夜光藻(Noctiluca scintillans (Macartney) Kofoid and Swezy = Noctiluca milaris Surirayex Lamarck)隶属于甲藻门(Dinophyta)、甲藻亚门(Dinophycidae)、甲藻纲(Dinophyceae)、裸甲藻亚纲(Gymnodiniphycidae)、夜光藻目(Noctilucales)、夜光藻科(Noctiluaceae)、夜光藻属(Noctiluca)^[1]，是全球最主要的赤潮生物之一，广泛分布于温带、亚热带和热带的近岸水域^{[2, 3]}，是我国近海常见的浮游甲藻^[4]。夜光藻通过营养细胞的二分裂进行无性繁殖，部分营养细胞转变为配子母细胞(gametogenic cell)产生大量配子(gamete)进行有性繁殖。目前对配子母细胞形成、配子融合和合子发育等有性繁殖过程的认识还存在分歧，有性繁殖在夜光藻种群增长中的作用尚不明确^{[2, 5, 6, 7, 8]}。研究夜光藻的有性繁殖过程，有助于完善对其生活史的认识，明确其种群增长模式和深入理解其赤潮形成机制，还可以为甲藻的分类和进化研究提供线索。为此，本文综述了夜光藻有性繁殖方面的研究成果与进展，以期为国内相关研究工作的开展提供参考。

夜光藻具有异养和混合营养两种营养类型，通常根据其赤潮呈现的颜色，将前者称为红色夜光藻(red Noctiluca)，后者称为绿色夜光藻(green Noctiluca)。红色夜光藻没有色素体，是典型的吞噬营养型甲藻^[9]，能够摄食细菌、浮游植物、小型浮游动物(microzooplankton)、中型浮游动物(mesozooplankton)的卵和粪便、鱼卵等^{[10, 11, 12, 13, 14]}。绿色夜光藻细胞内共生一种绿藻门(Chlorophyta)柄藻纲(Pedinophyceae)的自养鞭毛藻——夜光柄胞藻(Pedinomonas noctilucae Sweeney)^[15]，在食物缺乏的环境中，可以利用内共生藻的光合作用产物存活^[16]，但吞噬营养对其也很重要^{[17, 18]}。

因为对温度的适应范围不同，两种夜光藻呈现不同的地理分布特征。红色夜光藻适温范围为10—25 °C，广泛分布于温带和亚热带近岸水域，在上升流、富营养化等高生产力水域丰度较高。而绿色夜光藻适温范围为25—30 °C，最早发现于热带西太平洋，1980年代以来分布范围逐步扩展到印度洋，其在东南亚水域周期性爆发赤潮，在阿拉伯海(Arabian Sea)西北部和阿曼湾(Gulf of Oman)也有大规模赤潮爆发的记录^[3]。

夜光藻种群数量的季节变化也呈现不同的模式。红色夜光藻在欧洲北海(North Sea)^{[6, 19]}、西班牙近海^[20]、日本的相模湾(Sagami Bay)^[21]、中国的大鹏湾^[22]和长江口^[23]等水域，种群数量均在春季出现峰值，夏季到冬季较低；在澳大利亚东南近岸水域春、夏季的种群数量均较高，秋、冬季降至1个/L以下^[24]；而在里雅斯特湾(Gulf of Trieste)和马尔马拉海(Marmara Sea)种群数量分别在冬季和秋季形成高值^{[25, 26]}。绿色夜光藻在马尼拉湾(Manila Bay)和越南近岸水域，春季种群数量最高，常爆发大规模赤潮^[27]；在泰国湾(Gulf of Thailand)种群数量从5月到9月都处于较高水平，11月到次年2月较低^[28]；在阿曼湾赤潮多发生在8、9月份^[3]；而在孟加拉湾(Bay of Bengal)和阿拉伯海，种群数量高值出现在冬季^[3]。

夜光藻种群动态受到水文要素(温度、盐度等)^{[29, 30]}、生物要素(叶绿素a、中型浮游动物等)^{[24, 31, 32]}和气象要素(风速、风向等)^{[28, 33]}的影响。因为其完全的异养生活习性，食物对红色夜光藻的生长尤为重要^[34]，但在不同水域其影响有较大的差异^[3]；绿色夜光藻的种群动态与季风密切相关^[28]。

对夜光藻有性繁殖过程的研究始于1899年，Calkins最早报道了夜光藻种群中偶尔出现的配子母细胞^[35]。1970年Zingmark描述了夜光藻配子的形成和融合过程，虽然没有观察到合子发育成营养细胞，但他相信配子经过融合最终能够产生新的营养细胞^[5]。这一观点受到了Elbrächter和Qi的质疑，他们认为自然种群中未发现夜光藻配子融合后形成营养细胞的证据，因此配子的命运依然未知^[2]。直到2006年，Fukuda和Endoh报道了夜光藻合子的发育，描述了夜光藻的有性繁殖过程，完善了其生活史(图 1)^[7]。

图 1 夜光藻的生活史[7] Fig.1 The complete life cycle of Noctiluca scintillans[7] 1. 开始形成配子母细胞; 2. 发生2次核分裂; 3. 原配子在细胞表面分裂; 4. 原配子转变成配子; 5. 配子释放后母细胞死亡; 6. 具有2根鞭毛的同形配子; 7. 具有4根鞭毛的合子; 8. 合子开始发育,鞭毛减少; 9. 合子发育过程,外鞘、触手开始形成; 10. 触手形成,具有摄食能力; 11. 合子发育成小型营养细胞; 12. 继续发育为成熟营养细胞

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根据Fukuda和Endoh的观察，夜光藻的有性繁殖过程可分为如下阶段^[7]。部分营养细胞形态和结构发生一系列变化，细胞核靠近细胞表面。细胞核连续分裂2次，形成4个核子，核子携带部分细胞质在细胞表面形成原配子，这些突起最终将形成配子。核子继续分裂6—8次后，可形成4簇共256—1024个原配子，它们随后集中到母细胞某一部分表面，形状变为半纺锤形。配子在原配子内成熟后释放到水体中，具有鞭毛，因此也称为游动孢子。配子发生两两融合，形成合子。合子失去鞭毛，长出触手，发生一系列变化后形成新的营养细胞，体积较成熟营养细胞小。其中，夜光藻配子母细胞的形成机制、配子融合和合子发育(从合子到营养细胞)过程存在一些争论，还需要进一步研究。

夜光藻一小部分营养细胞停止摄食，失去触手、胞口和食物泡等细胞器，由茄形变为圆球形后转变为配子母细胞(图 2A、B)，启动了夜光藻的有性繁殖^[7]。配子母细胞在红色夜光藻自然种群中所占比例较小^{[5, 36]}，多在种群增长期或者种群数量高时呈现峰值，能达到5%左右^{[6, 37]}。配子母细胞在绿色夜光藻自然种群中出现频率较高，泰国湾西南季风期间最大值超过30%；在室内培养绿色夜光藻的指数增长期也较常出现^[28]。

图 2 夜光藻的不同生活史阶段[7] Fig.2 Different stages of life cycle of Noctiluca scintillans[7] A:营养细胞; B: 配子母细胞; C: 配子具有横沟,纵沟和2根鞭毛; D: 新形成的合子具有4根鞭毛; E: 新形成的营养细胞个体较小,触手相对较长; A,B和E标尺为100 μm; C和D标尺为10 μm

图选项

Sato等发现夜光藻配子母细胞的形成受到严格的程序控制，保持单细胞培养的夜光藻营养细胞经过22—24次的二分裂后，所有子细胞都会转变成配子母细胞，而且这一过程不会因为培养条件(温度、盐度、光照、食物状况和pH值)的改变而中止^[8]。但Fukuda和Endoh的实验不支持此观点，他们发现配子母细胞的形成存在一定周期性，并不会一直发生，季节性因素可能触发配子母细胞的形成^[7]。绿色夜光藻的有性繁殖需要吞噬营养的支持，泰国湾的绿色夜光藻在西南季风期间细胞大多具有食物泡，有性繁殖旺盛，而在东北季风期间细胞内食物泡极少，配子母细胞较少出现^[28]。室内培养的纯自养绿色夜光藻在不投喂食物的情况下，能进行正常的二分裂，并长期存活，但不能形成配子母细胞^[28]。

每个夜光藻配子母细胞在24h内经过8—10次核分裂，最终形成256—1024个配子^{[2, 5]}，呈半纺锤形，其形态结构不同于营养细胞，与裸甲藻较为接近(图 2C)^[7]。配子没有甲板，具有典型的横沟和纵沟。横沟较靠近配子顶部，位于细胞3/4处，纵沟在腹面与横沟相交，略倾斜，长度约占细胞的4/5。纵沟与横沟交汇处着生2根不同长度的鞭毛，依靠他们夜光藻配子可以像大部分甲藻一样螺旋游动，也可以腹部紧贴营养细胞或培养皿爬行，游动时较长的鞭毛控制方向，较短的鞭毛产生推力。细胞核呈半球形，位于细胞底部，可被醋酸地衣红染色。配子顶部可观察到多个颗粒，与营养细胞摄食绿藻后形成的油滴类似，可能来自配子母细胞的细胞质，可为不能进行胞吞的配子提供营养^[7]。

对配子形态结构的描述曾存在分歧，主要在于鞭毛的数量。早期的研究多认为夜光藻配子具有1根鞭毛，属于纵向鞭毛^[38]。周成旭和吴玉霖首次报道了具有2根鞭毛的配子^[37]。此外，还有3根鞭毛和4根鞭毛的报道，Kofoid和Swezy甚至描述了夜光藻配子的触手^[39]。Elbrchter和Qi认为成熟的夜光藻配子只有1根长鞭毛，具有多鞭毛的配子是细胞分裂不完全的结果^[2]；而Fukuda和Endoh认为成熟的夜光藻配子都具有2根鞭毛，单鞭毛配子是观察过程中鞭毛断裂或较短鞭毛蜷缩在横沟内造成的，此前报道的“触手”可能是2根鞭毛并排制造的假象^[7]。

夜光藻配子能够发生两两融合，两个配子接触后以腹面相接，融合后细胞体积增大，形成具有2个核的合子(图 2D)，随后细胞核融合。合子呈纺锤形，较深的纵沟从细胞中部延伸到底部，具有4根鞭毛，可能被误认为是四鞭毛配子^{[5, 7, 37]}。夜光藻配子发生融合的比例较低，采自青岛湾的夜光藻在室内培养条件下，有性繁殖过程发生融合的配子占所有配子的比例仅为1‰—2‰^[37]。

Zingmark认为夜光藻产生同形配子，同一配子母细胞产生的配子可以两两融合，表明配子可能具有不同的交配型，因而夜光藻能够进行同宗生殖^[5]。而Schnepf和Drebes认为夜光藻产生异形配子，包括配子母细胞释放的小配子和与营养细胞类似的大配子^[40]，不过Fukuda和Endoh指出表面贴附有配子的营养细胞可能被误认为大配子^[7]。

夜光藻不同于其他甲藻，有性繁殖不产生休眠孢囊，合子经过一系列形态和结构的变化直接发育成新的营养细胞^{[7, 41]}。首先，鞭毛数量减少，横沟、纵沟消失，细胞变为纺锤形；然后，细胞核和细胞质接近细胞中心，与营养细胞类似；生成2根鞭毛，细胞开始变为球形；失去1根鞭毛，剩下的鞭毛略有增粗，细胞变得更圆，此时细胞具有微弱的运动能力，但没有摄食能力；细胞边缘变厚，形成外鞘；最后，长出触手，其末端可以分泌粘液帮助捕获食物。新形成的营养细胞较小，继续生长为成熟营养细胞，但触手的长度不发生变化(图 2E)。

甲藻休眠孢囊的萌发多伴随一次减数分裂，而夜光藻合子的发育过程中未发现细胞核的分裂，所以其营养细胞应为二倍体^{[5, 7]}，与大多数甲藻的单倍体营养细胞不同^[42]。虽然有相当数量的配子能够两两融合，但合子发育形成的新营养细胞却非常少，Anderson把合子的不完全发育归因于夜光藻未形成完全的两性分化^[43]，而Fukuda和Endoh认为融合的配子来自同一个母细胞，近亲繁殖可能导致合子发育失败^[7]，但这些观点都需要后续工作进行验证。

红色夜光藻自然种群中有性繁殖发生的几率较低^{[5, 36]}，配子母细胞在种群衰退期很少出现，但在种群增长期所占比例较高，水体中很高的配子丰度表明有性繁殖较为活跃^{[6, 37, 44]}。由于至今未在自然环境中发现夜光藻配子融合后发育成新一代个体的证据，有性繁殖对种群增长的直接贡献尚不明确。周成旭和吴玉霖发现青岛湾夜光藻的二分裂个体和核分裂个体(配子母细胞)均在3—5月种群数量较高时呈现峰值，但二分裂与夜光藻种群数量年际变动之间的关系更为密切，他们据此认为二分裂是夜光藻种群增长的主要方式^[37]；Uhlig和Sahling在北海的研究也得到了相同的结论^[6]。

绿色夜光藻的有性繁殖与种群增长密切相关，在自然种群的快速增长期和室内培养的指数生长期配子母细胞频繁出现，Sriwoon等认为这是绿色夜光藻旺盛生长的表现。他们基于实验室观察估算，如果每个配子母细胞产生512个配子，其中10%两两融合后发育成营养细胞，2002年9月在泰国湾某站位有性繁殖贡献的种群生长率达到0.54 d^-1，远远高于二分裂贡献的种群生长率0.16 d^-1。虽然10%的有性繁殖成功率仅是实验室观察的特例，据此做出的估计可能不够准确，但仍体现出有性繁殖在绿色夜光藻种群增长中的重要作用^[28]。

除了直接产生新个体，有性繁殖还能通过促进无性繁殖对种群增长做出贡献。Sato等发现配子与营养细胞接触后，能够重启营养细胞经过一定次数二分裂全部转变为配子母细胞的程序，维持其有性繁殖，不过重启此程序的机制尚不清楚^[8]。Miyaguchi等将夜光藻赤潮形成过程分为3个阶段：1)适宜的水文和生物条件促进细胞丰度增加；2)降雨和风引起的表层海水辐聚导致细胞聚积；3)大量配子维持营养细胞的二分裂，促进赤潮形成^[21]。可见，有性繁殖在夜光藻赤潮的形成中发挥重要作用。对相模湾夜光藻配子的定量研究发现，水体中全年(即使是未发现营养细胞的月份)都有分布，其丰度峰值较营养细胞丰度峰值提前或同步出现，2005年4月达到4.3×10⁴ 个/L的最大值，配子的大量出现可能是赤潮形成的必要条件^[44]。

夜光藻有性繁殖的研究多以实验室培养株系为研究对象，现已实现夜光藻的室内长期培养。使用浮游生物网从自然水体中采集夜光藻，分离后用灭菌海水清洗除去周围杂质，置于培养基内培养。红色夜光藻的培养基可以使用灭菌海水，培养温度20 °C，光源使用日光灯，光暗比12 h∶12 h，投喂绿藻(如扁藻Platymonas和杜氏藻Dunaliella tertiolecta)或硅藻作为饵料^{[2, 7, 45]}。绿色夜光藻的培养基为Daigo IMK培养基，培养温度28 °C，光源使用日光灯，光暗比14 h∶10 h，纯自养株系不需投喂饵料，摄食株系可投喂杜氏藻^{[7, 18]}。

显微镜观察是研究夜光藻有性繁殖的主要方法。周成旭和吴玉霖将分离纯化的配子母细胞做成单个体悬滴片，直接进行显微镜观察和摄影^[37]。用DAPI染色后可以更好的观察配子母细胞核的变化，Fukuda和Endoh认为活体细胞通透性差导致DAPI染色效果不理想，可以先用卡诺氏液(酒精∶氯仿∶醋酸=6∶3∶1)固定，再用苔红素进行染色^[7]。

此外，还可以通过分别计数自然种群中营养细胞、二分裂个体和配子母细胞，来研究夜光藻的有性繁殖及其与种群增长的关系^{[28, 37]}。不过，夜光藻配子的直径仅有10—15 μm，很难从形态上与其他藻类区分^[2]，使用光学显微镜对其进行鉴定和计数存在一定困难。分子生物学技术的应用为定量研究夜光藻配子提供了可能，Miyaguchi等选用夜光藻18S rDNA特异性片段作为模板，采用荧光定量PCR方法实现了对相模湾夜光藻配子的定量检测^[44]。

与其他甲藻相比，夜光藻具有如下特征：1)个体大，营养细胞直径200—2000 μm；2)吞噬营养无食物选择性；3)捕食或分泌粘液滤食；4)密度小，可被动上浮；5)营养细胞为二倍体；6)有性繁殖产生大量配子^[3]。由于营养细胞不具有典型甲藻的普遍特征，夜光藻曾被归为水母类。1873年Haeckel提出应将夜光藻划为甲藻^[46]，此后Kofoid经过详细观察营养细胞，将夜光藻划入新设立的夜光藻目^[47]，亲缘关系与裸甲藻目接近，这一划分得到广泛接受。

20世纪90年代以来，分子生物学技术被用于研究夜光藻的系统进化地位。基于LSU rDNA和SSU rDNA的进化分析均发现夜光藻属于较为古老的甲藻物种^{[48, 49]}。当选取更多物种分析夜光藻与甲藻的系统进化关系时，得到的结果受所选序列的影响完全相反，夜光藻可能较为古老，也可能是裸甲藻目中较新的一个分支^[50]。Fukuda和Endoh认为配子反映了夜光藻一些较为原始或者古老的特征，夜光藻分化程度不高的2根鞭毛要比大部分甲藻分化明显的尾鞭型纵鞭和环绕于横沟内的扁平带状横鞭原始，因而夜光藻更为古老，它可能与大部分甲藻具有形态与其配子类似、共同的单倍体祖先^{[1, 7]}。基于LCF基因和Hsp90基因的系统进化分析也得到了相同的结果^{[51, 52]}。

我国夜光藻的研究起步较早，1933年费鸿年报道了浙江近海的一次夜光藻赤潮，是我国赤潮的首次记录^[53]。作为1970—1990年代我国主要的赤潮生物，夜光藻相关研究得到广泛开展，并取得了丰硕成果。研究内容包括生态分布、生理生态学、种群动力学、赤潮形成机制等；研究区域北起辽东湾、南至海南岛，几乎覆盖了中国近海所有水域，其中南海大鹏湾、长江口、浙江近海和胶州湾的研究较多^{[22, 37, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60]}。然而，有关夜光藻繁殖的研究相对较少，陈汉辉和杞桑^[36]、杞桑和李大勇^[61]研究了夜光藻的无性繁殖，周成旭和吴玉霖研究了夜光藻配子形成、配子融合和合子发育等有性繁殖过程，并探讨了青岛湾夜光藻二分裂个体、核分裂个体与种群动态的关系^[37]。目前，国内对夜光藻种群动态的研究较少关注其种群结构，很少区分营养细胞、二分裂个体和配子母细胞，对配子的定量研究尚未见报道，因而对有性繁殖在种群增长中的作用了解较少。

近年来，水体富营养化日趋严重^[62]，近海生态系统面临多重环境压力，夜光藻赤潮仍呈旺发态势。夜光藻赤潮导致鱼类因窒息而大量死亡，其消亡过程大量消耗溶解氧、并释放硫化氢等有毒物质，对水体环境造成破坏^[63]。此外，夜光藻大量繁殖能够强化食物网底层的营养循环，降低营养效率，间接影响渔业资源^[64]；对硅藻和桡足类粪便的摄食、分解，不利于颗粒有机碳向底层输送，在一定程度上减弱了生物泵对CO₂的封存^[65]。因此，夜光藻的相关研究，特别是种群动力学方面的研究，重新受到国内研究者的关注^{[23, 30, 66, 67, 68]}。

为更好的理解夜光藻的种群增长模式，亟需进一步开展夜光藻有性繁殖相关研究。分离纯化不同地理群体的营养细胞，研究其有性繁殖过程，探究配子母细胞的形成机制，比较异宗/同宗配子融合及合子发育的差异；关注夜光藻的种群结构，研究夜光藻营养细胞、二分裂个体、核分裂个体和配子的比例及数量变化，以评估有性繁殖在种群增长中的作用。这些研究工作的开展将有助于完善对夜光藻生活史的认识，明确夜光藻赤潮的形成机制，为研究多重环境压力下近海生态系统的演变提供参考。