸定向进化；其中热激定向进化包括以下步骤：虫黄藻接种在光合生物反应器组内，此光合生物反应器组由一个摇床和内置6个150ML摇瓶组成，工作液位为50ML，虫黄藻由f/2人工海水培养液培养，摇床内置光源，光合生物反应器表面光强度为200Einstein/m-2/s；摇床初始温度调控在低于25℃，速度为80RPM；培养5天后待虫黄藻进入对数生长期，取出摇瓶放入热水浴箱内45℃加温热休克2小时，等待虫黄藻开始白化；然后放回25℃光合生物反应器内，待产生了完全的“白化”现象后，离心分离白化虫黄藻细胞，倒掉上清液，使用新鲜f/2人工海水培养液培养备用；重复上诉步骤，同时逐渐增加温度和热休克时间，最终使集胞藻突变株能在>45℃温度下正常生长。
3.如权利要求2所述的一种利用虫黄藻治理珊瑚白化的方法，其特征在于，所述耐酸定向进化包括以下步骤：在热激定向进化获得的虫黄藻突变株获得耐热能力之后，再对其耐酸的能力进行定向进化，对培养处于对数生长期的虫黄藻耐热突变株的光合生物反应器以每天pH下调0.3的速率添加常用酸，到达pH＝5时，离心分离虫黄藻细胞，倒掉上清液，使用新鲜f/2人工海水培养液培养备用。
4.如权利要求3所述的一种利用虫黄藻治理珊瑚白化的方法，其特征在于，常用酸为盐酸、硫酸、醋酸和硝酸。
5.如权利要求1所述的一种利用虫黄藻治理珊瑚白化的方法，其特征在于，步骤(4)包括以下步骤：在珊瑚繁殖季节，在待修复珊瑚礁附近岸边，使用生产出的虫黄藻定点施放待修复的水域，使得白化珊瑚可以吸收超级虫黄藻，就近补充白化珊瑚。
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