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...
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。
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(3):215—219[吴珊珊,徐宁。李爱芬。等.雨生红球藻
(Haematococcuspluvialis)的光谱特性研究.生态科学,2007。
拍(3):215—219]
EFFECToFLIGHTING.TEMPERATUREANDpHoNPHOToSYNTHETIC
CHARACTERSoF日AEIl:fArDCDCC£腰儿UmLJSCG.11
WANGMing,LITao,LIAi·Fen,XUNingandZHANGCheng—Wu
(InstituteofHydrobiology,JinanUniversity,Guangzhou510632)
Abstract:Theeffectsoflightintensity,temperatureandpHonphotosyntheticcharactersofHaematococcuspluvial厶CG-11
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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