全 文 ：　 第 19卷　第 8期　2009年 8月
干出和紫外辐射对坛紫菜光合作用的影响＊
姜红霞1 　高坤山2＊＊
1.常熟理工学院生物与食品工程学院 , 常熟 215500;2.厦门大学近海海洋环境科学国家重点实验室 , 厦门 361005
　2009-01-09收稿 , 2009-02-27收修改稿
　 ＊国家自然科学基金重点资助项目(批准号:90411018)
　＊＊通信作者 , E-mail:k sgao@xm u.edu.cn
摘要　　以坛紫菜叶状体为材料 , 研究了干出和阳光紫外辐射(UVR)对其光合作用的影响.长时
间干出和阳光 UVR不能进一步诱导藻体合成紫外吸收物质 , 而且 UVR对干出藻体的叶绿素 a和
类胡萝卜素合成有抑制作用.UVR显著抑制干出状态下藻体光系统 II (PS II)的有效光化学效率和
藻体的光合固碳速率 , 而且对光合活性的抑制作用随失水率的增大而增强.
关键词　　坛紫菜　干出　紫外辐射　色素　光合活性
　　坛紫菜(Porphyra haitanensis Chang et Zheng)
是中国南方特有的经济栽培种 , 在野外其叶状体
生长于潮间带 , 随着潮汐变化会经历反复干出和
沉水循环 , 干出时会面临强光 、 紫外辐射(UVR)
和渗透压等胁迫.紫外吸收物质(UV-absorbing
compounds)主要因为能屏蔽或减弱紫外波段的有
害作用而成为近些年的关注热点[ 1 , 2] .同时 , 紫外
吸收物质也能起到渗透压调节的作用[ 3] , 而且已
有研究证明渗透压能诱导蓝藻 Chlorogloeopsis PCC
6912的紫外吸收物合成[ 4] .作者在之前的研究中
发现干出处理能维持坛紫菜叶状体的紫外吸收物
含量[ 5] , 但并没能诱导紫外吸收物质的进一步合
成 , 这可能与藻体的起始含量过高有关[ 6] , 也可
能是每天 3 h的干出时间还不够长.因而本文将叶
状体在室外进行长时间干出 , 以研究长时间干出
和阳光紫外辐射(UVR)对其色素含量和光合活性
的影响.
适度干出时 , 紫菜叶状体表面的水分损失使得
CO 2在水相中的扩散障碍减小 , 光合作用活性增大 ,
而进一步的失水则会使其光合速率和光合效率降
低[ 7 , 8] .但是 , 干出过程中 , 阳光 UVR对藻体光合
作用活性的影响尚未见有报道.
1　材料与方法
1.1　材料
坛紫菜(Porphy ra hai tanensis Chang e t Zheng)
叶状体 , 从汕头南澳岛(117.09°E , 23.47°N)附近海
区的栽培网帘上采集 , 现场用于实验或在 4 h内运
回实验室后 , 通气保存在过滤海水中 , 室温 15—
20℃, 光强低于 50μmol·m-2 · s-1(pho to synthet-
ically active radiation , PAR), 第二天用于实验.挑
选健康藻体 , 因为之前的结果[ 5] 已表明 , 藻体基部
和中间部位的色素含量在雌 、 雄个体间没有差异 ,
而中间部位较大 、容易取材 , 所以都取中间的营养
组织(2 cm×2 cm)备用.
1.2　长时间干出实验
选择晴天(2005-12-08)的早上 , 从栽培网帘上
采集材料并带回附近的实验站 , 共取 50—60片营
养组织均匀分散于过滤海水中 , 用不锈钢丝网捞出
后在阳光下进行干出.采用两种辐射处理 , 以区分
PAR和 UVR的不同影响:(i)PA B处理 , 将滤膜
Ultraphan 295 (UVT 100 , Digef ra , Munich , Ger-
many)盖在样品上 , 以获得全波长阳光辐射(PAR+
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UV-A+UV-B).该滤膜能滤除 UV-C , 自然阳光
下可以不用 , 但本实验中使用它 , 是为了保证材料
的失水速率与其他处理下相同;(ii)P 处理 , 将滤
膜 Ultraphan 395 (UV Opak , Digefra , Munich ,
Germany)盖在样品上 , 滤除阳光 UVR , 使样品仅
接受光合有效辐射(PA R);两种滤膜的透射光谱参
照文献[ 9] , 材料主要是通过不锈钢丝网下方的空
气流通来进行干出失水.分别在干出前和干出 1 ,
3 , 6 h 后取样 , 每次取样后将一半材料回水15 min
后称鲜重并提取色素(预实验表明干出后含水量仅
5%—10%的藻体在回水 10—15min后就能吸水充
分), 另一半材料在测定有效光化学效率后 , 转入
弱光(5—10μmol·m-2 · s-1 PA R)下回水 , 并跟踪
其光合活性的恢复 , 用便携式荧光仪(PAM-Water-
EDF , Walz , Effelt rich , Germany)测定光适应样品
PS II 的有效光化学效率(ΔF /F′m)[ 10] .
1.3　干出状态下光合固碳的测定
叶状体在干出状态下的光合固碳速率采用
LCA4型红外 CO 2 分析仪(Analy tical Development
Company , U.K.)测定 , 根据光合仪上 “ ■C” 值
(气路经过叶室所造成的 CO 2 浓度差 , μL/L)及所
用的藻量和气流量来计算光合速率 , 计算公式为:
Pn = ■C×F ×60 ×273/[(273 +T)×
22.4 ×DW]
其中 F 表示气体流速(L/min), T 为光合反应温度
(℃), DW 为藻样干重(g).
将 4—6块营养组织展开平铺在一块长方形的
尼龙网上(相互不遮光), 装入光合仪的叶室内 , 叶
室采用石英玻璃罩(其透射光谱见文献[ 11]), 可透
全阳光辐射.室外实验在中午时段进行 , 重复测定
3 d(2005-01-18—2005-01-20), 每天都是 11:00—
12:00间测定 P 处理下的 , 12:00—13:00间测 PAB
处理下的 , 藻体的固碳速率和接受的光强水平 , 都
是用这 3 d的平均值来表示 , 实验期间叶室内温度
是 (20 ±2)℃.同时 , 我们在室内也重复此实验 ,
用太阳模拟器作为光源 , 其发射光谱和当地的阳光
光谱极其相似 , 样品在灯下 70 cm 处分别接受 P 处
理和 PAB处理 , 由空调控温在 20℃.实验过程中
通过监测藻体重量的变化来获得失水率(WL %):
WL % =(W o -W t)/(W o -W d)×100
其中W o 为干出初始时的重量 , 即充分水化状态下
的重量;W t 为干出一定时间(t小时)后的重量;W d
为干重(80℃, 24 h);含水量则为(1-WL %).
相对于只照射 PA R的材料而言 , 由 UVR引起
的光合作用相对抑制率通过以下公式求得:
InhUVR(%)=(PP -PPAB)/ (P P)×100
其中 PP 和 PPAB分别代表只照射 PA R 和照射了
PAR+UV-A +UV-B 样品的有效光化学效率或固
碳速率.
1.4　色素的提取和测定
色素的提取方法参见文献[ 5] .紫外吸收物质的
浓度根据提取液最大吸收峰(336 nm)的高度来估
测[ 12] , 叶绿素 a (chl a)浓度依据 Po rra[ 13]的计算公
式求得 , 而类胡萝卜素浓度则根据 Wellburn[ 14] 的
方程来求算.
1.5　辐射的测定
室外即时的阳光辐射值 , 采用 ELDONET 辐射
计(Real T ime Computers , Erlangen , Germany)来
连续测定 , 此测光仪可收集来自各个方向的辐射
(顶部是半球形的), 在每秒钟内测定 UV-B(280—
315 nm)、 UV-A(315—400 nm)和 PA R波段的辐射
值 , 获取 1 min 内的平均值 , 并记录于电脑中[ 15] ;
室内太阳模拟器下的辐射值采用相同方法测定.
1.6　统计分析
所有实验中 , 都是采用3个重复或是6次测量 ,
实验数据表示为平均值±标准差(n为 3 —6), 处理
间的数据结果用 t-检验或方差分析(ANOVA)进行
差异显著性检验 , 以 p<0.05为差异的显著水平.
2　结果
2.1　长时间干出和阳光 UVR对叶状体色素含量及
光合活性的影响
实验当天上午偶有云彩(图 1), 但仍以晴朗为
主 , UV-B , UV-A , PAR的最大辐射值依次是 1.27 ,
51.6 , 369 W/m2 (1 W/m2 =4.6μmol · m-2 · s-1
(阳光 PAR)).
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藻体的含水量持续降低(图2), 开始 1 h内就已
失水 60%—70%, 之后失水速率减慢 , 6 h 后含水
量仅为 1%.藻体的紫外吸收物含量 , 在实验的 6 h
中都没有明显变化 , 而且 PAB 和 P 处理间也没有
显著差异(图 3(a)).chl a含量在干出 1 h后没有明
显变化 , 而 3 h后则分别降为起始值的 48%(PAB)
和 63%(P), 两种辐射处理间没有显著差异 , 6 h
后 P 处理下(81%)显著高于 PAB 处理(39%)的 ,
但 P 处理下在干出 3 h和6 h后的含量间没有显著差
异(图 3(b)).类胡萝卜素含量在 PAB 处理下没有
变化 , 而 P 处理下在 1 h 后显著增高了 16%, 之后
则保持不变 , PAB和 P 处理间没有差异(图 3(c)).
藻体在阳光下干出 1 h 后 , 有效光化学效率就
急剧降低为起始值的 17%(PAB)和 31% (P),
UVR引起的相对抑制率为 45%, 转入弱光下回水
30min后光合活性就都完全恢复了(图 4(a)).干出
照光 3 h 后 , 藻体的光化学效率降低至测不出 , 转
入弱光下回水 3 h 后 , 接受过 P 处理的藻体完全恢
图 3　室外长时间干出实验期间 , 只接受阳光 PAR(P 处
理)和接受全阳光辐射(PAB处理)的藻体 , 其紫外吸收物
质(a)、 chl a(b)和类胡萝卜素(c)含量的变化情况(n=3)
柱状图上的横线在不同水平位置表示不同辐射处理间存在显著差
异;“ ＊” 表示与起始值间存在显著差异
复 , 而接受过 PAB 处理的藻体只恢复到起始值的
54%(图 4(b)).在阳光下连续干出 6 h 后 , 藻体光
化学效率的恢复相对较慢 , 只接受过 P 处理的藻体
需要 16 h 恢复完全 , 而接受过 PAB 处理的藻体只
恢复到 74%(图 4(c)).
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图 4　长时间干出实验期间 , 坛紫菜藻体在只接受阳
光 PAR(P处理)和接受全阳光辐射(PAB处理)下 , 干
出 1 h(a), 3 h(b), 6 h(c)后以及转入弱光下回水期
间有效光化学效率的变化情况(n = 6)
2.2　干出状态下阳光 UVR对叶状体光合固碳的影响
在室外实验中 , 重复测定的 3 d都是晴朗 , 中
午时段(11:00—13:00)UV-B , UV-A , PA R的平
均辐射值依次是 1.27 , 41.6 , 265 W/m2 ;各辐射
处理下 , 叶状体的光合固碳速率在失水 20%时没有
明显变化(p >0.2), 之后则随失水率增大而降低
(图 5(a)).在室内的太阳模拟器下 , 藻体接受的
UV-B , UV-A , PAR 辐射值依次是 3.32 , 73.7 ,
图 5　室外阳光下 , 坛紫菜营养组织在干出状态下只接受
PAR(P)和全阳光辐射 PAR+UV-A+UV-B(PAB)处理 ,
其光合固碳速率随失水率的变化(n = 3)(a)和 UVR 引起
的光合作用相对抑制率随失水率的变化(b)
340W/m2 ;藻体的固碳速率同样随失水率增大而降
低 , 在失水 20%时 , P 处理下没有显著降低(p>
0.05), 但 PAB 处理下已降低为起始的 51%, 随着
进一步的失水 , P 处理下固碳速率也持续降低(图
6(a)).在实验所测的各失水阶段 , 从失水 20%开始 ,
P 处理下藻体的光合固碳速率大都显著高于 PAB处
理下的 , UVR引起的光合作用抑制率随失水率的增
大而增高(图 5(b), 6(b));失水约 70%时 , PAB处
理下藻体的光合固碳作用首先降到测不出.
3　讨论
用刚采集的坛紫菜叶状体进行长时间干出 , 紫
外吸收物质的含量没有进一步增高 , 可能正如
Gröniger 等[ 16]以及 Karsten和 West[ 6] 认为的那样 ,
是因为藻体中紫外吸收物质的起始含量很高.
坛紫菜叶状体的 chl a含量不仅受高 PA R的影
响 , 还进一步受到 UVR的影响 , 这与紫菜 P.leu-
cost icte
[ 17] 是一致的 , chl a 含量在下午的恢复受
UVR抑制.高光强 PAR照射下 , 藻体因为吸收过
多的能量而形成较多激发态的叶绿素(1chl和3chl),
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图 6　室内太阳模拟器下 , 坛紫菜营养组织在干出状态
下接受 PAR(P)和 PAR+UV-A+UV-B(PAB)处理 , 其
光合固碳速率随失水率的变化(n = 3)(a)和 UVR 引起的
光合作用相对抑制率随失水率的变化(b)
后者与O2 作用而产生大量的单线态氧 , 色素被氧
化损伤 , 或是由于光子传递速率超过了电子从 PS II
向 PS I 的传递速率 , 电子传递链上还原状态的质体
QA 库能介导一种反馈调节机制 , 通过影响基因的
表达来限制色素的合成[ 18] .在 UVR漂白色素时 ,
主要是 UV-B起作用 , 叶绿素的卟啉环是 UV-B 的
光敏剂 , 产生的单线态氧使色素发生光氧化 , 从而
造成直接的损伤;另外 , UV-B还影响电子的传递 ,
叶绿素吸收光而激发的高能电子传不出去 , 积累的
高能量导致卟啉环发生光氧化-开环 , 从而造成间接
的破坏[ 18] .
类胡萝卜素是重要的光保护色素 , 能有效减弱
高 PA R造成的损伤 , 因为类胡萝卜素可以淬灭单
线态氧(1O 2), 也可以被脱环氧化而直接淬灭激发
态的叶绿素(1 chl 和3chl), 以避免单线态氧的产
生[ 19] .对绿藻石莼Ulva lactuca 的研究显示 , 叶黄
素含量在滤除阳光 UVR后明显增大 , 表明 UVR
对高 PAR诱导的光保护机制有负面影响[ 20] .本文
的长时间干出实验中 , P 处理下坛紫菜叶状体的类
胡萝卜素含量增高了 16%, 而 PAB处理下则没有
明显变化 , UVR的存在可能抑制了高 PA R对类胡
萝卜素合成的诱导.
从长时间干出实验可以看出 , 坛紫菜叶状体的
光合活性急剧降低 , 而且 UVR还引起了进一步的
抑制.对不同水分含量的海藻叶状体的叶绿素荧光
分析表明 , 干燥最先产生的有害影响是抑制 PS I 与
PS II间的电子传递 , 当叶状体失水 60%—70%时 ,
从水光解向 PS II 的电子传递终止 , PS II的反应中
心失活 , 从而导致光合作用停止[ 21— 23] .对紫菜 P .
linearis的研究发现 , 叶状体的光合活性受干出失
水的影响虽然很大 , 但再回水后能很快恢复[ 24] .而
本文也显示 , 干出照光的时间越长 , 坛紫菜藻体的
有效光化学效率完全恢复所需要的时间也越长(图
4), 表明光抑制程度主要是与接受的辐射剂量有
关 , 而且只照射过 PAR的藻体能较快恢复 , 这一
点在大型红藻角叉菜 Chondrus crispus 中也有报
道[ 25] .坛紫菜叶状体的净光合速率 , 在不同光强下
都随干出程度的加深而不断降低[ 8] , 本文也验证了
这一点(图 5 , 6), 而且发现 UVR引起的光合作用
抑制率随失水率的增大而增高.实验期间 , 自然阳
光的 UV-B/PAR为 0.48%, 而室内太阳模拟器下
则高达 0.97%, 所以不难理解在失水20%时 , 光合
固碳速率在室外的各辐射处理下都没有降低 , 而在
室内 , 尽管 P 处理下也没有降低 , 但 PAB 处理下
却已显著降低为起始值的 51%了 , 说明增强的
UVR尤其是 UV-B辐射较快地产生了抑制作用.
本文结果表明 , 阳光紫外辐射对坛紫菜叶状体
的光合色素以及光合活性都有明显的抑制作用 , 低
潮时的干出虽有助于保持藻体的紫外吸收物质 , 从
而能一定程度上减轻紫外辐射的危害 , 但干出并不
能诱导紫外吸收物质的进一步合成 , 而干出导致的
反应中心失活更使得藻体对紫外辐射的抵抗力减
弱.
参　考　文　献
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