中国栅藻属植物的系统修订

王清华，吕晨，王捷，马佳文，刘国祥

（1.太原师范学院 生物系，山西 晋中 030619；2.中国科学院水生生物研究所 中国科学院藻类生物学重点实验室，湖北 武汉 430072）

0 引言

栅藻属（Scenedesmus）隶属于绿藻门（Chlorophyta）环藻目（Sphaeropleale），为该目栅藻科（Scenedesmaceae）的模式属，主要营淡水浮游生活。该属由 Meyen建于 1829年［1］，Carl在 1849年将钝形栅藻Scenedesmus obtusus定为该属的模式种［2］。栅藻属自建立之后有超过300个物种被记录，为了便于区分，不同分类学者都建立了不同的属下分类系统并进行描述。Komárek和Fott在《Chlorococcales》中将栅藻属分为栅藻亚属（Subg.Scenedesmus）和链带藻亚属（Subg.Desmodesmus），亚属之下又包含6个组，并认为只有100～ 150个种较为可靠［3］。

1999年，An等基于ITS序列研究了广义栅藻属，发现该属可明显分为两个不同的支系，于是将链带藻亚属（Subg.Desmodesmus）提升为属级分类单位［4］。之后又有多个属下分类单位或物种被提升至属级，如尖带藻属（Acutodesmus）、考 马 斯 藻 属（Comasiella）、扇 带 藻 属（Pectinodesmus）以及乔带藻属（Chodatodesmus）等［5-8］。如今的栅藻属几乎仅包含Komárek和Fott分类系统中的栅藻亚属（Subg.Scenedesmus）中的狭义栅藻组（Gruppe Scenedesmus sensu stricto）。其形态描述为群体多由2，4或8个细胞组成，外具胶被，群体平面平直或弯曲，细胞依其长轴线形或交错地排成1列或2列，细胞椭圆形、圆柱形或卵圆形，直或稍微弯曲，末端钝圆，细胞壁完全光滑，且有时稍有加厚。

我国记录的栅藻类植物种类丰富，诸多学者对该类群在我国的分布及多样性调查做出过重要贡献。1999年，谢树莲等系统整理了分布于我国的52种栅藻属植物，并依据数量分类将它们分为5个类群［9］。依据《中国淡水藻志》第十五卷，我国记录栅藻属植物共81种，但主要采用了Komárek和Fott的分类系统，而其中形态符合当前栅藻属定义的物种仅包含7种，2变种［10］。当前部分种已被转移至其他属或被证实为同种异名，如盘状栅藻（Scenedesmus disciformis）、卵形栅藻（Scenedesmus ovalternus）、钝形栅藻交错变种（Scenedesmus obtusus var.alternans）等［11］。因此，急需对我国现有的栅藻属进行重新修订。

本研究基于采自我国内蒙古自治区阿尔山国家森林公园的1株栅藻属植物，通过形态学与系统发育学研究相结合的手段，最终鉴定其为我国栅藻属新记录种，拟命名为亨氏栅藻（Scenedesmus hindakii Hegewald&Hanagata），并进一步对我国的栅藻属系统进行了探讨。

1 材料方法

1.1 标本采集与培养

藻株采自内蒙古自治区阿尔山国家森林公园（47°16′55″N，120°24′45″E）。使用浮游生物网（20 μm孔径）捞取水样，并置于采样瓶（60 mL）中带回实验室进行研究。藻株的分离纯化使用单细胞挑取法，即在倒置显微镜（Nikon SMZ800N）下用毛细管挑取得到单个群体，将其接入含有BBM液体培养基的96孔板中，经逐级扩大培养后得到单藻种，藻株编号为LXD60。分离得到的藻株培养于25℃恒温培养箱（博迅 BSG-400）中，光暗比为12∶12。

1.2 显微形态获取

藻体的形态描述和显微拍照使用显微镜奥林巴斯 BX53（Olympus Cop，日本），观察模式为微分干涉（Differentical interference contrast，DIC）。

1.3 分子标记获取

将适量藻液收集于2 mL冻存管中，利用MiniBeadBeater（Model607EUR，美国）震荡破碎细胞。基因组提取使用商品化试剂盒（Axy-Prep，苏州，中国）。选择18S、ITS和tufA三个分子标记进行PCR扩增。18S引物参考Medlin等［12］，ITS 引物参考 Bhattacharya等［13］，tufA 序列引物参考Famà等［14］。扩增产物经检测后送往擎科生物（武汉）进行测序。序列提交至GenBank数据库。

1.4 系统发育学分析

分别使用18S+ITS联合序列以及tufA基因序列进行系统发育分析，近缘序列参考Wang等研究结果［15］。序列比对、校正以及序列串联分别使用软件 Mafft7.0［16］、MEGA 6.0［17］和 SequenceMatrix［18］。数据集的碱基组成分析、碱基转换与颠换比分析分别使用MEGA 6.0和Bioedit 7.0［19］进行。系统发育分析最大似然法（ML）使用软件 IQ-TREE web server［20］，贝叶斯法（BI）利用软件 MrBayes 3.2.1［21］。

2 结果

2.1 形态观察

栅藻属Scenedesmus Meyen，1892。

模式种：钝形栅藻Scenedesmus obtusus Meyen 1892。

亨氏栅藻Scenedesmus hindakii Hegewald&Hanagata，2000：46，Fig.5。

群体多由4细胞组成，群体平面平直或弯曲（图1（a）—（b））。细胞交错排列成2行，相连细胞多以细胞侧壁1/2至1/4处（即亚顶端）相连，培养状态常解散成单细胞（图1（c））。细胞椭球形或长圆柱状，末端钝圆，细胞壁光滑，群体外具胶被。色素体周生片状或杯状，具一个明显的蛋白核，蛋白核外具淀粉鞘。通过似亲孢子进行无性繁殖（图1（d））。

图1 亨氏栅藻a—b：四细胞群体c：培养状态单细胞d：似亲孢子（标尺=10 μm）Fig.1 Scenedesmus hindakii.a—b.4 cell coenobia.c.Single cells in culture.d.autosporangia.（Scale bar=10 μm）

细胞大小：（8 μm ～ 11.5 μm）×（4 μm ～7.5 μm）；四细胞群体宽：18 μm ～ 22 μm。

生境：温带地区池塘等静水水体。

标本采集地：内蒙古自治区阿尔山国家森林公园。

2.2 系统发育学分析

图2显示基于18S联合ITS分子标记的系统发育树，数据集共有序列28条，矩阵经手动校正后长度为2 001 bp，包含217 bp简约信息位点（10.84%），263 bp可变位点（13.14%），以及1 738 bp的保守位点（86.86%）。外类群选用水网藻科藻株。

图2 栅藻科基于18S rDNA和ITS序列的系统树Fig.2 Phylogenetic analysis of Scenedesmaceae by 18S+ITS genes

图3显示基于tufA基因的栅藻科系统发育树，数据集共有序列27条，矩阵经手动校正后长度为736 bp，包含207 bp简约信息位点（28.12%），243 bp可变位点（33.02%）以及493 bp保守位点（66.98%）。外类群选用2株水网藻科藻株。

图3 栅藻科基于叶绿体tufA基因的系统树Fig.3 Phylogenetic analysis of Scenedesmaceae by tufA sequence

系统树中以“*”标示的类群，代表由原Komárek和Fott分类系统中栅藻属中独立出来的属。目前对于栅藻属的定义仅包含栅藻亚属（Subg.Scenedesmus）的 狭 义 栅 藻 组（Gruppe Scenedesmus sensu stricto），其主要形态描述为细胞椭圆形、圆柱形或卵圆形，直或稍微弯曲，末端钝圆，细胞壁完全光滑。该类群区别于部分细胞表面具棘刺、脊、齿状凸起（链带藻属Desmodesmus），细胞呈纺锤形（四链藻属Tetradesmus）或细胞呈狭纺锤形、表面具纵向肋纹（扇带藻属Pectinodesmus）的种。目前的栅藻属类群在系统树中以红色阴影部分表示。

基于18S+ITS序列以及tufA基因的系统发育分析结果均表明，目前的栅藻属在栅藻科中呈单系分支，且均获得较高的支持值（99/1、96/1），而本研究采自内蒙古阿尔山的藻株LXD60与保藏于德国藻类培养保藏中心（哥根廷）的藻株Scenedesmus hindakii SAG47.68具最近的亲缘关系，分子证据也证实藻株LXD60为Scenedesmus hindakii，拟命名为亨氏栅藻。

3 讨论

亨氏栅藻由Hegewald和Hanagata建于2000年，该种曾被错误的鉴定为Schroederiella apiculata。Hegewald和Hanagata认为亨氏栅藻虽然群体弯曲但并未连成环形，不符合Schroederiella属的形态描述，且其亲缘关系与Scenedesmus raciborskii、S.ovalternus和 S.obtusus相近，因此认为该种应属于栅藻属。本研究所采集藻株形态与Hegewald和Hanagata所描述一致，即群体多呈弯曲状但并未连接成环，两侧细胞连接于细胞同一侧亚顶端部位，使群体细胞呈交错排列。亨氏栅藻群体弯曲与S.arcuatus、S.raciborskii和S.curvatus类似，但是它们的细胞排列方式不同。就细胞排列方式而言，亨氏栅藻与钝形栅藻更为相似，但钝形栅藻群体呈平面状，且二者具有不同的系统发育学位置［5］。

依据《中国淡水藻志》第十五卷，其中形态符合当前栅藻属定义的物种仅包含7种，2变种［9］，分别为光滑栅藻（S.ecornis），盘状栅藻（S.disciformis），钝形栅藻（S.obtusus），卵形栅藻（S.ovalternus），凸顶栅藻（S.producto-capitatus），单列栅藻（S.linearis），阿库栅藻（S.acunae）以及钝形栅藻交错变种（S.obtusus var.alternans）和凸顶栅藻印度变种（S.productocapitatus var.indicus）。其中卵形栅藻和钝形栅藻交错变种已被视为钝形栅藻的同种异名［22］。单列栅藻被认为是椭形栅藻（新拟）（S.ellipticus）的异名［11］。另依据《中国淡水藻类：系统、分类及生态》及其他研究［23-28］记录的形态符合当前栅藻属定义的有扁盘栅藻（S.platydiscus）、弯曲栅藻（S.arcuatus）、双对栅藻（S.bijuga）、双对栅藻交错变种（S.bijugavar.alternans）、双对栅藻错乱变种（S.bijugusvar.irregularis）、双对栅藻极小变型（S.bijugatusf.tenuissimus）等。其中扁盘栅藻和弯曲栅藻认为是弯曲考马斯藻（Comasiella arcuata）的异名［7，11］，双对栅藻是斜生四链藻（Tetradesmusobliquus=Scenedesmus obliquus）的异名，双对栅藻交错变种被认为是卵形栅藻的异名，双对栅藻错乱变种是钝形栅藻的异名，双对栅藻极小变型认为是单列栅藻的异名［3，10］。朱雅茹和王全喜报道了采自长三角地区的栅藻属中国新纪录植物［29］，其中符合当前栅藻属形态的光滑栅藻盘状变种（S.ecornisvar.disciformis）被认为是钝形栅藻盘状变型（S.obtususf.disciformis）（=盘状栅藻S.disciformis）的异名［11］。因此，目前中国纪录的栅藻属植物共有6种，1变种，1变型（表1）。

表1 中国记录栅藻属植物Table 1 The record of genus Scenedesmus in China

国外基于分子标记对栅藻科的研究将部分类群逐步转移出广义栅藻属，独立成新属（如疣带藻属Verrucodesmus、乔带藻属、扇带藻属等），但广义栅藻属中仍有大量物种分类地位未经确认，新的栅藻属也尚未有系统综合性的研究。我国对于栅藻属的研究也仅停留于经典形态学分类阶段，缺少分子数据报道。栅藻属目前面临从形态分类向分子系统分类过渡，属内多数种类因缺少关键序列而无法最终确认其分类地位。今后的研究需要获得相关物种的有效序列信息，以从系统发育学的角度厘清其进化关系。