阳光辐射变化对经济蓝藻螺旋藻形态、光合作用及生长的影响

论文摘要

螺旋藻,作为重要经济蓝藻,其形态特征及代谢机理与环境变化的关系一直是该藻研究的热点。螺旋藻的螺旋丝状结构,受环境因子变化的调控,但有关阳光辐射变化对其影响的机制尚不清楚;同时,阳光紫外辐射（UVR）如何影响其光合作用与生长的问题也有待于进一步探讨。为此,本文研究了可见光（PAR）和紫外辐射对螺旋藻形态、生长以及光合作用的影响,并探讨了其它关键环境因子（如温度、ROS、无机碳等）变化与阳光辐射变化的耦合效应。主要研究结果如下:螺旋藻的螺旋结构,受PAR和UVR的影响,而该影响又受温度变化的调控。在较低温度（20 oC以下）条件下,PAR和UVR耦合效应导致藻丝螺距明显变小（螺旋变紧）;而在适合其生长的温度范围（25-35 oC）内,仅仅PAR就能使得其螺旋变紧,UVR的存在虽然会加速藻丝螺旋变紧,但是在没有PAR存在的情况下UVR却不能引起藻丝螺旋结构的变化。通过对螺旋结构变化前后及不同辐射处理条件下的蛋白分析,发现分子量为52.0 kDa的胞膜蛋白与螺旋结构变化有关。对螺旋结构变化与生理过程关系的研究显示,螺旋结构变紧,细胞彼此遮挡程度增加,使得藻丝具有较高耐受强光（PAR和UVR）的能力,降低了PSII的损伤,也有效地阻止了藻丝的断裂,起到了明显的光保护作用。对可见光作用光谱的分析显示,可见光的任何波段均可以引起螺旋变紧,蓝光（波长400-500 nm）和红光（610-700 nm）对形态的诱导作用最强,而波长大于700 nm的红外光对藻丝形态没有任何影响。不同波段的可见光对细胞的生长和光合作用也产生了不同影响,也是蓝光和红色光对生长最有效。光照对藻丝形态的效应,可能与其驱动光合作用能力有关,引起与形态变紧相关的蛋白量增加,导致螺距变小。较高水平的PAR和UVR条件下,螺旋藻藻丝发生断裂,该断裂与细胞内活性氧自由基（ROS）的积累有关。高PAR和UVR处理,使得消除ROS的超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT）活性下降,导致细胞内ROS量升高,损伤叶绿素、藻胆体和PSII并降低了光合电子传递速率。ROS的积累加速了细胞质膜的氧化（生成氧化产物丙二醛,MDA）,同时引起了藻丝的断裂和解体。水体中,溶解无机碳（DIC）不足也会引起藻丝形态变化。将培养溶液的DIC浓度降低至0.34.0 mM范围内,培养螺旋藻时,其螺旋结构崩溃并出现变小的个体,藻蓝蛋白（PC）和别藻蓝蛋白（APC）的含量降低了,类胡萝卜素（Car）的含量却有所上升,最大光合作用速率下调了25%,其对无机碳的表观亲和力（K0.5DIC）增加了近14倍。另外,螺旋藻的浮性,受光合作用的调控,并非是逃避强光或获取营养的一种机制。藻丝的浮性,随着PAR的增强,与光合作用速率成负相关,光合作用速率越高,浮性越小。把强光下下沉的藻丝转到暗处或者低光下后,其浮性能够得到恢复。阳光UVR抑制藻丝的光合作用,增加其浮性,其作用与PAR相反。结果分析表明,螺旋藻没有主动逃避有害辐射的能力,其下沉与上浮受光合生产量的调控,在碳水化物累积较多时下沉,反之上浮;在自然界或养殖池中,早晨或傍晚阳光辐射光合生产量较低时上浮,而中午时下沉,被动性的逃避了有害UVR的影响。

论文目录

• 缩略词（Abbreviations）
• 摘要
• Abstract
• 第一章 研究进展综述
• 第一节 螺旋藻的生物学研究和产业化状况
• 1 发现、分类、生活史和细胞学特征
• 2 生理学研究
• 3 营养价值、产业化状况和工艺
• 第二节 关于环境因子对蓝藻光合生理影响的研究进展
• 1 蓝藻光合作用概况
• 2 主要环境因子对蓝藻光合作用的影响
• 3 蓝藻对环境变化的适应机制
• 第三节 本研究的目的和意义
• 第二章 可见光与紫外辐射对藻丝形态、光合作用及浮性的影响
• 第一节 温度、可见光与紫外辐射对藻丝形态和光合作用的影响
• 1 前言
• 2 材料和方法
• 2.1 实验材料
• 2.2 温度对形态变化的影响
• 2.3 紫外辐射处理及太阳辐射的测定
• 2.4 形态观察及指标测量
• 2.5 UVR和PAR及其组合对藻丝形态的影响
• 2.6 比较相同强度的UVR和PAR对藻丝形态变化的影响
• 2.7 光强梯度照射时间对藻丝形态的影响
• 2.8 形态可塑性实验
• 2.9 氯霉素处理
• 2.10 总可溶性蛋白和膜蛋白的提取
• 2.11 聚丙烯酰胺凝胶电泳（SDS-PAGE）
• 2.12 蛋白浓度的测定（考马斯亮蓝法）
• 2.13 不同形态藻丝的耐光性比较
• 3 结果
• 3.1 温度对藻丝形态的影响
• 3.2 UVR和PAR对藻丝形态的影响
• 3.3 PAR强度对藻丝形态的影响
• 3.4 形态变化的可逆性
• 3.5 PAR辐射剂量与藻丝螺距的关系
• 3.6 氯霉素对藻丝形态变化的影响
• 3.7 对形态变化起决定作用的蛋白
• 3.8 形态变化与膜蛋白的关系
• 3.9 形态变化（由松变紧）的光保护作用
• 4 讨论
• 第二节 不同波段可见光对藻丝形态和光合作用的影响
• 1 前言
• 2 材料和方法
• 2.1 实验材料
• 2.2 光强测定
• 2.3 光照处理
• 2.4 形态观察
• 2.5 干重的确定及比生长速率的计算
• 2.6 叶绿素荧光的测定
• 2.7 光化学效率及电子传递速率的测定
• 2.8 色素（紫外吸收物质）的测定
• 3 结果
• 3.1 实验期间的太阳辐射情况
• 3.2 不同辐射处理对藻丝形态的影响
• 3.3 不同光线处理对生长的影响
• 3.4 不同辐射处理对叶绿素荧光的影响
• 3.5 色素的变化
• 3.6 对PSII的影响
• 4 讨论
• 第三节 可见光及紫外辐射对藻丝浮性的影响
• 1 前言
• 2 材料与方法
• 2.1 实验材料
• 2.2 光照处理
• 2.3 温度控制
• 2.4 光合作用测定
• 2.5 碳水化合物含量的测定
• 2.6 细胞浮性的计算
• 2.7 数据分析
• 3 结果
• 4 讨论
• 第三章 活性氧自由基（ROS）对藻丝形态及光合作用的影响
• 1 前言
• 2 材料与方法
• 2.1 实验材料
• 2O₂）处理'>2.2 光照及过氧化氢（H₂O₂）处理
• 2.3 过氧化氢酶（CAT）活性的测定
• 2.4 超氧化物歧化酶（SOD）活性的测定
• 2O₂的含量表示）'>2.5 ROS含量的测定（以H₂O₂的含量表示）
• 2.6 叶绿素荧光的测定
• 2.7 光合色素含量的测定
• 2.8 生长的确定
• 2.9 光化学效率及电子传递速率（ETR）的变化
• 2.10 形态变化
• 2.11 质膜氧化产物—丙二醛（MDA）含量的测定
• 3 结果
• 3.1 强光照射对SOD及CAT活性的影响
• 3.2 ROS产量的日变化
• 2O₂）对光化学效率和电子传递速率的影响'>3.3 ROS（H₂O₂）对光化学效率和电子传递速率的影响
• 3.4 ROS对生长和色素的影响
• 3.5 叶绿素荧光的变化
• 3.6 对藻丝形态和质膜的影响
• 4 讨论
• 2浓缩机制（CCM）的影响'>第四章 无机碳供应对藻丝形态及CO₂浓缩机制（CCM）的影响
• 1 前言
• 2. 材料和方法
• 2.1 实验材料及无机碳处理
• 2.2 无碳Zarrouk培养基的配制
• 2.3 光合放氧的测定
• 2释放速率的计算'>2.4 培养液中最大CO₂释放速率的计算
• 2.5 pH漂移（pH drift）曲线的测定
• 2.6 形态观察
• 2.7 色素测定
• 2.8 DIC浓度对光抑制的影响
• 3 结果
• 3.1 生长及pH的变化
• 3.2 对形态的影响
• 3.3 对细胞色素及其比例的影响
• 3.4 无机碳利用及CCM诱导
• 3.5 无机碳供应PSII的影响
• 4 讨论
• 总结与展望
• 参考文献
• 在读期间论文完成情况
• 致谢