单位：上海光语生物科技有限公司
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作者：俞建中（微信号：Scophy117）
俞建中博士系列藻类科普文章《光语带你认识微藻》第一辑链接：
中科院南海所喻子牛研究员带领的研究团队，近年实现了砗磲人工繁育的重大突破，虫黄藻的利用是其中一项关键技术。今天来和大家讲一下虫黄藻
1.虫黄藻（zooxanthellae）
图1.漂亮的珊瑚。
首先来一张图，网络上扒的。没错这是珊瑚！珊瑚跟藻有什么关系？老俞告诉你，有很大关系！
珊瑚的这些颜色，其实是珊瑚体内有一种微藻而显现出来的，而且这类微藻是生活在珊瑚的体内！
珊瑚和藻在一起，互相之间都得利，这种现象被称为共生（一个生物在另一个生物体内或紧挨着，如果你好我也好，就叫共生，如果你好我不好，就叫寄生。）
珊瑚中的这类藻，我们称为虫黄藻（zooxanthellae）
1.1沟鞭藻——虫黄藻
首先解释微藻及共生的情况。微藻和动物的共生现象其实比较普遍。尤其是沟鞭藻类（鞭毛藻类）和腔肠动物的共生现象非常普遍。所谓的腔肠动物就是我们见到过的海葵、珊瑚、水螅、水母等。
图2. 腔肠动物触手内明显可见的藻细胞群。
而与之共生的微藻，多数为沟鞭藻，属甲藻门，这类藻仅仅一半的种类拥有光合色素，没有光合色素的种类进行异养，也就是可以“吃”现成的有机物。共生的沟鞭藻类，也就是我们说的虫黄藻，具有光合色素，能够利用太阳光生产营养物质，供给自身及动物宿主使用。绝大多数沟鞭藻类为单细胞，但是他们有几种不同阶段形态，鞭毛细胞，无鞭毛细胞，四聚型和丝状。
多数沟鞭藻具有两条鞭毛，一条用来“划水”，另一条绕在细胞的腰部，鞭毛是细胞运动的“器官”，有研究声称在鞭毛的摆动下，细胞一天能运动3米。沟鞭藻多数为海水藻类，淡水种有几百种。
图3. 鞭毛虫状态的虫黄藻（Symbiodinium），上图左鞭毛清晰可见，上图右为细胞内部结构，下图为光镜下的形态（下图by Shoguchi, et al.）
图5. A, B, C三种/株不同的虫黄藻，图示虫黄藻的多种外形，如“标准”的鞭毛虫形态（mostigote），球状（coccoid）和对称形（doublet）。（by Jeong）
虫黄藻是单细胞沟鞭藻，沟鞭藻色素体通常是红色、绿色或蓝绿色，多数显示棕色，虫黄藻通常为棕色。虫黄藻的生活史如下图
图6.虫黄藻（Symbiodinium）的生活史（图比较复杂，意思就是既有有性生殖又有无性繁殖，无性繁殖是一个变两个，有性繁殖是两个合一个又一个变四个）。（by Fitt and Trench）
1.2 造礁珊瑚——虫黄藻
这里用造礁珊瑚为例来说说珊瑚和虫黄藻之间的关系。
图7.虫黄藻藏身在造礁珊瑚的触手中。（by Wooldridge）
造礁珊瑚中含有的虫黄藻最为丰富。珊瑚分布在热带浅水海域中，所有的造礁珊瑚都含有共生藻。造礁珊瑚的珊瑚虫个头小（直径约10毫米），释放碳酸钙到身体周围，当珊瑚虫死去后，钙质外壳继续保留，新的珊瑚虫在外壳之上继续生长，一代代相继，形成珊瑚礁。
虫黄藻生活在珊瑚虫的消化腔内，含有虫黄藻的珊瑚虫，生长速度要大大快于不含虫黄藻的珊瑚虫。
图8. 珊瑚的蛋蛋里就含有虫黄藻。A：夏威夷的盘状珊瑚（Montipora 。capitata）；B：外源的虫黄藻进入珊瑚卵中（蓝色部分）；C：透射电镜显示结合在膜上的虫黄藻（深蓝色的圈圈，白色为卵黄泡）。（by Hagedorn et al.）
虫黄藻和珊瑚的共生关系比较清晰：虫黄藻可以通过光合作用固化二氧化碳，刺激珊瑚虫形成钙外壳；并能给宿主珊瑚虫提供氧气和碳氮等营养元素。宿主珊瑚虫可以从捕食消化的浮游生物中获得维生素、微量元素和其他必需物质，供给藻类使用。宿主珊瑚虫产生的代谢废弃物可通过藻类转化为氨基酸等物质，又返回给宿主珊瑚虫使用。虫黄藻所含的色素可同时保护宿主动物和藻类免收紫外辐射的伤害。这些机制有利于珊瑚在水质清澈并营养寡淡的海区生存。
在胁迫条件下，比如高温，珊瑚虫会释放出虫黄藻，显现成白色（碳酸钙骨架的颜色），珊瑚虫可以在无虫黄藻存在的情况下存活几个月，当生存条件好转时，又从外界吸入虫黄藻，转变回原来的正常颜色并继续生长。但温度太高的情况下，珊瑚虫就会死去。另外有个现象是，珊瑚在遭遇病害时，往往虫黄藻是首要的受害对象，而非珊瑚自身。
珊瑚的生长几乎无法离开虫黄藻，尤其是没有虫黄藻，珊瑚就失去了足够的构建碳酸钙骨架的能力，无法继续生长。
图9. 红海中的两种珊瑚Rhodactis rhodostoma（左）和Discosoma unguja（右），a和b为实验室特定光照条件下，c和d为原生环境中，可见光线对珊瑚中的虫黄藻影响很大。（by Kuguru et al.）
研究还发现，鹿角珊瑚Acropora缺乏合成半胱氨酸的酶基因，需要虫黄藻合成这种氨基酸。虫黄藻的基因组有1500Nbp，编码约42000个基因，而珊瑚只有420Mbp，珊瑚似乎更依赖虫黄藻，不仅仅是合成这种氨基酸，还可能包括磷元素储用相关的功能。转录组的研究发现，这种珊瑚有大约35%的转录基因源自虫黄藻，这些转录基因对珊瑚和虫黄藻都很重要。
此外，研究发现，从珊瑚中分离得到的一些毒素等物质，实际来源于虫黄藻，而且这些物质非常的多样化。有些虫黄藻具有耐高温的能力，同样帮助宿主珊瑚提高了耐高温的能力，这在全球海洋变暖的情况下，对维持和保护珊瑚（礁）生态具有重大的意义。
图10.左为具有共生虫黄藻的珊瑚，右为没有共生虫黄藻的同一种珊瑚，差异非常明显。（by Eakin）
1.3水母——虫黄藻
水母的生活史分单体、水母型和水螅型几个阶段（水母的水螅阶段不发达，甚至没有），朝天水母的水母阶段体内有共生藻，而在水螅阶段没有藻。当水螅体获得一种虫黄藻（S. microadriaticum）后才会发育成熟，这个特征帮助科学家们依据不同的虫黄藻来区分不同的水母，甚至发现水母对吞噬入体的虫黄藻具有鉴别的能力。有意思都是，朝天水母不会自由游泳，它触角朝上浮在水面，有助于共生的虫黄藻进行光合作用。
图11. 上图为朝天水母（ C. xamachana，图片引自网络）；下图左为光镜下朝天水母水螅体（态）中的虫黄藻，下图右为相应的共聚焦照片。
1.4 砗磲——虫黄藻
砗磲是一种大型双壳贝类，归属砗磲科（Tridacnidae），砗磲英文名Giant clams，就是大蚌壳的意思。砗磲生活在南太平洋和印度洋的珊瑚礁中，目前已知的九种，其中Tridacna属7种（砗磲属？），Hippopus属2种（砗蚝属？），均列入《濒危野生动植物种国际贸易公约》附录2中（Appendix II of CITES）。
许多人都听说过砗磲，不过多数见到的砗磲已经是它的碳酸钙外壳甚至是已经搓成珠子了，活的砗磲其实是非常漂亮的一个物种。
图12. 漂亮的砗磲（砗磲工艺品用的多是玉化的砗磲壳，现杀的壳，估计得埋海底N万年才能玉化，所以，请保护砗磲！）（上图引自网络，下图为砗磲H. hippopus，by Hernawan）
砗磲的美丽，来自于虫黄藻，与虫黄藻共生，是砗磲与其他贝类大不同所在。研究发现，当砗磲体内的虫黄藻受到破坏时，砗磲更容易受到敌害侵袭，砗磲大规模的死亡往往起源于虫黄藻的缺失，这种现象称为白化（漂白）。而且，砗磲幼体的存活和发育，获取到共生虫黄藻是一个重要的因素。最初从几种砗磲中分离到的虫黄藻都定名为Symbiodinium microadriaticum，而在分子分类的技术得到推广后，发现这个类群中有多个基因型，而且均与浮游的Symbiodinium种类有遗传差异区别。而且一个砗磲里，会拥有几个基因型的虫黄藻种类，而不是单一的克隆。
图13. 砗磲Tridacna crocea的面盘幼体（受精后100小时），钙质外壳已可见，消化道中已经充满了虫黄藻。（by Mies and Sumida）
研究发现，砗磲里的虫黄藻并非来自亲代的授予，砗磲的精子和卵子中不含虫黄藻，受精卵和担轮幼虫阶段也不含虫黄藻，意味着每一代的砗磲都必须从环境中获取虫黄藻。砗磲幼体获得虫黄藻发生在担轮幼虫阶段之后，通过嘴，摄入虫黄藻达到胃部。
（值得一提的是，中科院南海所喻子牛研究员带领的研究团队，近年实现了砗磲人工繁育的重大突破，虫黄藻的利用是其中一项关键技术。）
有意思的是，虫黄藻在砗磲体内并非无序分布，砗磲体内存在一个管道系统，分初级、次级和三级管道，从胃部将虫黄藻向外套膜运输，在充满在三级管道中（如下图14）。而当外界环境不利时，比如提高温度，虫黄藻会以目前未知的途径，离开三级管道，到达胃部，经过肠道和粪便一起经直肠排泄至外部。
图14.砗磲体内的虫黄藻管道运输系统（by Norton et al.）
虫黄藻对砗磲的影响巨大，虫黄藻缺失会严重影响砗磲的生长、繁殖、甚至生存，因此有科学家提出，砗磲的培养，必须考虑虫黄藻的需求。虫黄藻的数量跟砗磲外套膜的伸展，光合作用的强弱都有关系，并且观察到虫黄藻数量的指数增长与砗磲生长（外套膜及外壳）相关联。
图15. 这么漂亮的砗磲，必须再来一张图，图为砗磲T.squamosa.（by Hernawan）
2.虫绿藻（Zoochlorella）
除了虫黄藻之外，还有虫绿藻，顾名思义。就是共生的绿藻。
虫绿藻作为一个属指的是归属绿藻门的虫绿藻属，含有一个种（Z. parasitica，寄生虫绿藻？），而作为一个类别（俗名），指的是与淡水或海洋无脊椎动物（或原生动物）共生的一类绿藻，而且共生绿藻的现象也比较普遍。
2.1 海葵——虫绿藻
海葵生活在海中，海葵的肠皮层细胞中存在着共生的藻类，有些海葵中同时存在着虫黄藻和虫绿藻，例如黄海葵（Anthopleura xanthogrammica），两种共生藻类的比例则和水温相关，在高温（26℃）条件下，虫黄藻较多，而在低温（12℃）条件下，虫绿藻更丰富，中间温度下，两者数量趋向于同等。虫绿藻的代谢物只有少量的碳化合物，当虫绿藻占优势时候，海葵将自己置于光照充分的地方，以增强共生效益。当它们的触手散放时，共生的藻细胞得以充分铺展，机会在一个层而无遮挡。而当触手收拢时，肠皮细胞收拢，共生藻细胞置于肠皮细胞的顶部。虫黄藻可利用宿主呼吸作用产生的二氧化碳，氮磷等营养物质在宿主和共生藻之间以各自代谢物的形式来回传递。共生藻在宿主的庇护下生存生活，海葵则可利用共生藻光合作用产生的氧气、甘油、葡萄糖和氨基酸等物质而获益。
图16. 海葵（Aiptasia pulchella，图A），显微照片（图B）显示体内含有虫黄藻 (by Weng et al.)
虫绿藻尤其是在太平洋沿岸的海葵中较为常见，是一些绿色海葵的颜色的来源。
图17. 左右都说是海葵Anthopleura xanthogrammica，不知对错。（图片源自网络）
2.2 海绵——虫绿藻
图18. 海绵，不同的共生藻就显示不同的颜色，上左图未知，上右图为含共生虫绿藻。下图为贝加尔海绵，充满了内生的虫绿藻（图片引自网络）
2.3 纤毛虫——虫绿藻
图19. 几种不同观点纤毛虫。左不知名（by Elliott）；中为多态喇叭虫Stentor polymorphus（by Tsukii）；右为尖毛虫Oxytricha（图源自网络）。
2.4 水螅——虫绿藻
图20. 左为水螅，右为水螅触手，可见绿色藻细胞充杂其间（图片引自网络）
2.5 草履虫——虫绿藻
图21.左图为充满了绿藻的草履虫（图引自网络）；右图为草履虫Paramecium bursaria中发现的两种共生藻，一种像小球藻（左），一种像胶球藻（右）( by Proschold et al.)
虫绿藻和宿主动物的关系跟虫黄藻相似度很高。虫绿藻利用宿主代谢产生的氮磷二氧化碳等废弃物，如绿色草履虫在无光的条件下繁殖多代以后，藻依然能存活。在有光的情况下，产生氧气和营养物质供给宿主，可帮助宿主度过缺乏食物的阶段。有时会被宿主消化，如果存在于生殖细胞中也可以被传递到下一代宿主。
2.6 其他动物——虫绿藻
图22无腔动物门（Acoelomorpha）的无肠虫（Convolutriloba longifissura），体内含有扁藻（Tetraselmis spp），体色呈现橙色，起到太阳镜的作用，以保护宿主（by Hirose &Hirose）
图23. 斑点蝾螈（Ambystoma maculatum）。斑点蝾螈（上）的胚胎期就结合了共生绿藻（下B），结合的位置为脑部和组织层发育区，随着胚胎的发育，藻类扩散至全身，但是主要聚集在食道和消化道。
图24. 与斑点蝾螈卵有关联的微藻类，其共生藻估计是其中的某一种或几种。（http://algae.eeb.uconn.edu）
2.7 海蛞蝓
海蛞蝓与上述的宿主有不同，它吃各类海草，会将藻消化，但留下叶绿体在体内，并保持很长的时间。
图25. 莴苣海蛞蝓（Elysia crispata），摄食海葡萄（葡萄蕨藻，Caulerpa spp）之后，身体就变得非常绿，喜欢长时间“晒太阳”，以便让体内的叶绿体进行光合作用（图片源自网络）。
3.虫蓝藻（Zoocynobacteria）
共生藻除了黄色的绿色的之外，还有蓝色的……，虫蓝藻！
虫蓝藻与海绵和海鞘的共生现象比较多。
图26. 左：与蓝藻共生海洋黑病海绵（Terpios hoshinota ）；右：与绿藻共生的淡水针海绵（Spongilla lacustris.）（by Charpy et al.）
3.1 海绵——虫蓝藻
几乎所有的海洋海绵中含有共生蓝藻（或者异养细菌），可为宿主提供碳元素和氮元素，而宿主为藻类提供必需的营养和庇护。
图27. 加勒比海珊瑚礁中带有共生蓝藻的海绵Xestospongia muta (后)和Agelas sp.（前）（by Pawlik）
藻类的生物量几乎与海绵细胞等重，海绵50%左右的能量和80%左右的碳元素，是由藻的光合作用来贡献，海绵宿主通过吞噬食物获取营养的同时，还通过消化体内的共生藻获得。而且，共生蓝藻还跟海绵的次生代谢物产生相关。这些物质起到多种生态功效，如（海绵的）捕食、对敌害的威慑、抵抗有害菌侵染。
图28. 左上：原生环境中的海绵Xestospongia bocatorensis；右上：孵育体中的海绵卵与胚胎；左下：在海绵胚胎中的纤维状共生蓝藻（海绵颤藻，Oscillatoria spongeliae）；右下：海绵幼体中的共生蓝藻发出的叶绿素荧光。（by Thacker and Freeman）
目前的研究发现，海绵中有几类共生蓝藻，如链状的海绵颤藻（O. spongeliae），单细胞的聚球藻（Synechococcus spp.）以及集胞藻（Synechocystis sp.），这几类藻在海绵中的分布相当广泛。
图29. 共生蓝藻海绵颤藻（O. spongeliae）（byThacker）
海绵颤藻在掘海绵科Dysideidae的三个种：Lamellodysidea herbacea, L. chlorea, 和Dysidea granulosa中有发现，而且研究发现，海绵和藻的配对中具有一定的种的特异性（就是谁跟谁配对有一定讲究）。
图30.与海绵颤藻（O.spongeliae）有共生关系的三种海绵。（byThacker）
聚球藻Synechococcus的共生现象更为普遍，如 海绵Xestospongia muta, Aplysina aerophoba，Chondrilla nucula 和 Hippospongia sp.。参与海绵共生的聚球藻与一般的浮游聚球藻不同，但没有证据证明这类藻的共生有宿主特异性。
图31. 电镜下，马海绵（Hippospongia sp.）体内的海绵聚球藻（S. spongiarum，暂定名）（by Lemloh et al.）
图32. 山海绵（Mycale sp.）中观察到的共生集胞藻（Synechocystis sp.），有的是绿色的球球，还有的是稍大的红色球球……（by Lemloh et al.）
研究发现具有共生配对特异性的海绵颤藻跟宿主之间是一种互惠共生的关系。而无特异性的聚球藻则更倾向于在共生时从宿主获得较多的利益，在不利条件下，趋向离开这个共生体系。现有的一个假设就是，配对的特异性越强，共生蓝藻给予宿主的贡献越大。
3.2 金藻——共生蓝藻（藻跟藻好像不好说虫……）
海洋中蓝藻（蓝细菌）不仅跟海绵海鞘共生，更有新发现，证明蓝藻和其他微藻能形成共生，这种蓝藻能够固氮，但缺乏进行光合作用和代谢某些必需物质的基因，而另一种能进行光合作用的微生物（一种定鞭金藻）则没有固氮的能力，此二者结合在一起，能互相交换碳和氮元素，实现互惠。
图33.利用同位素标记技术，得到了两种微小生物之间互相交换碳氮元素的证据，箭头所指的小细胞为具固氮功能的蓝藻，大细胞为能进行光合作用的定鞭金藻（Prymnesiophytes）。(by Rachel Foster, MPI)
3.3 海鞘——虫蓝藻
图34. 蓝莹莹绿莹莹的海鞘（图片来自网络）
海鞘属于脊索动物门海鞘纲，已知的海鞘种类有三千多种，其强大的化学防御机制，是其能够生存壮大的基础之一。海鞘能够大量的产生结构新颖的天然产物（已经分离到1000多种），可作为药物先导化合物，具备抗癌、抗病毒等作用。研究证明，海鞘合成这些物质与其共生的微生物关系密切，其中也包括了共生蓝藻，常见的蓝藻种类包括了原绿球藻（或称原绿藻，Prochloron）和聚球藻（Synechocystis）。共生蓝藻存在于海鞘的表面、泄殖腔和被膜中，形成一层易于识别的生物膜。
图35.原绿球藻在海鞘体内形成的生物膜。（by Kuhl, et al.）
最具代表性的海鞘共生蓝藻原绿球藻P. didemni（该属仅此一个种） ,该藻与海鞘Didemnid的共生，研究最为广泛。海鞘Didemnid是珊瑚系统的主要组成部分，对珊瑚礁的影响较大。同时目前未发现自由生活的原绿球藻P. didemni，必须依赖海鞘才能生存，该藻在碳固定、氮循环和代谢产物生成等方面对海鞘宿主有一定影响。研究发现，原绿球藻可为海鞘宿主提供大部分甚至全部种类的碳物质（如脂类物质、甾醇、蜡和烃等）。
图36. A.中间是海鞘（Lissaclinum patella），两边是另外两种与原绿球藻共生的海鞘种类；B.海鞘（Didemnum molle）；C. 光镜下的原绿球藻P. didemni 。 (by Donia et al.)
在海鞘生存的区域，海水清澈，氮元素含量低，不能满足原绿球藻和海鞘对该元素的需求。原绿球藻中缺乏固氮必须的基因，不能直接固定和利用大气中的氮气，而海鞘及其它微生物中也缺乏固氮基因。在此体系中，原绿球藻利用海鞘摄食有机物排泄出的氨等含氮物质，转化为海鞘可利用的谷氨酰胺等物质，就显得尤为重要，使氮元素可以循环利用，加强了氮元素的利用效率，是海鞘与原绿球藻共生体系中最为重要的氮元素来源。
海鞘代谢产生的一些化学物质，是海鞘赖以生存的化学防御机制的最主要部分。研究发现，原绿球藻的某些基因使原绿球藻能够产生一些刺激代谢产物，可以积累在细胞内，也可以排放到外环境中，这些物质多数具有生物活性，在原绿球藻与海鞘的共生体系中，有些代谢物质可以帮助海鞘生存。如Didemnid海鞘中含有的Patellamide类环肽，是由共生的原绿球藻贡献，这种环肽可以螯合重金属，对海鞘有解毒作用。而且海鞘中的共生蓝藻在拥有相同初级代谢产物功能基因的情况下，在不同地域环境中（同一种海鞘不同地理分布）具有产生不同次生代谢物的功能，合成途径各不相同，帮助海鞘宿主应付多种不良外界环境。
图37. A.海鞘（D. molle）；B.海鞘（L. patella）；C.原绿球藻中含有的合成patellamide环肽的基因及patellamide环肽的化学结构（by Ireland）
海鞘对共生蓝藻的作用同样巨大。第一个重要作用是：海鞘帮助共生蓝藻防御紫外辐射，一是起主要作用的物理防御，即可以依赖其身体进行光线遮挡，二则为化学防御，海鞘能够合成几种紫外吸收的化合物——类菌孢素氨基酸；第二个重要作用是：为共生蓝藻的氮循环利用提供保障，海鞘可以通过摄食获取环境中的有机氮，经过体内代谢后将产生的含氮代谢废物提供给共生原绿球藻，通过原绿球藻的转化作用使得氮元素在共生系统中有效的循环使用，供给自身的同时也满足原绿球藻所需。
