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光照、温度和pH对雨生红球藻光合特性的影响

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光照、温度和pH对雨生红球藻光合特性的影响 第33卷第3期 2009年5月 水生生物学报 ACTAHYDROBIOLOGICASINICA V01.33,No.3 May,2009 DOI号:10.3724/SP.J.0000.2009.30400 光照、温度和pH对雨生红球藻光合特性的影响 王 铭 李 涛 李爱芬 徐 宁 张成武 (暨南大学水生生物研究中心,广州510632) 摘要:采用测定光合放氧速率和荧光动力学的方法,研究分析了光照强度、温度和pH对雨生红球藻Haematococcus pluvialisCG一1l绿色游动细胞阶段光合作用特性的...
光照、温度和pH对雨生红球藻光合特性的影响
第33卷第3期 2009年5月 水生生物学报 ACTAHYDROBIOLOGICASINICA V01.33,No.3 May,2009 DOI号:10.3724/SP.J.0000.2009.30400 光照、温度和pH对雨生红球藻光合特性的影响 王 铭 李 涛 李爱芬 徐 宁 张成武 (暨南大学水生生物研究中心,广州510632) 摘要:采用测定光合放氧速率和荧光动力学的方法,研究分析了光照强度、温度和pH对雨生红球藻Haematococcus pluvialisCG一1l绿色游动细胞阶段光合作用特性的影响。结果明,且pluvialisCG-ll光合作用的饱和光强为 109.1斗moL/m2·s,最大光合放氧速率为75.9}^mol02/mgChla·h;适宜的生长温度范围在25—30℃之间,温度在 25。C时光合速率最大;pH在7.5_s.0范围内,光合效率较高,在pH为7.5时放氧速率最大,为75.5ttmolO:/mg Chla·h。在实验pH条件下,鼠pluvialisCG-ll叶绿素荧光动力学参数呈现出相似的趋势,在6.O一7.5范围内, F/,。、F/Fo、dpPSll和ETR值随pH升高而增大,pH为7.5时达到最大值,pH超过7.5时,F。/F。和F/凡值明 显下降,而中PsⅡ和ETR的下降趋势不明显。 关键词:雨生红球藻;光照强度;温度;pH;叶绿素荧光;光合放氧速率 中图分类号:Q945 文献标识码:A 文章编号:1000-3207(2009)03—0400—06 雨生红球藻(Haematococcuspluvialis)是一种淡 水单细胞绿藻,隶属绿藻门、团藻目、红球藻科、红球 藻属。该藻的生长分为明显的绿色游动细胞和红色 不动孢子两个阶段,当遇到环境条件胁迫时,红色孢 子内大量积累虾青素,含量可高达细胞干重的 6.0%以上⋯。是生产天然虾青素的理想。 光照、温度和pH是影响藻类生长繁殖和积累 次生代谢物质的重要环境因子。研究表明,不同品 系Hpluviali适宜生长的光照、温度和pH不尽相 同。You,eta1.报道适合日.pluviali生长的光照范 围为80一120p,mol/m2·s,170I山mol/m2·s的光强 则有利于虾青素的积累口J,Christoph,eta1.的研究 表明光照强度低于30¨mol/m2·s时有利于 H.pluviali的生长一1,而Lu,eta1.的研究结果是 凰pluviali的饱和光强为90I山moL/m2·sH1,与 Boussiba,eta1.报道的100i山mol/m2·8光强接 近”1。刘建国等对三株肌pluviali的光合和呼吸速 率进行了比较研究,结果表明其饱和光强均超过 260I山mol/m2·s,其中饱和光强最高达到了360 p。mol/m2·s旧1。研究报道,Hpluviali的适宜生长 温度为25—30℃【4扣“1。有关Hpluviali最适pH 的研究,张宝玉和R,Sarada,eta1.报道中性或偏 碱性的环境适合藻生长一'loJ。Hpluviali作为光合 自养生物,细胞的光合作用生理亦受到环境因子的 影响。目前,国内外对于凰pluviali的研究多集中 在环境条件对虾青素的诱导与积累’1卜”1方面,很少 涉及藻细胞内部光合作用机理研究。深入研究环境 因子对鼠pluviali光合速率和叶绿素荧光动力学等 的影响,对于了解其光合作用的内部机理和选育优 良藻株都具有实际意义¨4’”1。 本实验室前期对不同鼠pluviali藻株及其适宜 生长的培养基进行了筛选,结果表明,凰pluviali CG一11在BBM培养基中生长良好,细胞密度最 高¨虬川。本实验采用且pluvialisCG.11为材料,研 究不同光照、温度和pH条件对其绿色游动细胞阶 段光合速率和叶绿素荧光等的影响,探讨日.pluvia- 玩的光合生理特性,以求探索适宜的培养条件,获 得Hpluvialis的最大生物量,为生产实践提供理论 依据与参考。 1材料与方法 1.1试验藻种与培养基雨生红球藻由暨南大学 水生生物研究所藻种室提供。所有试验均使用 BBM培养基。 收稿日期:2008.06.16;修订日期:2009·01·16 基金项目:珠海市科技重大项目(PB20041018)资助 作者简介:王铭(1982~),男,汉族,山东潍坊人;硕士;主要从事微藻生物技术及生理生化方面的研究。E-mail:firefoxming@hotmail.com 通讯作者:李爱芬,E—mail:tiger@jnu.edu.cn 万方数据 3期 王铭等:光照、温度和pH对雨生红球藻光合特性的影响 401 1.2培养方法与试验设计以BBM培养基作为基 础培养基,于光照培养箱内培养。培养温度为 (24±0.5)℃,光照强度为90p.molphotons/m2·S, 光周期为12:12。培养至指数生长末期的且pluvia— lisCG一11绿色游动细胞,4000r/min离心3rain去上 清,收集藻泥。 1.2.1不同光照强度条件设置取对数生长期的 藻泥,用新鲜BBM培养基将其OD调为0.5左右。 使用NaOH和HCl将藻液的pH调为7.54-0.05。在 温度为25℃,分别测定光强为0、30、90、150、240、 320、450斗mol/m2·s的条件下光合放氧速率。重 复实验3次。 1.2.2不同温度条件设置所用藻泥及其处理同 1.2.1,使用NaOH和HCl将藻液的pH调为7.5± 0.05,在光强为150lJJmol/m2·s时,分别测定温度 为15、20、25、30、35。C的条件下光合放氧速率。重 复实验3次。 1.2.3不同pH条件设置所用藻泥及其处理同 1.2.1,取6只灭菌的100mL的三角瓶,将皿plu. vialisCG一11藻液分别倒入三角瓶中,每瓶加入80 mL的藻液,用NaOH和HCI将两组的pH调为6.0、 7.0、7.5、8.0、9.0、10.0,置于光照培养箱中24h。 放置的过程中,pH会有所变化,每隔6h用NaOH和 HCI溶液调节藻液的pH。在光强为150p。mol/m2· 8,温度为25℃条件时,分别测定各个pH梯度藻液 的光合放氧速率。重复实验3次。 取上述不同pH梯度培养的藻液分别测定荧光 动力学参数和77K低温荧光光谱。 1.3光合放氧速率的测定将1.2中各处理条件 下的藻液,以Clark型氧电极(HansatechOxygraph 液相氧电极,英国)测量藻的光合放氧速率,反应 体系温度由超级恒温水浴控制。根据Henley的方 法¨引以方程P=P。tanh(理∥P。)+R。对实验数据进 行非线性参数估计,并绘制P一,曲线。其中叶绿素口 的测定方法参见按Jeffrey的方法(90%的丙 酮)¨9。,公式为Chla=11.930D6“一1.930D“7。 1.4叶绿素荧光动力学参数的测定采用脉冲调 制荧光仪(PAM101,103)(WALz,Germany)迸 行叶绿素荧光各个参数的测定。测量前将微藻样品 暗适应10rain。叶绿素荧光参数(各参数定义参见 文献[14])FO、F。、q)PSⅡ和ETR可在荧光仅上直 接读出,F/F。、F/F。则分别由公式(F。一F。)/ F。、(F。一F。)/R计算出,其中加(基础荧光) 用弱测量光(1.0lLLmol/m2·s)测量可得,用饱和脉 冲(2000trmol/m2·s,持续时间为0.8s)激发可得 F。(最大荧光)。 1.5低温荧光光谱测定采用F-4500荧光分光光 度计,在液氮温度(77K)下,测定匣pluvialisCG—ll 在不同pH生长条件下的低温荧光光谱,狭缝宽度 2nm,扫描速度240nm/min,激发波长为436nm。 1.6数据处理与分析实验数据采用Origin7.5 软件进行光合方程拟合和参数估计。 2 结 果 2.1 光照强度对日.pluvialisCG-11光合放氧速率 的影响 且pluvialisCG—11的光合放氧速率随光照强度 的变化的P一,曲线(图1)。通过对光合曲线的拟合, 得出在光照强度为0—100pmol/m2·s范围内, HpluvialisCG一1l的光合放氧速率呈现出递增趋势, 通过参数计算可知,光照强度为109.1I山mo]/m2·s 时,皿pluvialisCG一11达到光照饱和强度,此后随着 光照强度的增加,光合放氧速率曾现出稳定态势;光 合放氧速率最大值为75.9trmol0,/ragChla·h。 O 100 200 300 400 500 PFD(pmol/m2·s1 图1 HpluvialisCG·11光合放氧速率随光照强度变化的P-,曲线 Fig.1PhotosynthesisrateofH.pluvialisCG-11 ofP-icurvesforthe photonfluxdensity(PFD) 2.2温度对日.pluvialisCG-11光合放氧速率的 影响 鼠pluvialisCG—l1的光合放氧速率随温度的变 化(图2)。随着温度的变化,在15—25℃范围内, 光合放氧速率迅速升高,当温度达到25"12时,光合 放氧速率出现最大值,为55.1p。mol0,/ragChla· h,在25^30℃范围内,光合放氧速率表现出一个稳 定值,随后出现下降趋势。 ∞ ∞ ∞ 加 O —LI.≈Iuu∞戛0一oI_口T1一。山 万方数据 402 水 生 生 物 学 报 33卷 60 55 50 45 40 35 30 25 20 25 30 35 Temperature(℃) 圈2 HpluviⅡlisCG一1I光合放氧速率随温度变化的曲线 Fig.2PhotosynthesisrateofH.pluvialisCG·11 ofcurve8forthe temperature 2.3 pH对日.pluvialisCG—II光合特性的影响 pH对光合放氧速率的影响Hpluvial蠡CG一 1l的光合放氧速率随pH的变化(图3)。在pH为 6.0—8.0范围内,光合放氧速率呈现快速增加的趋 势,当pH值在7.5时,光合放氧速率出现最大值, 0.790 0,785 .E0,780 孓, 也 0.775 0.770 O,765 O.72 =j 筮070 e 0.68 6 7 8 9 pH 6 7 8 9 pH 为75.5Ixmol02/ragChla·h,随着pH的继续增加, 光合放氧速率呈现快速递减趋势,在pH6.0时,光 合放氧速率数值最小,为46.6“mol0:/mgChla ·h。 2 ● 旦 f U ∞ 罢 F — o E 3 羞 75 70 65 60 55 50 45 6 7 8 9 pH 图3 鼠pluvialisCG·11光合放氧速率随pH变化的曲线 Fig.3PhotosynthesisrateofHpluvialisCG-11 ofcurvesforthepH pH对日.pluvialisCG-11叶绿素荧光动力学 参数的影响在不同pH条件下测得的叶绿素荧光 动力学参数(图4)。从图中可以看出,随着pH的 3 3 3 S, 3 3 pH 图4 pH对圩.pluvialisCG一11叶绿素荧光动力学参数的影响 Fig.4EffectsofpHOUtheChlorophyllfluorescenceparametersof且pluvialisCG·11 一二.≈一LIu鼬l_u,,o—01.cjv—Id 8 6 4 2 O 8 6 4 弧 如 如 如 如 捞 剪 劣 箕h吣 万方数据 3期 王铭等:光照、温度和pH对雨生红球藻光合特性的影响 403 升高,HpluvialisCG.11叶绿素荧光动力学参数F/ ,。、,/F。、中PSlI和ETR均呈现出相似的趋势,在 pH为6.0—7.5的区间内,叶绿素荧光动力学参数 数值都迅速升高,当pH为7.5时达到最大值,随着 pH的继续升高,各参数均呈现下降趋势。其中,/ F。、,/凡在pH继续升高时,一直表现为下降趋 势,而中PSII、ETR在pH达到8.0之后,下降趋势 不明显。 pH对日.pluvialisCG-1177K低温荧光光谱 的影响 用叶绿素。的436am作激发光,测得 日.pluvial括CG—l1的荧光发射光谱(图5)。从图中 可以看出,鼠pluvialisCG—11在不同pH条件下都有 三个明显的荧光发射峰,分别位于682am、693am 和7llam。其中pH为7.5的条件下,鼠pluvialu CG一1l的相对荧光值最高,在pH为6.0时的相对荧 光值最低。 凄 聪 簧 衩 爱 霉 1.10 1.05 660 680 700 720 740 波长Wavelength(am) 6.O 70 75 80 90 lO.O 图5 11.pluvialiscG-11在不同pH生长条件下荧光发射光谱(激 发波长436nm) Fig.5Fluorescenceemissionspectraof//.‘pluvialuCG-11 indiffer· entpH(excitationwavelength436nm) 3讨论 光合作用是绿色植物最基本的生理生态特征, 藻类作为低等植物,它的光合特性更加多样化。光 照强度、温度、pH是直接影响微藻生长的因子,研究 光照强度、温度、pH对Hpluvialis光合作用的影 响,对于了解厦pluvialis的光合特性,进而优化 Hpluvialis的培养条件,具有一定的指导价值一川。 Hpluvialis的生长与虾青素积累的最适光强不 同,其绿色细胞阶段的光合作用饱和光强较虾青素 积累的红细胞阶段低。本实验的结果表明,采用P., 曲线拟合得到的HpluvialisCG一11绿色细胞阶段的 饱和光强为109.1¨mol/m2·s,与Lu和Boussiba报 道的结果相近¨jJ,而与刘建国的研究结果存在较 大差异怕1。因为鼠pluvialis不同品系藻株之间存 在生理特异性,并且随着生长阶段的不同而表现出 对光需求的差异性,所以采用P一,曲线拟合得到的 结果更接近于其真实情况。且pluvialisCG—ll温度 实验研究结果显示,在25—30℃的区间,净光合速 率呈现出稳定值,反映了在此温度区间内,本株藻具 有良好的生长状态。此结果与刘建国、苗凤萍等的 研究结论相似¨川。 鼠pluvialis是一种淡水藻类,其对pH的缓冲 能力较弱。张宝玉等的研究结果表明,且pluvial括 的生长适合于中性或者偏碱性的环境¨1;SaradaR, eta1.研究表明,pH7.0—8.0之间时,Hpluvial括 的生物量、叶绿素及类胡萝卜素的含量均较高¨0。。 从本实验中得到的结果分析,在pH7.5—8.0的区 间,尼pluvialbCG.1l这株藻的光合作用表现强烈, 净光合速率达到最高值,此后随着pH的继续升高, 光合速率快速下降,这是由于光合作用对pH的变 化极为敏感,一但超过其适宜的pH范围,藻的光合 速率将大幅下降旧引。低温荧光光谱和叶绿素荧光 动力学参数的结果,均表现出与pH对于且pluvia. 风CG一11光合速率相类似的影响。叶绿素荧光动力 学参数能够反映植物光合生理的多种状态,其中 ,/Fm、F/民、垂PsⅡ和ETR参数主要表现了光合 系统Ⅱ(PSⅡ)的生理状态¨4’21。。在pH为6.0时 (图4),由于低pH环境对PSⅡ的生理状态的抑制 作用,表现为荧光动力学的各个参数相对值最低;当 pH值超过7.5后,,/,。,,/凡下降的趋势要比 中PsⅡ和ETR明显,表明较高pH条件下,对于PsⅡ 最大量子产量的影响要高于对PsⅡ光化学转化的 有效量子产量的影响。//.pluvial知CG一11的低温荧 光激发光谱(436am)特征峰出现于682am、693nm 和711am处旧⋯。在77K低温荧光光谱(图5)显 示的682am、693nm荧光峰,来源于凰pluvialis CG—llPsⅡ的内周天线,710nm附近的荧光峰,来自 PSI。随着pH的改变,对且pluvialuCG.11光系 统能量传递产生了影响,光谱中相对峰值的高低变 化,显示了能量传递的多寡,其中在pH6.0时,特征 峰峰值明显减弱,证明低pH对于鼠pluvial讧CG.1l 的PsⅡ、PSI影响显著,可能引起蛋白色素复合物 的降解。叶绿素荧光动力学参数与低温荧光光谱的 印巧∞耶∞弘如筋加” ‘_8一×一coIssI甚o ouco冀20:口Q^l苗百岳 万方数据 404 水 生 生 物 学 报 33卷 研究结果均表明,在pH为7.5时,H.pluvialisCG一 11的生理状态与光合作用表现为最佳。通过对上 述结果的分析显示,日.pluvialisCG.11所适宜的最 佳pH范围仅在7.0—8.0之间,对于环境pH的适 应能力并不强,这是因为除去环境pH本身对藻细 胞生长造成的影响之外,对于淡水藻类而言,环境 pH的变化对于其吸收利用无机碳的形式和方式具 有重要影响,而这些影响又直接体现在对Ⅳ.pluvia- 凰光合活性的改变上(相关pH与无机碳的利用实 验结果另文报道)。 上述结果表明,H.pluvialhCG.11的光饱和强 度为109.1i山mol/m2·s;光合作用适宜的温度范围 为25—30℃,生长适宜的pH范围为7.5—8.0。 参考文献: [1]BorowitzkaMA,HuismanJM,OsbornA.Cultureoftheastax· anthin-producinggreenalgaHaematococcuslacustris(I): effectsofnutrientsongrowthandcelltype[J].上Appl.P^y. c01.,1991,3:295—304 [2]YouCJ,ChulWC,YeoungSY.Combinedeffectsoflightin- tensityandacetateconcentrationonthegrowthofunicellularmi— croalgaHaematococcuspluvialh[J].EnzymeandMicrobialTech— nology.2006,39:490—495 [3]ChristophH,KayG,Marcox,eta1.Effectofcultivationpa· rametersongrowthandpigmentbiosynthesisinflagellatedceilsof Haematococcuspluvialis[J].上Appl.Phyc01.。2001,13:79— 87 [4]LuFan,VonshakA,BoussibaS.Effectoftemperatureandirra· dianeeongrowthofHaematococcuspluvialis(Chlorophyceae) 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werestudiedbymeasuringphotosynthetic02evolutionandfluorescencekinetics.Theresultsshowedthatthesaturation lightintensitywas109.1izmoL/mi·SofH.pluvialisCG-11.withthemaximumphotosyntheticoxygenevolutionrateof 75.9Izmol02/mgChla·h;therangeofsuitablegrowthtemperaturewasbetween25℃to30。C,themaximumphotosyn- theticratewasobtainedat25。C;thephotosyntheticefficiencykeptquitehighatthepHrangeof7.5—8.0,withthemaxi— mumphotosyntheticoxygenevolutionrateof75.5斗mol02/mgChla·hatpHvalueof7.5.Underexperimentalcondi— tionsofpH,asimilartendencymanifestedinthechlorophyllfluorescencekineticsparametersfor凰pluvialis,atthepH rangeof7.5—8.0,theF。/F。,F,/Fo,①PS1IandETRincreasedfollowingtherisingofpH,withtheirmaximumvalues atpH7.5,F,/F。andF。/F0decreasedsignificantlyoverpH7.5,whilethedecreasingtrenddidn’tchangeobviouslyin 中PSlIandETR. Keywords:Haematococcuspluvial诂;Lightingintensity;Temperature;pH;Chlorophyllfluorescence;photosyntheticoxy— genevolutionrate 万方数据
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