全 文 ：[收稿日期] 　2002-04-19
[作者简介] 　左东梅(1968-),女 ,硕士 ,研究方向:生物信息学.现工作单位:Institute of Proteomics , Dept.of BCMP , Harvard
Medical School , 250 Longwood Ave , Boston.通讯联系人:武宝 .
铁对尖刺拟菱形藻生长及光合作用的影响
左冬梅1 , 　韩志国1 , 　武宝 2
(暨南大学 1.水生生物研究所 , 2.生物工程学系 , 广东 广州 510632)
[ 摘　要] 　目的:研究铁对尖刺拟菱形藻生长及光合作用的影响 , 探讨其作用机制及生态意义.
方法:以赤潮硅藻尖刺拟菱形藻为材料 , 采用细胞计数 、测光合放氧和测 DCMU增益叶绿素荧光的
方法 ,研究了不同铁浓度对该藻生长和光合作用的影响.结果:尖刺拟菱形藻的最适生长铁浓度为
10-7 ～ 10-6 mol/L , 缺铁(10-9～ 10-8 mol/L)抑制其生长.在 10-9～ 10-6 mol/L ,随着铁浓度的增加 ,
光合放氧及叶绿素合成均受到促进 , 荧光增益比率 F D/ FN 上升 , 荧光产额 F/Chla 下降.结论:缺
铁使光合器官吸收的光能减少 ,光合电子传递链的活性降低 ,从而抑制光合作用 , 延缓生长.提出
“临界铁浓度”概念 ,并有可能作为预报赤潮的指标.
[ 关键词] 　尖刺拟菱形藻;　铁;　光合作用;　DCMU增益叶绿素荧光;　赤潮
[ 中图分类号] 　Q949.270.5 　　[文献标识码] 　A　　[ 文章编号] 　1000-9965(2002)05-0081-07
　　近年来 ,研究“高营养 、低叶绿素”(HNLC)海区初级生产力的主要限制因子成为海洋研究
的一个热点 ,人们曾认为光 、温度和摄食压力可能是导致HNLC的原因 ,但随着研究的深入 ,发
现微量元素尤其是铁才是真正的限制因子[ 1～ 5] .海水中的铁含量增加 ,可引起浮游植物细胞
密度和叶绿素浓度增大 ,与此同时海水中的大量元素迅速消耗 ,空气中的 CO2 浓度亦有所降
低.另外 ,海水中的铁含量与赤潮形成也有一定的关系[ 6 , 7] .已有研究发现 ,当人为向海洋中
加入铁后可引起水华或赤潮的发生[ 3 ,5 ,7] ,而导致水华或赤潮发生的一个重要因素就是铁含量
的增加促进了藻类的光合作用[ 2 ,4 ,8] .本文报告了铁对实验室内分批培养的赤潮硅藻尖刺拟
菱形藻的生长及光合作用的影响 ,以期为今后的海洋生态学研究提供参考.
1　材料与方法
1.1　材料
尖刺拟菱形藻(Pseudonitzschia pungens Grunow)于 1993年 5月采自深圳大鹏湾 ,常规方法分
离 ,保存于暨南大学水生所藻种室.
1.2　器皿处理
为减少铁污染 ,所用玻璃器皿均在 1 mol/L HCl中浸泡 2 ～ 3 d ,用双蒸水冲洗干净后备用.
培养用三角瓶在做上述处理后 ,继以 1∶50(体积比)二氯二甲基硅烷和氯仿硅化 10 min ,在
180℃下烘烤2 h.烘干的三角瓶在 1 mol/L HCl中浸泡 2 ～ 3 h ,双蒸水清洗后 ,160℃下干热灭
菌2 h备用.
第 23卷第 5期
2002年 10月　　　　　　
暨南大学学报(自然科学版)　　
Journal of Jinan University(Natural Science)　　　　　
Vol.23 No.5
　Oct.2002
1.3　培养方法和条件
培养液选用 f/2营养盐配方和 Aquil配方[ 9] .远洋海水经 Chelex -100离子交换柱(Bio
Rad)除去铁后配制 f/2和Aquil培养液 ,用 0.22μm滤膜过滤灭菌后备用.用 FeCl3·6H2O配制
铁储备液 ,加入到Aquil培养液中 ,使铁浓度分别为 10-9 、10-8 、10-7、10-6和 10-5 mol/L.
培养条件为:光照强度 50 ～ 60μE·m-2·s-1 ,光暗比 12 h∶12 h ,温度(22±1)℃.
先用 f/2培养液做批次培养 ,生长到对数期时用 3 μm滤膜收集藻种 ,再用 Aquil培养液洗
涤3次去铁 ,然后分别接种到含 10-9 ～ 10-5 mol/L 的培养液中 ,接种量为 6×103/mL.所用三
角瓶体积为1 000 mL ,培养体积为 400 mL.
1.4　生长曲线的测定
从接种第 2 d开始 ,每天取样 ,用0.1 mL 浮游生物计数框进行细胞计数 ,并按下列公式计
算生长速率(μ)和世代时间(g):μ=(lnN2 -lnN1)/(t 2 -t1), g =0.693 1/μ,其中 t 1、t2为
培养时间;N2和 N1分别为培养 t 2和 t 1时的细胞密度[ 10] .
1.5　光合放氧的测定
光合放氧按照李德耀等[ 11]的氧电极方法进行测定.藻液经 0.22μm 滤膜过滤后置于反应
杯中 ,测定不同温度下的光饱和曲线以确定最适温度和最适光强 ,并在此温度和光强下 ,测定
不同铁浓度培养下该藻的放氧速率.
1.6　叶绿素 a含量的测定
用0.22μm 滤膜收集藻体后放入离心管内并加入 5 mL 质量分数为 90%的丙酮 ,在 4℃黑
暗下抽提 24 h ,然后3 000 r/min离心 5 min ,上清液在 752紫外可见分光光度计上测定 OD665 、
OD645和 OD630 ,空白为滤膜的丙酮提取液.Chla 含量用以下公式计算:Chla(mg/m3)=(11.6×
OD665-1.31×OD645-0.14×OD630)×Va/ Vc ,Chla(mg/cell)=Chla(mg/m3)×106/N ,其中 Va和
Vc分别为丙酮的体积(mL)和样品的体积(L), N为样品的细胞密度(cell·mL-1)[ 12] .
1.7　活体叶绿素荧光的测定
用岛津(Shimadzu)RF-5000型荧光分光光度计测定尖刺拟菱形藻的 DCMU增益荧光 ,激
发光为 580 nm ,检测光为673 nm.DCMU处理是在10mL藻液中加入0.5 mL 10-5 mol/L 的DC-
MU ,暗处理30 min后测定.分别测定加入 DCMU前后的荧光强度(FN 和 FD),计算尖刺拟菱
形藻的DCMU增益荧光比率(F D/ FN)和荧光产额(F/Chla ,其中 F 即为FN).
2　结果
2.1　铁对尖刺拟菱形藻生长的影响
铁对尖刺拟菱形藻生长的影响十分明显(图 1),这种影响可分为 3种情况:①10-7 ～ 10-6
mol/L铁浓度下该藻生长良好 ,对数期明显 ,属于富铁型;②10-9 ～ 10-8 mol/L浓度下 ,对数期
不明显 ,生长受到抑制 ,属于缺铁型;③10-5 mol/L浓度下属于毒性状态 ,生长已受抑制.10-9
mol/L铁浓度下该藻生长 5 d时就进入静止期 ,细胞密度远远低于其他水平 ,缺铁限制尤为明
显.从表 1可以看出 ,随着铁浓度升高 ,生长速率增大 ,10-6 mol/L时达最大值 ,为 10-9 mol/L
时的 1.7倍 ,而 10-8与 10-9 mol/L铁浓度下的生长速率相近.除 10-5 mol/L外 ,世代时间随缺
铁程度的增加而延长 ,缺铁促使细胞分裂减慢.10-9 mol/L铁时的细胞密度远低于 10-7 mol/L
82　　 暨南大学学报(自然科学版) 2002 年
时 ,仅为后者的 22%.从铁作用的时间进程上看 ,2 d时作用尚不明显 ,3 d时显示出影响 ,至 6
d时效应最显著(图 1).
图 1　不同铁浓度对尖刺拟菱形藻生长的影响
表 1　铁对尖刺拟菱形藻各项生长指标的影响
c(Fe)/(mol·L-1) μ/d-1 t(世代)/ d σmax/(104·mL-1)
10-9 0.544 1.274 2.5
10-8 0.570 1.216 5.8
10-7 0.712 0.973 11.3
10-6 0.949 0.730 9.5
10-5 0.667 1.039 6.7
2.2　铁对尖刺拟菱形藻光合放氧的影响
从尖刺拟菱形藻的 P -I 曲线(图 2)可以看出 ,其光饱和点在 240 μE·m-2·s-1左右.以
240μE·m-2·s-1为最适光强测定了不同温度下的光合放氧(数据未示出),发现光合放氧的最
适温度为 25℃.
在25℃,240 μE·m-2·s-1光强下测定了不同铁浓度下光合放氧随培养时间的变化(图 3),
发现 2 d时铁的作用尚不明显 ,光合放氧水平较低 ,而富铁的比缺铁的略高;4 d时光合放氧均
有明显增加 ,以 10-6 mol/L 浓度下增加最多 ,约比其他浓度下的放氧高出 50%;6 d时 ,缺铁的
藻光合放氧已开始下降 ,而 10-7 mol/L 和10-6mol/L 浓度下仍有增加 ,以 10-7 mol/L下增加较
多;7 d时细胞开始衰老 ,光合放氧均显著下降 ,缺铁的藻光合放氧降低到生长初期(2 d)的水
平 ,而富铁状态仍比培养初期要高.从整个生长过程来看 ,缺铁状态下光合放氧达最大值时也
只相当于在10-6 mol/L浓度下最大值的 57%～ 64%.
P＊(O 2):光合速率;　　I:光强
图 2　尖刺拟菱形藻的 P-I 曲线
图 3　铁对尖刺拟菱形藻光合放氧的影响
2.3　铁对尖刺拟菱形藻叶绿素 a含量及荧光参数的影响
在对数生长期(4 d),铁对单位细胞的 Chla含量有显著影响(图 4).在 10-7 mol/L和 10-6
mol/L铁浓度下Chla 含量高 ,几乎无差别;而在 10-9 mol/L 和 10-8 mol/L下 ,Chla合成明显受
到抑制 ,只及前者的 37%～ 43%.
83第 5期 左冬梅等:　铁对尖刺拟菱形藻生长及光合作用的影响 　　
　　荧光产额(F/Chla)是一个有用的荧光参
数 ,它间接地反映出光合电子传递链的活性 ,
F/Chla 越高 ,光合电子传递链活性越低[ 13] .
结果表明 , F/Chla 随缺铁程度的增加而上升
(图 4),10-9 mol/L 铁时的 F/Chla明显高于其
他浓度 ,为 10-6 mol/L 铁时的 13.8倍 ,表明其
光合电子传递活性已受到严重影响.其次为
10-8 mol/L 铁时 ,其 F/Chla 约为 10-6 mol/L
铁时的3.7倍 ,说明其光合电子传递活性受影
响较小 .1 0-7mol/ L和1 0-6mol / L铁的 F / 图 4　铁对尖刺拟菱形藻Chla含量和 F/Chla的影响
Chla差异不明显 ,处于最低水平 ,表明光合电
子传递活性较高.
　　FD/FN 是表示植物(含藻类)光合潜力的
指标[ 14] .图 5示出不同铁浓度下 FD/FN 随时
间变化的结果.从结果可以看出 ,该比值在 2
d时就显示出细微差别 ,缺铁时 F D/F N 接近
于1 ,荧光几乎没有增益;而富铁时 FD/FN 均
大于 1 ,以 10-7 mol/L 时最高 ,光合潜力最大.
4 d时铁的作用明显显示出来 ,缺铁时的 F D/
FN 均为 1.1左右 ,与 2 d时相比增加不多 ,而
富铁时则有明显增加 ,10-6mol/L浓度下增加
图 5　铁对尖刺拟菱形藻 DCMU增益荧光比率的影响
约50%,为 10-9 mol/L 下的 1.5倍 ,光合潜力开始超过 10-7 mol/L 时.6 d时最低和最高铁浓
度下的 FD/ FN 均开始下降 ,10-9 mol/L 浓度下下降到 1 ,接近生长初期的水平 ,而 10-6 mol/L
下只略有下降 ,仍比 2 d时高出约 50%;10-8 mol/L下增幅不大 ,仍处于 1.1附近的水平 , 10-7
mol/L下略有升高.在整个生长过程中 ,缺铁状态下的 FD/FN 值一般较小 ,尤其是 10-9 mol/L
浓度下 ,始终处于 1附近 ,说明光合潜力很低;而富铁状态下光合潜力均有显著提高.
3　讨论
3.1　铁对尖刺拟菱形藻生长的影响
大量研究表明 , 铁对浮游植物的生长具有促进作用 , 是浮游植物生长的限制因子之
一[ 1 ～ 5] .本实验结果表明 ,铁在尖刺拟菱形藻的生长过程中起着重要的作用 ,缺铁不仅使其生
长速率降低 ,世代时间延长 ,而且不能维持较高的种群密度 ,生长到静止期时 , 10-9 mol/L 和
10-8 mol/L铁浓度下的细胞密度分别只为 10-7 mol/L 下的 22%和 50%(图 1 ,表 1).因此 ,铁
浓度低于 10-8mol/L 时已成为尖刺拟菱形藻的生长限制因子.Rueter等[ 15]认为 10-7 mol/L铁
是中四尾栅藻(Scenedesmus quadricauda)的最适生长浓度 ,而 10-6 mol/L铁已开始产生毒性.尖
刺拟菱形藻与之有所不同 , 10-6 mol/L 铁仍能促进其生长(如生长速率 μ、Chla 含量 、F/Chla
84　　 暨南大学学报(自然科学版) 2002 年
等),并未表现出抑制作用(图 1 ,表 1).由于 10-6 mol/L 时该藻生长更快(μ最大),消耗营养
多 ,可能在 5至 6 d 之间已达最大细胞密度 ,因此真正的最大细胞密度未被及时记录下来.
10
-6
mol/L与 10-9mol/L 浓度下都比其他浓度下的藻提前 1 d衰老 ,但其原因则不同 ,前者是
由于生长过快造成 ,后者是因为铁的限制所致(图 1).10-7mol/L 已达维持尖刺拟菱形藻正常
生长所需的浓度 ,而 10-5 mol/L 则开始抑制生长.因此 ,本实验确定 10-7 ～ 10-6 mol/L铁是尖
刺拟菱形藻生长的适宜浓度范围.
3.2　铁对尖刺拟菱形藻光合作用的影响
光合作用是藻类生命活动中最重要的代谢过程 ,缺铁导致光合能力下降(图 3),使藻类生
长所需的物质和能量的供应降低 ,生长必然受阻.不同铁浓度下 ,光合放氧和光合潜力(F D/
FN)在培养第 2 d时表现出差异(图 3 ,5),而生长在第 2 d时仍处于滞后期(图 1),说明铁对光
合作用的影响快于对生长的影响.藻类必须首先通过光合作用准备足够的物质和能量 ,而后
生长才能进行.
铁对光合作用的影响通过它在生理生化过程中的功能表现出来.叶绿素的合成即离不开
铁[ 13] ,缺铁使尖刺拟菱形藻的 Chla含量大大降低 ,从而减少光能的吸收和利用.铁还可直接
或间接地影响光合电子传递[ 16] .细胞色素和Fe-S蛋白是光合电子传递链的重要组分 ,细胞
色素不仅在其合成过程中需要铁(类似于叶绿素的合成),而且其结构中的血红素亚基直接含
有铁.缺铁可以使细胞色素和 Fe-S蛋白的含量减少 ,降低电子传递的能力和效率.同时缺铁
还可导致类囊体膜超微结构的变化 ,使光合膜受损[ 2] ,而富铁则可使捕光色素复合体的截面积
增大 ,促进光的吸收[ 4] .所有这些影响都制约着能量的传递和利用.藻类吸收的光能传递到
反应中心后 ,一部分用来进行光化学反应 ,推动光合能量转换;一部分以热的形式耗散掉 ,叫非
辐射能量耗散;还有一部分则以叶绿素荧光的形式耗散掉 ,即辐射能量耗散.因此缺铁导致后
两种形式的耗散增加 ,表现为 F/Chla的升高和 FD/FN 的降低.
3.3　铁对尖刺拟菱形藻增殖机理研究的生态学意义
海洋中铁的含量很低 ,往往成为藻类生长的限制因子 ,现在已有大量证据表明HNLC 海区
的主要初级生产力限制因子是铁[ 1～ 5] .当海洋中有外源铁输入时 ,可引起浮游植物的迅速增
殖 ,条件适合时 ,甚至诱发水华或赤潮[ 3 ,5 ,7] .因此 ,研究铁对海洋浮游藻类增殖的作用时 ,首
先要确定在何种水平上铁开始产生限制作用 ,以便为预报水华或赤潮提供依据.
本实验结果表明 ,10-7 ～ 10-6 mol/L铁浓度已接近或达到尖刺拟菱形藻生长的饱和浓度 ,
属于富铁状态;10-9 ～ 10-8 mol/L 铁浓度时该藻的生理活动或生长开始或已受到明显的限制 ,
此时铁成为限制因子 ,属于缺铁状态.看来 10-8L ～ 10-7 mol/L是一个过度区间 ,铁对尖刺拟
菱形藻的限制水平应存在于这个区间之内 ,即存在着一个生长的“临界浓度”(可能是一个很小
的浓度范围),高于此浓度 ,生长向良好的方向发展 ,并可能达到较高的种群密度;低于此浓度 ,
生理活动受阻 ,生长向不良的方向转化 ,种群密度处于低水平.确定海洋中易引起水华或赤潮
的藻的“临界铁浓度” ,结合其他限制因子 ,有可能为水华或赤潮的预报提供重要依据.
85第 5期 左冬梅等:　铁对尖刺拟菱形藻生长及光合作用的影响 　　
　　本工作得到美国Woods Hole 海洋研究所D.M.Anderson博士的大力帮助 ,在此谨致谢忱 !
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86　　 暨南大学学报(自然科学版) 2002 年
Effects of iron on the growth and photosynthesis of red tide
diatom Pseudonitzschia pungens Grunow
ZUO Dong-mei1 , 　HAN Zhi-guo1 , 　WU Bao-gan2
(1.Institute of Hydrobiology;2.Dept.of Biotechnology , Jinan University , Guangzhou 510632 , China)
[ Abstract] 　Aim:To investigate the effects of iron on the growth and photosynthesis of the red tide di-
atom Pseudonitzschia pungens Grunow.Methods:The effect of different iron concentrations on
Pseudonitzschia pungens was studied by using cell counter technique , DCMU -enhanced chlorophyll
(Chl)fluorescence technique , and also by measuring photosynthetic oxygen evolution.Results:The op-
timum range of iron concentration for growth was 10-7～ 10-6mol/L.Within the range of iron concentra-
tion from 10-9 to 10-8 mol/L , the algal growth was inhibited.With the increase of iron concentration
from 10
-9
mol/L to 10-6 mol/L , photosynthetic oxygen evolution and Chl synthesis were promoted.DC-
MU-enhanced fluorescence ratio F D/FN increased and F/Chla ratio decreased with iron concentration
increasing.Conclusion:Iron deficiency led to decrease of absorbed light energy by reducing the cross-
section of light-harvesting complex.Iron deficiency also led to low photosynthetic electron transport ac-
tivity.All of these inhibited photosystems , reducing the absorption , transfer and utilization of light ener-
gy , and lowering the photosynthetic capacity.As a consequence , algal growth was inhibited.It is sug-
gested that the critical concentration of iron in seawater can be used as an indicator for the prediction of
red tide occurrence.
[Key words] 　Pseudonitzschia pungens;　iron;　photosynthesis;　DCMU-enhanced chlorophyll
fluorescence;　red tide
87第 5期 左冬梅等:　铁对尖刺拟菱形藻生长及光合作用的影响