全 文 ：海洋科学/2001年/第 25卷/第 3期42
原绿球藻 Prochlorococcus 的研究进展*
ADVANCES IN THE Prochlorococcus STUDIES
杨燕辉 焦念志
(中国科学院海洋研究所 青岛 266071)
原绿球藻 (Prochlorococcus)在 80年代末和 90年
代初才被发现和定名 ,是目前已知的最小的放氧光合
自养原核生物 。由于其重要的生态 、生理和系统发育
地位 ,从一发现 ,原绿球藻的研究就成为一热点 。在短
短的 10 a内 , 原绿球藻的数量分布 、种群动态、生长
率和生产力 、以及系统发育地位 、细胞生理特点等各
方面研究均获得了较快的进展 。
焦念志和陈念红 1995年曾对原绿球藻的发现 、
分布 、分类和生理学特征以及生态学意义作过综述 ,
这里 ,作者仅就近几年研究的新进展并结合自己的工
作作一简要的介绍 。
1 原绿球藻的分布
原绿球藻最初的发现始于 1979 年 Johnson和
Sieburth在电镜下记录的“ Ⅱ型”聚球藻 。尽管他们发
现这种新型的单细胞生物没有藻红素 , 但仍把它归类
于聚球藻属 。其后 , 间接的证据是 1983年 Gieskes和
Kraay在亚热带大西洋发现了一种未知的叶绿素 a的
衍生物 , 随后证实就是原绿球藻的特征色素二乙烯基
叶绿素 。直到船载流式细胞仪的应用 , Olson 和Arm-
brust1985年发现一种发弱红色荧光的具二乙烯基叶
绿素 a的细胞大量存在于许多调查点 , 这一现象才引
起了足够的重视 , 并导致了 Chisholm等于 1988年确
定这是一未发现的新属新种 , 并在纯化培养的基础上
于 1992年将其命名为海洋原绿球藻 (Prochlorococcus
marinus)。此后 ,原绿球藻的研究引起了生物海洋学家
的极大兴趣 , 并在短短的数年内获取了关于其分布 、
动态生理和进化等各方面的知识 。
原绿球藻大量地分布在热带 、亚热带 、温带大洋
海域 、边缘海以及海湾中 , Buck 1996年认为在亚极地
表 1　原绿球藻在世界各调查海区的浓度分布
海区 原绿球藻的浓度(个/ml) 文献
北太平洋(ALOHA) 1.4×105 ～ 3.2×105 [ 3] , Campbell等 , 1993
赤道太平洋(12°N～ 12°S , 140°W) 1.6×105 ～ 2.3×105 [ 6]
西赤道太平洋(20°S ～ 7°N , 165°W) 1×105 ～ 5.4×105 [ 2]
中赤道太平洋(0°N , 140°W) 1.4×105(平均) [ 1]
中部太平洋(48°N～ 8°S , 175°W) 104 ～ 105 Suzuki等 , 1995
北大西洋中部 0.8×105 ～ 1.2×105 Li , 1995
北大西洋 ,马尾藻海 3×106 ～ 7×106/mm2(200 m 积分) Olson等 , 1990
地中海 1.9×104(冬季平均) Vaulot等 , 1990
太平洋 Suruga 湾 5×103 ～ 1×104 [ 14]
西北印度洋 6×104 ～ 7×105 [ 5]
红海 Aqaba湾 1.6×105 Lindell和 Post , 1995
东海 103 ～ 105 Jiao 和 Yang , 1998
南海 104 ～ 105 杨燕辉 , 2000 ,博士论文
*国家自然基金资助项目 39570143号;国家杰出青年基金
资助项目 39625008号。
收稿日期:2000-06-05;修回日期:2000-09-26
海也有分布 ,但细胞浓度较低(10 3个/ml)。现将原绿
球藻在世界各调查海区的数量分布列于表 1。
在寡营养大洋海区 ,原绿球藻不仅在数量上占优
势 ,而且在碳生物量上也占相当比重 。Campbell 等于
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Marine Sciences/Vol.25, No.3/2001 43
1994年在北太平洋 ALOHA 站发现 , 80%以上的原核
碳生物量是由原绿球藻提供的;Georicke和 Welsch-
meyer 1993年在马尾藻海发现 ,原绿球藻占叶绿素生
物量的 30%以上 , 并提供 25%以上的初级生产力 ;
Binder等 1996年得出结论 , 在赤道太平洋中部 , 原绿
球藻占总光合生物量的 27%～ 41%;在地中海 , 约
31%的叶绿素生物量由原绿球藻提供;Buck等 1996
年认为 , 在亚热带北大西洋 , 原绿球藻的碳生物量占
总碳生物量的 12%。
2 原绿球藻的细胞周期 、生长率和消
失率
原绿球藻的细胞周期分布与真核生物类似 , 具
有彼此分离的 S期 ,G1期和 G2期 。光 、硝酸盐以及磷
酸盐对原绿球藻的细胞周期均有影响 。在硝酸盐浓度
小于 0.4μmol/L或光强度小于 0.1%表面光强时 ,原
绿球藻的大部分细胞会停留在G1期 ,在 N/P≥150时
会导致细胞停留在 G1和 G2期 。
自然海水中原绿球藻的 DNA 复制与细胞分裂具
有严格的周期节律 , 并与光周期相耦合[4 ] (Partensky
F.等也得出此结论)。原绿球藻的 S期通常开始于下
午近傍晚时 ,细胞分裂在夜间发生 。但也有报道发现
自然种群的原绿球藻在一个光周期可以不止分裂一
次[7 ] 。
开始时 ,原绿球藻的生长率由结合进二乙烯基叶
绿素 a的14C估计 , 或者由原核细胞抑制剂方法估计 ,
但是这些方法由于需要培养 ,往往引入人为的影响 。
目前较准确的是采用直接的方法检测水体中原绿球
藻在一个光周期内细胞周期频率的变化来计算生长
率[5 ] 。此方法估计的原绿球藻的生长率在 0.45 ～ 0.8/
d
[4 ～ 6 ] , 最高的生长率可能是在阿拉伯海 , 接近 1/
d
[ 7 ] 。原绿球藻即使在营养盐非常缺乏的大洋海中仍
能维持其最大生长 。
与原绿球藻的生长率研究相比 , 其细胞的消失率
的研究相对较少 。有可能与异养细菌一样 ,原绿球藻
细胞数量的稳定主要由捕食所控制[9 ] 。病毒对原绿球
藻的裂解方面的工作目前还没有报道 。
3 遗传多样性的研究
在对原绿球藻培养品系的分子生物学研究中
发现 , 不同品系间的遗传距离与其来源的地点不相关
[8 ](Scanlan D.J.1996年亦发表此观点)。相反 ,不同地
点分离的品系之间的遗传距离与深度的关系大于与
分离地点的关系 。无论分离地点的距离以及不同地点
间水体物理化学条件的差异 ,表层分离的品系似乎都
属于“高光适应组” ,这些品系都具有较低的叶绿素 b2
与 a2比值 。Palenik在 1994年 , Urbach在 1995年进行
的自然水域的分子生物学调查也得出相似的结论 , 而
且这些研究都表明原绿球藻种群内部的遗传变异性
较大 。在分层良好的水体中 ,表层的品系与培养品系
中表层分离的较接近 , 而在混合频繁的水体中 , 这一
特点就不明显 。分子生物学研究的结果似乎支持一种
假说 ,即在分层水体的不同深度的原绿球藻品系由单
基因库起源 , 但由于在不同深度基因频率的变化导致
了不同深度的种群具有不同的叶绿素 b2 与 a2比值 。
原绿球藻遗传多样性的研究还有许多问题仍需
更多的野外实验数据的支持 , 比如 , 在地中海表层分
离的原绿球藻品系的遗传距离与在寡营养亚热带大
洋海表层分离的品系较接近 ,但是前者似乎被无机氮
所限制 ,而后者却能在营养盐非常缺乏的上混合层中
维持很高的生长率 。这两种在生理需要和代谢机制上
差别如此之大的品系竞会属于同一遗传类群或种 , 这
似乎超乎人们的想象 。
4 原绿球藻在我国的研究
原绿球藻在我国的研究起步相对较晚 , 研究也较
少 。最早的研究始于焦念志等 1994年在东海南部用
反相高效液相色谱法检测到原绿球藻的特征色素
———二乙烯基叶绿素的存在 。随后 , 焦念志等采用目
前国际上进行超微型浮游生物研究最先进也是最常
用的流式细胞技术 , 在我国东海和南海开展了一系列
大面调查和海上实验 , 对原绿球藻的自然分布 , 种群
动态 , 以及调控因子和生理特性的研究 , 填补了我国
这方面研究的空白[3 ] 。主要结果概括如下:
4.1 原绿球藻在东海和南海的分布主要由温
度 ,水团水流 ,水体的物理化学结构所调节 。在东海 ,
冬季原绿球藻的大量分布主要限制在水温高于 15℃
的黑潮流域 , 细胞浓度在 1 000 ～ 10 000个/ml 。夏季
原绿球藻可达 50 m等深线附近 , 分布在东海的大部
分水域 ,细胞数量较冬季高 7 ～ 13倍 。在南海 ,原绿球
藻几乎大量分布在整个南海海域 ,而且细胞浓度比在
东海高 ,平均 54 000个/ml 。在垂直分布上 ,在夏季分
层水体中 ,东海原绿球藻的最大层与硝酸盐的分布有
关 , 在营养盐相对较缺乏的南海海盆区 , 原绿球藻的
垂直剖面的最大层似乎与铵盐的分布有关 。
4.2 现场培养实验表明 , 原绿球藻的温度生理
下限低于其自然分布的温度下限 , 生物间相互作用 ,
水体中生源活性物质 , 微量金属元素 , 以及水体的物
理化学条件等都是制约原绿球藻近岸分布的因素 。
(下转 53页)
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Marine Sciences/Vol.25, No.3/2001 53
5 Russell Stothard J.et al..J .Moll.Stud., 1996 , 62:
165～ 176
6 Stothard J.R.et al..J .Moll.Stud., 1996 , 62:165～ 176
7 Todd C.D.et al..J Expe.Mar.Biol.Ecol., 1997 , 210:
251～ 274
DNA ISOLATION AND RAPD ANALYSIS OF THE Ar-
gopecten irradians TISSUE PRESERVED WITH DIFFERENT
METHODS
LIU Bao-zhong SONG Lin-sheng XIANG Jian-hai
(Institute of Oceanology , Chinese Academy of Sciences , Qingdao 266071)
Received:Jul.6 , 2000
Key Words:Argopecten irradians , DNA isolation , RAPD
Abstract
In order to search for a suitable method for the tissue preservation and DNA isolation of marine animals , the ad-
ductor muscle of bay scallop(Argopecten irradians)was treated with different methods:frozen at -20 ℃, fixed with 70%
ethanol and 10%formaldehyde more than 10 days.DNA templates about 20 kb were extracted successfully from the fresh ,
frozen and 70%e thanol fixed tissues.RAPD analysis indicated that PCRproduct has no obvious distinction among them in
the same individuals.No usable DNA was gotten from the formaldehyde fixed tissue.The result suggested that the 70%
ethanol is appropriate for tissue preservation , and the extracted DNA is satisfactory for RAPD analysis.
(本文编辑:刘珊珊)
(上接 43页)
4.3 南海的营养盐添加实验表明 , 南海原绿球
藻似乎更受磷限制 。在生理上 ,原绿球藻与聚球藻和
超微型真核浮游植物差别较后两者之间要大 。在生理
特性上 ,原绿球藻似乎更接近异养细菌 。
4.4 无论在自然分布上还是在现场实验中 , 原
绿球藻与其他几类超微型自养或异养生物的数量分
布和变动呈相反的趋势 ,似乎表明在超微型浮游生物
群落中存在着种间相互作用 。由于实验条件所限 ,我
国原绿球藻的研究还有待于进一步深入 ,如生物间相
互作用 ,常量和微量营养元素的上行效应以及微型浮
游动物和病毒的下行效应 ,东海和南海不同海区原绿
球藻品系的分离培养以及生理生态学 、系统发育的研
究等等 。
主要参考文献
1 Campbell et al..Deep-Sea Res., 1997, 44:167～ 192
2 Campbell et al..Limnol.Oceanogr., 1998, 39:954～ 961
3 Jiao Nianzhi , et al..Chin.Sci.Bull., 1998 , 43(10):
877～ 878
4 Liu H., et al..Aquat.Microb.Ecol., 1997 , 12:39～ 47
5 Liu H., et al..Deep- Sea Res., 1998 , Ⅱ 45:2 327～ 2 352
6 Liu H., et al..J .Geophysi.Res., 1999 , 104(C2):
3 391～ 3 399
7 Shalapyonok A., et al..Appl.Environ.Microbiol., 1998 ,
64:1 066～ 1 069
8 Urbach E., et al..J .Mol.Evol., 1998 , 46:188～ 201
9 Winkner J., and Hagsrom A., Mar.Ecol.Prog.Ser., 1998,
50:137～ 145
(本文编辑:张培新)
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