《Biological Reviews》：Fear of grazing rivals the toxin-inducing effects of nutrients in two marine harmful algae – a meta-analysis
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本综述通过一项荟萃分析，系统性评估了营养驱动与捕食驱动对海洋有害藻类毒素产生的相对重要性。研究聚焦两大代表性海洋有害藻华藻属——甲藻（Alexandrium）和硅藻（Pseudo-nitzschia），基于37篇文献的113个效应值对比发现，升高氮磷比（N:P）和暴露于浮游动物捕食者或其化学信息（如桡足类酰胺copepodamides）均能显著诱导藻毒素产量，其诱导效应在总体上可相匹敌。尤为重要的是，硅藻（Pseudo-nitzschia）的毒素产量对捕食风险（需求驱动）的响应比甲藻（Alexandrium）高出10倍，这表明捕食压力在藻毒素动态调控中可能扮演了不亚于乃至超越营养盐的关键角色。综述呼吁未来研究需整合营养供应（上行效应）与捕食选择压力（下行效应），以更全面地理解藻毒素的进化与可变生产力，从而改进有害藻华的预测、缓解与管理策略。
I. 引言
藻华是海洋初级生产力的关键特征，对生产量的爆发式增长有显著贡献。在已知的约5000种现存海洋浮游植物中，只有不到10%能形成导致海面显著变色的水华，其中约2-4%能够产生对人类有害的藻毒素。随着鉴定技术和全球监测工作的进步，被确认的海洋藻毒素生产者数量在近几十年有所增加。因此，大量研究致力于理解控制有害藻类丰度及其毒素产量高度可变性的因素。藻毒素包含丰富的化合物多样性，其产生的进化原理至今仍存争议。
富营养化，特别是氮的富集，被广泛认为是形成有害藻华的关键驱动因素。实验研究同样表明，如软骨藻酸和石房蛤毒素等生物碱的细胞比含量，在响应氮富集或磷限制时（两者均导致氮相对于磷的过剩）会可靠地增加。然而，越来越多的证据表明，产生生物碱的浮游植物也会通过增加毒素产量来响应浮游动物捕食者的存在。毒性更强的细胞随后受到保护而免于被捕食，这表明藻毒素可以作为对抗浮游动物捕食者的诱导性化学防御。
（1）植物次生代谢产物的存在理由
虽然历史上的生态学家曾对不被认为是“次级”代谢产物的化合物的防御功能持怀疑态度，但多种理论框架已被开发来解释和预测许多植物和其他光合真核生物为何产生并分配资源到次生代谢产物。这些可以分为资源驱动模型和需求驱动模型。其中，碳:养分平衡模型 指出，次生代谢产物的生产受碳和养分相对可用性的控制。当资源可用性超过初级代谢需求时，植物可以将过剩物质转移到次生防御代谢产物的生产中。最优防御模型 则侧重于防御表达本身的成本和收益，强调自然选择如何塑造对食草动物的适应性防御分配。其一个核心假设是，防御是昂贵的，并且以牺牲生长和繁殖为代价。该模型预测的关键策略是诱导性防御表达，即植物仅在响应放牧或可靠的捕食风险信号时才增加防御，从而在威胁不存在时节省资源。
除了上述模型，生长速率假说、植物显著度假说 和扩展的生长-分化平衡模型 也得到不同程度的实证支持，成为研究植物防御的宝贵框架。因此，植物防御领域在生态学中以其丰富的共存假设而突出。
（2）来自远洋系统的证据：有害藻华与浮游动物-浮游植物相互作用
关于远洋水生系统中有害藻类毒素的研究在许多方面与陆生植物平行，最初更多地关注基于资源的机制。这揭示了营养动态与藻毒素生产之间的一致关系。具体而言，氮和磷的相对可用性以一种可预测的方式影响着藻毒素的产量。较高的相对氮丰度（由氮富集或磷限制导致）通常会增加富含氮的藻毒素的形成。这与碳:养分平衡模型一致，显示了限制性养分如何有利于或抑制次生代谢产物的生产。
与此同时，越来越多的证据表明，藻毒素的产生也受到与放牧浮游动物的共同进化“化学军备竞赛”的强烈影响。近年来，关于浮游动物诱导的浮游植物防御特征的研究有所增加，并且主要根植于最优防御框架。桡足类 是海洋环境中最丰富的中型浮游动物捕食者，可以检测到它们的存在并通过表达多种生理、形态和行为防御来做出响应。桡足类诱导的藻毒素生产首先在共培养实验中得到证实，表明直接暴露于捕食者可以刺激有害甲藻（如Alexandrium属）产生麻痹性贝类毒素，以及硅藻（如Pseudo-nitzschia属）产生遗忘性贝类毒素。除了这些直接暴露的影响外，有害藻类对桡足类释放的化学信号也有类似的响应，特别是被称为桡足类酰胺 的一组牛磺酸共轭极性脂质。作为回应，桡足类可以识别防御力更强的细胞，这为根据捕食风险调整毒素产量的藻类提供了直接的适应性益处。这种选择性回避展示了诱导性防御的进化优势，因为增加的藻类毒性可靠地减少了桡足类的摄食。
（3）原理与目标
近期捕食者介导的藻毒素诱导研究已积累到临界数量，使得对相对氮富集这一已确立的诱导效应进行综合和直接定量比较成为可能。因此，本荟萃分析的目标是量化和比较相对氮富集和捕食风险对形成有害藻华的海洋藻类藻毒素生产的影响。研究针对两个藻属：甲藻Alexandrium和硅藻Pseudo-nitzschia。相对氮富集（资源）定义为相对于对照而言增加的氮磷比，捕食风险（需求）则广泛定义为直接或间接暴露于藻类捕食性浮游动物或其化学信号。
II. 材料与方法
（1）文献检索与筛选
通过Web of Science进行检索，使用两组搜索词，分别针对捕食风险（需求）和营养（资源）效应的研究。经过筛选、去除重复和全文评估，最终确定了37篇符合条件的论文用于分析。
（2）合格性标准
研究时长需≥48小时，评估浮游动物或其化学信号或不同养分负荷对Alexandrium或Pseudo-nitzschia毒素生产/含量的影响，并提供描述性统计数据和最小样本量。从符合条件的论文中提取了均值和标准差等数据，最终得到113个对照-处理对比效应值。
（3）数据提取与效应值计算
提取每个处理组和对照组的均值、标准差和样本量，计算了经过小样本偏倚校正的对数响应比作为效应大小，并计算了其抽样方差。
（4）荟萃分析与荟萃回归
使用多水平混合效应荟萃分析模型评估捕食风险和相对氮富集对Alexandrium和Pseudo-nitzschia藻毒素生产的影响。模型将研究内效应视为随机，而将不同驱动因素（需求和资源）之间的效应视为固定。通过I2统计量量化了异质性。
（5）敏感性分析
使用Geary检验的修改版本来识别可能因小样本量或均值接近零而产生偏倚的问题效应值。去除这些值后，总体结果未发生显著变化。
（6）发表偏倚
通过累积多水平荟萃分析评估时间滞后偏倚，并使用多水平荟萃回归同时检验发表偏倚和时间滞后偏倚。未发现显著的时间滞后偏倚或发表偏倚证据。
（7）软件与统计学
所有分析和数据可视化均使用R软件及其相关包（如metafor）完成。显著性水平设为P=0.05。
III. 结果
（1）概览
从37项符合条件的研究中提取的113个效应值显示，66%来自对Alexandrium的实验，34%来自Pseudo-nitzschia。资源效应占总效应值的42%，需求效应占58%。实验条件在光照、温度、盐度、实验时长等方面存在较大变异性。
（2）主效应
总体而言，相对氮富集和升高的捕食风险均能显著增加藻毒素含量，分别增加267%和388%。虽然捕食风险导致的藻毒素水平升高比相对氮富集高121个百分点，但两者之间并无显著差异。然而，当将浮游植物属作为调节变量纳入模型时，出现了交互效应。在响应捕食风险时，Pseudo-nitzschia的毒素增加量是Alexandrium的10倍，而两个属对相对氮富集的响应则相似。此外，Pseudo-nitzschia的需求效应是资源效应的4倍，但此差异边缘不显著。
（3）单变量调节因素分析
毒素诱导在不同藻种、藻株、所用培养基、浮游动物种类之间存在显著异质性。此外，效应大小随着光照强度和培养温度的升高而显著降低。
（4）驱动因素与其他调节因素之间的交互作用
除了浮游植物属与驱动因素之间的交互作用外，多个调节因素与驱动因素存在显著交互作用。然而，毒素诱导不受捕食者生物量、猎物与捕食者丰度比或猎物与捕食者生物量比的影响，并且在两个属之间没有差异。
（5）敏感性分析
移除12个可能具有偏倚的效应值后，总体效应大小略有下降，但结果并未发生显著变化。
（6）发表偏倚
累积分析显示，资源效应可能存在随时间推移的“衰退效应”，而需求驱动的藻毒素诱导则在十多年里保持约130%增长的稳定平均效应。然而，没有证据表明存在显著的时间滞后偏倚或发表偏倚。
IV. 讨论
（1）藻毒素生产与抗捕食者防御的生态学
研究发现，当跨属汇总时，相对氮富集和升高的捕食风险对增加藻毒素含量的效果相似。这些效应的稳健性和一致性值得注意，因为研究中使用的浮游植物种类、藻株、培养基和实验条件存在相当大的潜在异质性。对相对氮富集的响应与最近一项关于养分限制对藻毒素影响的荟萃分析结果一致，并为本综述提供了关于捕食者对有害藻华形成浮游植物毒素动态重要作用的新见解。
捕食及捕食风险是强大的选择压力，推动了多种形态、化学和行为防御特征的进化。在海洋生态系统中，桡足类是中型浮游动物中主要的微藻捕食者，已知可诱导其猎物产生多种防御特征。除了刺激多种浮游植物类群的毒素产生外，桡足类及其释放的化学信号还能诱导甲藻的生物发光，并抑制硅藻形成链状群体，从而降低被捕食风险。
尽管将资源可用性和捕食风险结合在完全因子设计中的研究很少，但这种方法对于剖析不同驱动因素的相对重要性及其交互作用尤为有效。此类研究一致表明，无论在何种养分负荷下，暴露于捕食者诱导毒素的效果都强于相对氮富集处理，或者捕食者暴露导致的毒素相对增加是恒定且显著更高的。
虽然Pseudo-nitzschia和Alexandrium对相对氮富集的响应幅度相似，但Pseudo-nitzschia的毒素对捕食风险的响应增加是Alexandrium的10倍。这种模式可能是由于指数生长期的Pseudo-nitzschia spp. 的组成型软骨藻酸含量较低。因此，即使绝对增加量不大，也会产生较大的相对效应大小。甲藻较高的组成型毒素生产率可能反映了与小型、非运动型的Pseudo-nitzschia相比，大型、运动的猎物面临更高的捕食风险。此外，硅藻通常比甲藻具有更高的生长速率，资源在生长和防御之间的最优分配可能更有利于在更显眼的甲藻中进行更多的组成型防御投资。
相对氮富集和升高的捕食风险在诱导藻毒素方面程度相似，这或许令人惊讶，因为已发表的研究重点存在巨大差异。关注养分的研究在该领域占主导地位，这反映了历史上对海洋富营养化作为有害藻华驱动因素的重视，并凸显了未来研究中需要更平衡的研究方法。
（2）迈向统一的理论框架
尽管陆生植物防御假说为理解次生代谢产物提供了稳健的框架，但这些框架在有害藻华研究中的应用有限。鉴于本综述的发现，作者提出，资源条件决定了毒素生产的生化边界，因为富含氮的藻毒素需要足够的氮供应才能合成，而捕食风险则在这些限制范围内调节毒素生产的程度和时机，以最小化被捕食风险。这类似于Koricheva等人提出的碳分配层次模型。此外，猎物的生活史和被捕食脆弱性可能影响其组成型防御和诱导型防御投资之间的平衡。体型较大、可运动或生长缓慢的物种，由于对捕食者更显著，可能投资于更高水平的组成型防御，并可能辅以诱导型防御。相比之下，较小或不显眼的物种可能主要依赖仅在捕食风险升高时才上调的诱导型防御。未来，有害藻华研究应纳入明确处理资源驱动和捕食者驱动响应的成本与收益的实验设计和解释框架。
（3）局限性
本分析方法的一个局限性在于，假设改变氮磷比的养分操作在功能上是可比的，无论实验应用的是氮富集还是磷限制。虽然两者都增加了氮磷比并持续诱导藻毒素生产，但其潜在的生理机制不同。另一个变异来源涉及捕食者实验中的养分释放。没有研究正式控制因粗放摄食、细胞裂解或捕食者排泄产生的有机渗出物，这些可能会改变养分可用性并可能混淆捕食者诱导的响应。此外，本分析仅限于两个海洋有害藻华形成属，这妨碍了直接推广到淡水系统或其他未被纳入的类群。同样，研究特别关注两类毒素，它们在化学结构、生物合成途径和生态功能上与许多其他藻毒素有很大不同。因此，在将这些发现推广到其他有害藻华类群或毒素类别时需要谨慎。最后，本分析没有将生长速率作为调节变量纳入，部分原因是原始研究中对此报告不足，尽管有确凿证据表明它在调节细胞比毒素含量方面具有重要意义。
