全 文 ：植 物 学 报 1 9 9一 , 3 5 O 2 ) : 9 0 ,一 9 1 2
A e t a B o扭 n i e “ S i n i e a
假根羽藻和菠菜的叶绿素一蛋白质复合物 *
件小南 周百成 曾呈奎
(中国科学院海洋研究所实验海洋生物学开放研究实验室 , 青岛 2 6 6 0 7 1)
摘 要
假根羽藻 ( B r夕。户, i , c o r t 宕c , l a , , ) 的叶绿素一蛋白质复合 物 组分 和 菠 菜 ( s户`。 a , , a
耐。 ar ` 加 ) 的比较较为简单 , 含有较多的叶绿素 b 和其他辅助色素 , 而且它们大多集中在光系
统 1 的捕光叶绿素一蛋白质复合物中 。 叶绿素的分布也不均匀 。 两种植物复合物的吸收光谱
存在差异 。 假根羽藻含有管藻素和管藻黄素 。 假根羽藻叶绿素 一蛋白质复合物载体蛋白的分
子量大于菠菜相应组分的分子量。
关键词 假根羽藻 ;菠菜 ;叶绿素 一蛋白质 ;进化
C O M P A R A T IV E S T U D Y O F C H L O R O P H Y L L
。
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本文于 1 9 91 年 2 月收到 , 同年 3 月收到修改稿 。
* 国家自然科学基金资助项 目。
植 物 字 报 3 卷
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光系统 I 和光系统 H 分别 由它们的反应中心复合物和捕光色素一蛋 白质复合物组成。
由于两个光系统承担着光能转换这一光合作用的关键作用 , 因此它们的组成 、 结构和功能
的研究就显得十分重要。 光合生物在三十多亿年的进化过程中有 5 / 6 的时间是在海洋中
进行的。 海洋中至今仍生活着不 同进化阶段的藻类 。比较这些藻类和高等植物光合器官的
结构和功能 ,研究它们的相互关系 , 对揭示光合生物的进化和光合作用机理都有裨益 。 本
文用海洋绿藻假根羽藻为材料 ,将其叶绿素一蛋 白质复合物中叶绿素分布 、 色素组成 、分子
量和光谱组成等同高等植物菠菜的相应组分作了比较 。 以达到进一步了解海藻中这类物
质在植物演化中的地位以及它们同高等植物之间的亲缘关系的目的 。
材 料 和 方 法
材料 新鲜假根羽藻 ( B yr 。娜 is : or it ct l an : ) 采自青岛汇泉湾 。 洗净后置冰箱内保
存或置于海水箱中通气保存待用 。 菠菜 ( S P ian : ia 口 l 。 ; 。 ` 。 。 ) 购自市场 , 去中脉洗净置
冰箱备用 。
叶绿体分离 假根羽藻的叶绿体分离如前述 〔1] , 但分 离 介 质 为 1 / 3 m ol / L 蔗 糖 ,
2 5m m al / L 磷酸缓冲液 , p H 7 . 2。
菠菜 ( 5 0 9 ) 加人 10 0 m l 分离介质 ( 0 . 4 m o l / L N a C I , Zm m o l / L M g C I: , 0 . 2多 B s A
(W / V )
, 2 0 m m o l / L t
r i e i n e , p H S
.
0 ) 匀浆 , 经四层纱布过滤后离心去残渣 ( s o o r p m , ,
分钟 )。 取上清液离心 ( 3 0 0 0 r p m , 10 分钟 ) ,沉淀用分离介质洗一遍 。
类囊体制备 、 电泳样品制备 、 S D S一 P A G E 、 分子量测定 、 叶绿素 一蛋白质复合物的
提取 、叶绿素测定和吸收光谱的测定如前述 「1] 。 在 S D S 一 P A G E 中 , 分离羽藻叶绿素一蛋
白质复合物所用分离胶浓度为 8 多 ,而菠菜为 1 外。
结 果
(一 ) 菠菜叶绿素 一蛋白质复合物
菠菜类囊体 S D S 的增溶基本参照前法 〔2 , , 以适当的 S D S : C hl 比例 ( 1 0 : 1 , w /w )
12期 件小南等 : 假根羽藻和菠菜的叶绿素一蛋白质复合物
在 4 ℃ 增溶类囊体 ,将增溶的类囊体离心去沉淀。 上清液电泳 。 共得到 n 个色素条带 ,按
它们迁移率的增加 ,依 A n d e r s o n 法 ( 1 9 8 0 ) 〔` 〕 ,将它们依次命名为 C p l a ` (绿色 ) 、 C p l a , (绿
色 ) 、 C p l a , (绿色 ) 、 C p l (鲜绿 ) 、 L H C l l , (黄绿 ) 、 L H C l l Z (黄绿 ) L H C l l Z , 、 (黄绿 ) 、
D Z(亦称 C p a ) (绿 ) 、 L H C l l , (黄绿 ) 、 L H e x I 3, (黄绿 ) ,最后 1 条是游离色素 F p (叶绿素和
类胡萝 卜素 )与 s D s 形成的复合物 。这些条带用提取液 ( 0 . 0 2 5m ol / L T r i s 一 H。 , p H .8 0 , 含
6%的蔗糖和 。 . 2 m o l/ L D T T ) 研磨后 , 离心得上清液并用来测定室温吸收光谱 (图 1 o)
从结果看 , c lP al 一 , 是具 C PI ( P 70 叶绿素一蛋白质 )的叶绿素一蛋 白质复合物 。 它们的光
谱学和叶绿素分析表明 , 它们含有少量的叶绿素 b。 有趣的是 C IP al , 这个复合物除在
6 7 0 n m 有一吸收峰 (表 l ) , 在蓝区的峰位出人意料地位于 4巧 n m , 这与其他 C IP a 的峰
位 ( 4 3 5 n m ) 截然不同 , 从峰形上比较 , C IP al 除在 4 38 n m 和 4 6 7 n m (分别对应于叶绿
素 2 和叶绿素 b 的吸收峰 ) 附近有不明显的肩峰外 , 可能在 4 1为m 的吸收对应于某一类
胡萝 卜素的吸收峰 ,这种色素和 C IP a 形成了复合物 , 但也可能属于其他原因 , 待进一步
探明 。
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4 00 5 00 心00 7 0 0
波长物 le n g th (n m )
图 1 菠菜叶绿素一蛋白质复合物的室温吸收光谱
A
.
C lP
a ’ 一 3、 C P I 和 D : 复合物的吸收光谱 ;
B
.
L H C H 复合物的吸收光谱 。
F i g
.
1 A b s o r P t i o n s p e e t r a o f c h l o r o P h y l l
一 p r o t e i n
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T a t U r e
图 2 假根羽藻叶绿索一蛋白质复合物的
室温吸收光谱
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2 A b s o r p t i o n s p e e t
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: e o m p l e x e s ;
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从菠菜类囊体我们得到
L H C l l c o m P l e x e s
.
5 条 P lS l 的捕光叶绿素一蛋 白质复合物 ( L H lC l l , L H lC l Z ,
, 08 植 物 学 报 3 3 卷一 口- ~ -明表 1 菠菜叶绿紊一蛋白质复合物的室温吸收光谱峰位T a b l e A b s o r b a n c e U l a X l l D a o至 C h l一 P r o t e i n e o m P l e x e s f r o m S P i o a c动 o l o r a c e a ( n m )类囊体T h y l a k o i d C P I a Z D z L H C l l , L H C l l s ,斗3 84 6 86 5 16 7 9 4 3 5 …二【二{州洲二1 今3 5 } 今3 5 } 4 34 } 今巧 】峪3 3… … …` 6 ’ 1` 6 ’ …` 6 6! 6 74 ! “ 7 4 } “ 6 8 】 6 7 0 { “ 6 9 4 3 5 4 3 44 6 ,6 7 4 6 7 3 6 7 0 4 354 696 536 70表 2 叶绿素在菠菜类班体电泳胶条中的分布和叶绿素 。 / b 比率T a b l e 2 C h l e o n t e n t a o d C h l a / b r a t i o s o f C h l一 b a 及 d s o f t五y l a k o i d s o f 5 . i n ht o g e l s复 合 物 } _ }~竺些 i兰1卜竺 i生卜兰竺竺…一C h ` (% ) } ` , · 2 } “ · 7c h ` a / b } > ’ 5 } > 2 0 C P Ia 36 。 l> 2 0 二…二…二…二“ · ` } , · 7 } ” 5 { ` · z】` · 1 ! ` · 2 } 1 · 4 巴暨!卜里里一4 。 0 1 1 0 。 0P一忍刀C一9表 3 假根羽藻叶绿素一蛋 白质复合物的室温吸收光谱峰位T a b l e 3 A b s o r b a n e e m a x i m a o至 C h l一 p r o t e i n e o m p l e x e s f r o m B . c o r t i c u l a o s ( n m )C P Ia l C P l a Z C P I L H C l l一,4 31斗6 》 ::: 4 3 76 7 1 6 7 1 6 7 3 一E竺三竺- ~}兰些竺匕卜三互一{全四 i{ -) 4 3 8 } 4 3 6 {{ 斗7吕 } …{ “ 5 3 } } 6 5 4“ 6 8 1 6 6 9 ! 6 64 ! 6 7 0 4 3 84 6 56 5 26 6 9表 4T a b l e 4 假根羽藻色素条带在电泳胶条中的叶绿素分布 、 叶绿素 a / b 比率和表观分子盆C h l e o n r e n r , C h l a / b r a t i o s a n d a P p a r e n t m o l e c u l a r w e i g h t s o f C h l b a n d s
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L H lC lz,
,
L H lC l
, 和 L H lC l s,) , 它们都含有叶绿素 a 和 b。 随着电泳迁移率的增加 , L H lC l
的吸收光谱中对应于叶绿素 b 的峰 ( 6 5 3n m ) 更为明显 。 这种情况的成因尚不清楚 , 可
能在 电泳过程 中脱离开复合物的色素不同或每个复合物的叶绿素含量不一 。 L H lC lz, 和
L H lC ls, 分别位于 L H lC l Z 和 L H lC l 3 的紧下方 , 它们的吸收光谱性质类似于其它三种
L H lC l
。 P lS l 的捕光叶绿素一蛋 白质复合物由多种多肤形成 , 主要为 ” 、 27 和 2 5k D 多
肤 ,这几个多肤再以不同的组合形成不 同表观分子量的 L H lC l 。可能 L H lC lz, 和 L H lC l,
是电泳过程中由大的复合物部分解聚形成的 。
D : 是 P lS l 的反应中心复合物 ,它的吸收峰位于 4 3 4n m 和 6 7 3n m 。
叶绿素大多分布于 P lS l 的捕光叶绿素 一蛋 白质复合物上 (表 2 )。 占叶绿素的 48 . 7多 ,
x Z 期 件小南等 : 假根羽藻和菠菜的叶绿素一蛋白质复合物
若不将 F 以 10 外 )算在总数内 , 则占 54 多 , 叶绿素在 P lS l 中为 56 . 8多 , P SI 中叶绿素
主要分布于 c aP ( 24 外 ) 中。 F P 中的 c hl a / b 比率没有测定 , 有人认为主要为叶绿素
“ 和类胡萝 卜素。 C hl a / b 比率在光系统 I 中高 ,一般都在 巧 : 1 以上 , 但在 SP H 各组
分 中则较小 , L H lC l 中在 1 . 0一 1 . 5 的范围内 , C P a 中为 3 . 80
(二 ) 假根羽藻叶绿素一蛋白质复合物
用 8并 的分离胶浓度和 s D s : c hl 为 8 : 1 的比例 , 能很好地分离到假根羽藻的多条
叶绿素一蛋 白质复合物 。 实验证明 ,若胶浓度大于 8多 ,则得不到好的分辨率 ,若过低则不
能使 L H C l 分开 。 当 S D S : C hl 比率过高时游离色素增加 ,低时复合物得不到较彻底的
增溶 。
依增加的迁移率大小将 9 条含色素带命名为 C p l a , 、 C p l a , 、 C p l 、 L H C l l ; 、 L H C l l Z、
D Z
、
L H C l l
3 、 L H C l l
3 , 和 F p 。 它们的吸收谱和峰位如图 z 和表 3 所示。 C p l a ’ 和 C p l a , 在
红区的峰位是 67 nI m , 蓝区有 4 3 6n m 和 4 6 5n m 。 而 C IP 在没有叶绿素 b 的特征峰 ,但
比起 D Z 还算含有较多的叶绿素 b (表 4 ) 。 L H lC l 在红区有一明显的小峰 (峰位 6 , 3n m ) ,
而在蓝区亦有一明显的次峰 ( 4 7 8n m , L H C l l 3 , 在 4 6 5 n m ) 。 所有 L H C l l 在 , 0 0一 5 5 o n ,
的区域内有一较大的突起 , 表明它们都具有可观含量的管藻素和管藻黄素 。 叶绿素在各
条带中的分布很不均一 ,其中 C lP a 中占 .4 5外 , C IP 中占 15 .2 务 , L H cl l 中占 64 .2 外 ,
游离色素 12 . 7务。 p S I 叶绿素占 1 9 . 7外 , P s l l 叶绿素 6 7 . 6务 , P S l l 叶绿素 : P s l 叶绿素 ~
3
.
4 3 ,高于菠菜 ( 1 . 7 1 )的 p S l l C h l / p s I C h l 之比。 在羽藻中 C h l a / e h l b 比率明显低得多 ,
尤 以 L H C l l 中为甚 ,在 0 . 6 3一 0 . 7 3 之间 。 而且 C p l a 中的 C h l a / C I , l b 比率也较小 ( 2 . 2一
2
`
4 )
, 说明这种海洋绿藻在进化过程中以其丰富的叶绿素 b 适应海水中光环境 。 光对海
藻的影响较之陆生植物要突出的多 。 即使在海水不很深的情况下 , 由于海水的选择性吸
收和散射 ,使得远红光 、 红光 、 黄光和 蓝光都有一定程度的损失 , 到达植物的光更弱更偏。
因而从进化上讲 , 经过长期的进化选择 , 海藻除了增加叶绿素 b 以吸收更多的橙色光和
蓝绿光外 , 还 同时增加了象管藻素和管藻黄素这类能吸收 5 0 一 5 5 0n m 区域内光线的色
素 。从而增加 了植物对光的利用 。
羽藻的叶绿素一蛋白质复合物载体蛋白分子量较菠菜中的相应组分为高 。 L H cl l , 的
分子量为 3 6 k n , 这个值与 N a k a y a m a 等 ( 1 9 8 6 )的结果 〔“ ,类似 。 3 6k D的 L H e l l。 和 3、 k D
的 L H lC ls, 可能来自同一基 因编码的 m R N A 及 同一蛋 白质体 , 经合成后加工形成不 同
分子量的蛋白质。
我们将菠菜和羽藻的叶绿素 一蛋 白质复合物的性质比较 , 发现绿藻的 C IP a 除了叶绿
素 a 外 ,还含有大量的叶绿素 b 和其他辅助色素 , 而且它们在红区的吸收峰相对蓝移 。 它
们的 C IP 含有少量叶绿素 b。 C P a 之间的吸收光谱差异不明显 。 羽藻 L H lC l 中 , 由
于含有大量的非叶绿素 a 色素 , 因而吸收光谱更加复杂 。 两种植物的 L H cl l 在 s D s -
P A G E 中的主要位置各不 相同 , 菠菜在 L H C H 3 , 而羽藻在 L H C H ; , 这可能反映了种间
的差异。
讨
(一 ) 菠菜叶绿紊一蛋白质复合物
论
植 物 学 报 3 3 卷
用 S D S 增溶菠菜类囊体膜 , 结合 S D S一 P A G E 的方法分离出 1 条含叶绿素带 ,除 了
一条是 F P 与 s D s 形成的 S D s 一 F P 复合物外 ,其他都是和 S D S 形成复合体的叶绿素 -
蛋白质复合物。 由于使用的 电泳装置是制备型的 , 上样量较大 ( 150 那 s/’ 管 ) , 因而就可能
会得到一些用分析型 S D s 一 P A G E ( 由于样品少而导致色带不易察觉 ) 所得不到的叶绿
素一蛋 白质复合物 。
如前所述 , P , 0。 连接在一个 7 0k D 的四聚体上 【8] , 经常和 C PI 在一起形成复合物的有
25
、
1 8
、
16 和 sk D 的一些多肤 ,或是一些 2 4 、 2 0 和 14 k D 的多肤 41[ 。 这种来 自不同报道的
差异可能是不同的胶浓度引起蛋 白分子量测定上的误差 。 尽管 C PI a 的组成尚不清楚 ,
但我们估计 C PI ,一 , 就是这些多肤以不同比例在增溶过程中不同程度的解离。 从这些叶
绿素一蛋白质的吸收光谱 (图 1 , 2 ) 分析 ,除 C p l a ` 外 , e p l a , 和 e P I a 3 在 4 3 5 和 6 7 4 n m
有两个吸收峰 , 它们的吸收光谱在 45 。一 s c on m 范围内有一个平缓下降的小坡 , 揭示着它
们的组分 中含有叶绿素 b , 这少量的叶绿素 b (表 2 ) 属于光系统 I 捕光叶绿素 a/ b一蛋白
质复合物 ( L H CI ) 。 有关 C PI a 含有叶绿素 b 的报道很多 , 首先是在 1 9 8 1年 6[] 发现在 C PI a
中含有叶绿素 b。 以后证明叶绿素 b 可将能量传递给 P SI 反应中心图 , 并 首 次 从 PS I
复合物中分离到 L H CI 9j[ , 其 C hl a / b 比率为 3 . 5一 4 . 0 , 低温荧光最大值在 7 3 5 n m , 主要
由三条 20 一 2 5k D 多肤和几个低分子量多肤组成。 发现 L H CI 有二种形态 〔l2] , 一种是由
23 和 2 k D 多肤组成的 L H CI a , 而 L H CI b 由 20 k D 多肤组成 。 在低温荧光测定时
L H C I a 在 6 8 0 n n l 有荧光峰 , 而 L H C Ib 的荧光峰位于 7 3 o n m 。 C p一a ` 是一个奇怪的组
分 , 它在 4 15n m 和 6 7 6n m 有吸收峰 , 并在 6 4 0n m 有一个不太明显的肩 , 它的叶绿素分布
占整个叶绿素在电泳胶条中分布的 1 多。 它含有叶绿素 b (对应于 6斗on m 的肩 )。 通过
低温吸收光谱 、 低温荧光光谱以及多阶导数光谱分析 , 可能对这个组分做出进一步评价。
如果属于正常组分 ,很有必要进一步研究 。
分离到的 , 条光系统 H 捕光叶绿素 : 蛋白质复合物 ( L H lC l) 具较相似的吸收光谱
性质 (图 1 , 表 l ) 。 它们都含有叶绿素 b , 叶绿素含量 占整个类囊体叶绿素含量的一半
左右 (表 2 ) , 叶绿素 a / b 的比率也较少 ( 1 . 1一 L S ) , 这些 L H lC l 无论是色素组成还是色素
含量在类囊体多肤中占有很大的优势 。 足以说明这一类叶绿素一蛋白质复合物在高等植
物中具有的重要性 。
(二 ) 假根羽藻的叶绿素一蛋白质复合物
假根羽藻属于管藻 目的羽藻科 ,羽藻属 , 是太平洋沿岸最普通的一个种 。 属二倍体多
核细胞。 用 8多 的聚丙烯酞胺和 S D S : C hl 为 8 : 1 的比率 , 从羽藻类囊体膜分离到 8条叶
绿素 一蛋 白质复合物 (图 2 ,表 3 , 4 ) 。 羽藻 C IP al 和 C IP a , 具相同的吸收峰位 ( 43 6 , 46 5 ,
6 7 1 n m )
, 较低的 e h l a / C h l b 比率 (分别为 2 . 2 和 2 . 3 ) 。这个结果类似于大羽藻 ( B . m a x im a )
复合物的结果 1st] , 其吸收峰位与松藻 C lP a 的吸收峰位相似 『” , 但不同于大羽藻的 C IP 。
吸收光谱〔` , , , 后者位于 6 7 7 n m 。 大羽藻的 6 条 C p l a 组分中 〔“ , , 除含 6 7 k D 的 C p l 外 , 还
含有 2 2 , 2 4 , 2 5和 2 6 k D 等小肤 , 这些 C p l a 在 6 5 0 和 6 7 7 n m 有吸收峰。 C h l a / c h l b ~ 2 ,
认为这些 C lP a 的产生可能是由于去污剂对组分有不 同程度的分解 。 另外这些 C lP a 中
还含有管藻黄素 。
四个 L H C H 具有相似的吸收光谱 , 类似于大羽藻 L H lC l 〔13] 的光谱 。 L H C l 一 , 和
1 2 期 件小南等 : 假根羽藻和菠菜的叶绿素一蛋白质复合物
L H C l l
,
, 在红区的吸收峰分别为 6 6 8 、 6 6 9 、 6 7 0 和 6 6 9 n m , 在蓝区的吸收峰位于 4 3 8 n m左
右 。 L H C l l 具有较低的 e h l a / C h l b 比率 ( 0 . 6 3一 0 . 5 5 ) 。 整个 L H e l l 含叶绿素比率很
大 ( 6 4 . 2多) 。 近年来随着研究工作的深入和技术的改进 , 对 L H cl l 的研究和认识 日趋深
人和广泛。 它的生物合成涉及到核 、 胞质及叶绿体三方面的协同 : 复合物的蛋白质组分
在核编码 , 在胞浆中经核糖体合成前多肤 , 这种前体被输人叶绿体 , 与在叶绿体内合成的
叶绿素组装成复合物 , 经过修饰加工 , 才成为成熟的 L H cl l 。 整个 L H cl l 的合成过程已
经在离体情况下得到大部分重复 。 以前认为 L H lC l 的功能主要是将激发能量传递给
sP n
, 但现在则很明确 , 它是类囊体膜垛叠不可缺少的因子 , 而且它并不是一个静止的结
构。 它能和二个光系统都发生作用 , 在它们中起协调作用 , 以保证光合作用达到最大效
益。 由于在 电子从水传递到 N A D P 的过程中 , 二个光系统的作用具有连续性 , 所以只有
当二个光系统达到最大限度的平衡时 , 光能才可以得到最充分的利用 。 因而 L H lC l 这
种调节光能分配的作用和功能 , 使它在光合作用研究中 日益受到重视 。 L H lC l 存在于具
有叶绿素的所有真核植物中 , 包括所有陆生植物 、 绿藻和裸藻 。 在其他藻类和光合作用细
菌中则有 L H cl l 的同工复合物 , 如在褐藻 中以 C h l a / 。一蛋白质复合物形式存在 ,在红藻 、
光合作用细菌和蓝藻中以藻胆蛋白 ( p h y co hi l i p or t ie n) 的形式存在 。 原 核 的 原 绿 藻
(P
; 口` hl 口 ; 口的 中也有 L H cl l 存在 , 因而它是一个在光合作用生物中较为普遍的组分。
同松藻一样叨 , 管藻素 、管藻黄素和新黄素在 L H lC l 中的分布分别为 68 . 5多 , 5 7 . 8多
和 7 9 . 5务 , 而在 F P 中则分别为 29 . 5多 , 3 2 . 5多 和 19 . 2并 ’ 15 。 这些辅助色素主要分布于
L H cl l 可能是绿藻乃至整个植物界的一个特点 .1t , , `弋
在高等植物和藻类中 , 有许多类胡萝 卜素类和叶黄素类色素与叶绿素 。 和 b 一起形
成蛋白质复合物 。 这种情况在海藻中尤其突出 , 如管藻黄素 一 c h la/ b一蛋白质复合物 〔16] 、 管
藻黄素一管藻素一 C hl a/ b一蛋白质复合物 3[] 、 管藻黄素一管藻素一新黄素一紫童黄素一 C h l a / b一蛋
白质复合物图 、 岩藻黄素一 C h l a 一 C hl cl / c Z一蛋白质复合物 〔` 41 以及多甲藻素一 C h l a 一蛋白 质 复
合 l0tJ 等 。 这与它们在长期进化过程中适应海水光照环境的变化有很大关系 。 在研究光合
作用进化中占重要地位 。
参 考 文 献
[ 8 ]
件小南 、 周百成 、 曾呈奎 , 1 9 9 :1 刺松藻 ( C口 d汤 。 了ar 打 l e) 类囊体的叶绿素一蛋白质复合物 。 海洋与湖沼 ,
(待发表 )
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