全 文 ：研究报告 R纪迈照
温度 、 光强和 p H 对条斑紫菜抱子体和配子体类囊体膜上光
系统活性的影响
梁 军 ` , 3 , 张海霞 ’ , G u e n t e r F r i t z s e h Z , H a r t m u t M i e h e l Z , 彭国宏 `
( 1
. 中国科学院 海洋研究所 , 山东 青岛 2 6 6 0 7 1 ; 2 . M a x 一 p la n e k一 I n s t i t u t e o f B io p h y s i e s , F a n k f u r t a m M a in ,
G e r nr
a n y
,
-D 6 0 4 3 9
; 3
. 中国科学院 研究生院 , 北京 1 0 0 0 3 9 )
摘要 : 光合作 用研究 中 , 对于个体 发育过程中类囊体膜蛋 白结构和 功能的变化所知甚 少 , 其
中的一个限制 因素是 能否 纯化得到 大 量 高活性的稳 定且 均一 的膜蛋 白 。 作者 以 条斑 紫莱
( 尸or P h y ar ye oz en is ) 2 个不 同发育阶段 (抱子体和 配子体 )作为研究对 象 , 分 离得到 了抱 子
体和配子体的类囊体膜 , 在不 同的温度 、 光强 和 p H 下 , 时其 类囊体膜上的光 系统 活性进行
了研究 。 结 果表明 , 花 子体和配子体的 P SI 活性 均随温度和光 强 的升高而 呈现 一个先升高
后 降低的趋势 ,在温度 18 ℃ , 光强 为 2 320 lx 时具有最高的 P SI 活性 。 而抱子体和配子体的
P lS l 活性随温度和光强 的变化趋势不 明显 , 艳子体 P S H 活性在温度 18 ℃ , 光强 为 2 3 20 lx
时最高 , 配子体 P lS l 活性在温度 13 ℃ , 光 强为 2 8 0 1x 时最高 。 抱子体 P SI 在酸性条件下较
活跃 ,在 p H 5 . 4 时具有最高的 P SI 活性 , 配子体 P SI 在城性条件下较活跃 , P SI 活性在 p H
10
.
4时最高 ;抱子体 P lS l 活性 随 p H 的升 高呈现一 个先 升高后降低的趋势 , 配子体 P lS l 活
性随 p H 变化趋势不 明显 ,但都在 p H 8 . 0 处活性最高 。
关键词 :条斑紫菜 (尸or P h y ar y ez oe ns i、 ) ;抱子体 ;配子体 ;类囊体膜 ; P S I ; P S n
中图分类号 : 文献标识码 : A 文章编号 : 1 0 0 0 一 3 0 9 6 ( 2 0 0 5 ) 0 9一 0 0 1 4 一 0 5
条斑紫菜 (尸 or P h y ar ye oz en s i , )是一种大型海洋
红藻 ,具有抱 子体和 配 子 体的异 型世代交替生 活
史 lj[ 。 抱子体和配子体在形态 和生长环境上各不相
同 ,但都能进行光合作用 。 许多工作研究了植物和藻
类个体发育过 程 中光合作用 生 理特征方面 的变
化肆一月 ,但是对于个体发育过程中光合膜蛋白结构上
变化的研究 比较少 。 对条斑紫菜不同发育阶段光合
作用的研究 , 彭 国宏等川 发现 条斑紫菜在个体发育
过程中具有 2 种不同的藻胆体 。 潘洁等 6[] 研究表明 ,
条斑紫菜在个体发育过程中 2 个光系统间激发能的
分配有所不同 。 在配子体阶段 , P lS l 吸收到 的过多
激发能能够传递给 P SI ;而在抱 子体阶段 , P lS l 收到
的过多激发能没有传递给 P SI 。 这些 工作促使人们
进 一步 比较研究条斑紫菜抱子体和配子体类囊体膜
蛋白的结构 。 为了研究类囊体膜蛋白的结构 , 首先必
须分离得到有活性的类囊体膜蛋 白。 作者首次研究
了温度 、 光强和 p H 对条斑紫菜抱子体和配子体光
合膜蛋白活性 的影响 ,建立 了光合膜蛋白活性 的检
测方法 ,可 为下一步光合膜蛋 白结构 的比较研究提
供了依据 。
1 材料和方法
1
.
1 细胞培养和材料采集
1
.
1
.
1 条斑紫菜抱子体的培养
条斑紫菜抱子体培养在 P E S 海水培养基中川 ,
温度 18 一 21 ℃ , 光强为 50 lx ,光照培养箱通气培养 , 2
周后收集 。
1
.
1
.
2 条斑紫菜配子体的采集
条斑紫菜配子体于 3 月 中旬采 自青岛海滨汇泉
湾海域 ,采集后用海水漂洗后悬挂阴干 ,收集 ,保存于
一 2 0℃冰箱 ,使用前 24 h 取出 , 在 P E S 海水培养基中
静置恢复培养后用于实验 。
1
.
2 离体类囊体膜的分离
收稿 日期 : 2 0 0 4一 0 6一2 8 ;修回日期 : 2 0 0 4一 1 2一 1 0
基金项 目 : 国家 自然科 学基 金资助 项 目 ( 3B 3 0 2 30 1 9 , M a -x
P la n e k
一
G e s e ll s e h a f t )
作者简介 ;梁军 ( 19 7 9一 ) , 男 , 山东泰安人 , 硕 士 , 海洋生物学
专业 , E一 m a i l : l i a n g fj u n @ y a h o o . e o m ; 彭 国宏 , 通讯作者 , E -
m a i l
: g h p e n g @ m s
.
q d i o
.
a e
.
e n
海洋科学 / 2 0 0 5 年 /第 29 卷 /第 9 期
研究报告 月鬓黛履
K 3 F e ( C N ) 6
,
2 5 m m o l / L M
e s
( p H S
.
0 )
,
1 0 m m o l / L
N a C I
,
2 0 nr nr o l / L C
a
C I
: , 1 m o l / L g l y
e in e b
e t a in e 最
终体积是 2 m L〔` 0」 。
2 结果和讨论
用氧电极测定了分离得到的抱子体和配子体类
囊体膜上光系统的活性与温度 、 光强 和 p H 的关系 。
图 1 可以看出 , 温度在 13 一 2 ℃测试范围 内 , P SI 活
性呈现一个先升高后降低的趋势 , 在 18 ℃时抱子体
和配子体类囊体膜上 P sl 的耗氧速率达到最高 ,分别
为 5 7 0 拼m o l / ( m g . h ) 和 4 0 6 . 1 3 拌m o l / ( m g · h ) 。
13 1 5 18 2 0 2 2
温度 /℃
6054321
。ūǎ二,。任à、一。E二咬僻嘛瑕麟Sd
1
.
2
.
1 条斑紫菜袍子体类囊体膜的分离
条斑紫菜抱子体细胞培养 2 周后收集 , 过滤除掉
海水培养液后 ,将抱子体细胞用缓冲液清洗几次后 ,
悬浮于 30 m m ol / L 磷酸钠缓冲液 ( p H 7 . o ) 川 。 将抱
子体悬液在冰浴 的条件下进行超声波破碎 ( B ar ns o n
s o n i fi e r 2 5 0 )
,输出功率 4 o w , 工 作时间 6 0 m in 。 将
超声波破碎之后的溶液于 4 ℃ 、 10 o 0 r / m in 离心 10
m i n ( E p p e n d o r f 台式冷冻离 心机 ) , 离 心结束后 , 弃去
沉淀 ,取 上清液 于 4 ℃ 、 4 5 o o o r / m in 离心 3 0 m in
( B ec km a n T毛一 10 。 台式超速冷冻离心机 ) ,离心结束
后弃去上清液 ,用缓冲液溶解沉淀 , 液氮冷冻后 , 一 70
℃下保存 。
1
.
2
.
2 条斑紫菜配子体离体类囊体膜的分离
条斑紫菜配子体从冰箱取 出后 , 用 30 m m ol / L
磷酸钠缓冲液 ( p H 7 . 0) 清洗 2 次 ,挤干后液氮冻融 ,
转人研钵中迅速捣碎研磨后 , 冰浴中超声波破碎 ( U卜
t r a s o n i。 P r o e e s s o r , C o le & P a r m e r
,
U S A )
, 功率 6 0
W
,每次 3 m in ,共 30 次 。 超声波破碎后 的溶液于 4
oC
、
1 0 O0 0 r / m i
n 离心 1 5 m in ( J一 1 4 转子 , J Z一 H S 。 e n -
t r if
u g e
,
B e e k m a n
,
u s A )
, 离 心结束后弃去沉淀 , 取
上清液于 4 oC 、 4 0 O 0 0 r / m in 离心 l h ( T i一 4 5 转子 , L S -
5 0 u lt
r a e e n t r i f u g e
,
B
e e km a n
,
u s A )
, 离心结束后 ,弃
去上 清液 ,收集沉淀 ,并用缓冲液溶解沉淀 ,液氮冷冻
后 , 一 70 ℃冰箱保存 。
1
.
3 离体类囊体膜上光 系统活性测定
1
.
3
.
1 P S I 活性测定
P S I 的耗氧活性用 C l a r k 型氧电极测定 ( H a n s a t -
e e h C B I D e le e t r o d e
,
H
a n s a t e e h
,
U K )
。 甲 基 紫精
( m e t h y l v io l o g e n
,
M V ) 作为人 工电子受体 , 人工电
子供体是抗坏血酸钠 ( a s e o r b a t e , A S C ) 和 2 , 6 一d i-
e h lo r o p h e n o l
一
in d
o p h e n o l (D P IP )
。 活性测定过程 中 ,
含有 2 . 5一 5 . 0 拼g 叶绿素的一份 P SI 样 品被加到测
定液 中 。 测 定 液 : 3 0 m m o l / L M e s ( p H 8 . 0 ) , 3
m m o l/ L A SC
一
D P I P
,
0
.
1 m m o l / L M V
,
6 mm o l / L
D C M U ( d i
e h lo r o p h e n y l d im e t h y l u r e s )
,
6 mm o l / L 甲
胺 ( m e t h y l a m in e ) , 0 . 0 2 m m o l/ L K C N 。 最终体积为
1 m L仁9〕 。
1
.
3
.
2 P S l l 活性测定
P lS l 的放氧活性用 lC a kr 型氧电极测定 ( H a ns at -
e e
h C B I D e le e t r o d e
,
H a n s a t e e h
,
U K )
。
2
,
6
一
d i e h l
o r -o
p
一
b e n z o q u in o n e ( D C BQ )和铁氰化钾 ( K 3 F e ( C N ) 6 , 作
为人工电子受体 , 测定过程中的电子传递是从 H 2 0
到人工电子受体 L咬: BQ 和 K 3 F e ( C N ) 。 。 活性测定过
程 中 , 含有 2 . 5 到 5 . 。哆 叶绿素的一份 P lS l 样品被加
到测定液中。 测 定液 : 1 m m o l / L D C B Q , l m m o l / L
图 1 抱子体和配子 体离体类囊体膜上 P SI 的耗氧
活性与温度的关 系
F ig
`
1 T h e r e l a t i o n s h ip b e tw e e n P S I a e t i v i t y a n d
t e m p e r a t u r e o n t h e t h y la k o id m e m b r a n e o f
t h e s p o r o P h y t e a n d g a m e t o p h y t e
光强为 2 3 2 o l x ,叶绿素浓度为 15 拜 g / m L
li g h t in t e n s it y 2 3 2 0 l x
,
cone
nt
r a t io n o f Chlo ro
p
hyl 1 5 拜g / 订止
6 0 0
5 0 0
4 0 0
3 0 0
2 0 0
10 0
0
1 9 8 0 2 3 2 0 2 8 0 0
光强 / {x
3 2 0 0 3 7 2 0
圣·口E弓。任二哭阶则嘛麟一Sd
图 2 抱子体和配子体离体类囊体膜上 P SI 的 活性
与光强的关系
F ig
.
2 T h e r e l a t i o n s h iP b e t w e e n P S I a e t iv i t y a n d
l ig h t i n t e n s i t y o n th e t h y l a k o i d m e m b : a n e o f
t h e s p o r o ph y t e a n d g a m e t o p h y t e
温度为 18 ℃ ,叶绿素浓度为 15 ” g /m L
t e m p e r a t u r e 1 8 ℃ , e o n e e n t r a t i o n o f C h lo r o p h y l 1 5 产g / m L
M
a r in e S e i e n e e s / V
o l
.
2 9
,
N o
.
9 / 2 0 0 5
研究报告
由图 2可知 , 光强 在 1 980 ~ 3 730 lx 测试范围
内 , P S I活性也呈现 一个先升高后降低的趋势 , 当光
强为 2 3 2 o lx 时抱子体和配子体类囊体膜上 P SI 的
耗氧速率达到最高 ,分别为 570 拜m ol / ( m g · h) 和
4 0 6
.
1 3 拜m o l / ( m g · h ) 。
抱子体和配子体离体类囊体膜上 P lS l 的活性随
温度的变化关系 (图 3) 显示 ,抱子体离体类囊体膜上
P S ll 在 1 8℃时其放氧速率为 4 7 0 . 2 5 拜m o l / ( m g ·
h)
, 高于 15 ℃和 2。 ℃的放氧速率 ;相同条件下配子
体离体类囊体膜上 P lS l 的活性随温度升高出现降低
的趋势 , 最高放氧速率为 6 1 4 . 2 5 拜m o l / ( m g · h ) , 此
时温度为 13 ℃ 。
70 0
6 0 0
50 0
4 0 0
3 0 0
2 0 0
10 0
0
翻 ` 勺 电 ~ ~ 妇吮 ~
月互卫生幸
强的继续增大 ,放氧速率回升 ,这可能是抱子体类囊
体膜对光强的一种诱导适应 , 也可能是类囊体膜的均
一状态差别所致 , 这有待进一步对测试条件等作详细
研究 。 配子体离体类囊体膜上 P lS l 活性相对较平
稳 , 光强 2 80 lx 时其放氧速率最大 , 可以达到 57 3 . 3
拜m o l / (m g · h ) 。
抱子体和配子体离体类囊体膜上 P SI 和 P lS l 的
活性在 p H S . 4~ 10 . 4 范围内的变化见 图 5 和图 6 。 分
离得到的抱子体离体类囊体膜 P SI 在酸性条件下较
活跃 , p H 5 . 4 时的耗氧速率为 2 4 2 . 4 拜m o l / ( m g ·
h) ;与此相反 ,配子体离体类囊体膜上 P SI 在碱性条
件下较活跃 ,其耗氧速率在 p H 10 . 4 时为 2 1 9 . 68
拌m o l / ( m g · h ) 。
万 3 0 「 — 袍子体
2 5 0
2 o
15 0
1 o
5 0
0
火笋火尸~一江
一 - - - - -一大 一 王 - -一江
5 4 6
.
5 7 8 9 10 4
口E弓。二哭铸则嘛撰一Sd
1 5 1 8 2 0 2 2
温度 /℃
圣·口Eà言二V璐因嘛澎工ld
图 3 抱子体和配子体离体类囊体膜上 P lS l 的活
性与温度的关系
F ig
.
3 T h e r e l a t io n s h ip b e t w e e n P S l l a e t i v i t y a n d
t e m p e
r a t u r e o n t h e t h y l a k o id m e m b r a n e o f
t h e s p o r o p h y t e a n d g a m e t o p h y t e
光强为 2 3 20 l x ,叶绿素浓度为 15 产g / m L
il g ht int
e n s i t y 2 3 2 0 lx
,
OnC
e e n t ra t lon of C h l
o ro phyl s 四 /mL
图 4表明 ,抱子体离体类囊体膜上 P S l l 活性当光强
达到 2 3 2 0 lx 时其放氧速率为 4 9 9. 9 5 拜mo l/ (吨 · h ) ,光
强为 2 SO O lx 时放氧速率下降到最低点 , 以后 随着光
图 5 抱子体和配子体离体类囊体膜 上 P sl 的活性 与
p H 的关系
F ig
.
5 T h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n P S I a e t i v i t y a n d p H
o n t h e th y la k o id m e m b r a n e o f t h e s p o r o p h y t e
a n d g a m e t o Ph y t e
温度为 15 ℃ ,光强 2 32 o l x ,叶绿素浓度为 1 5 拜g / m L
t e m p e r a t u r e l s ℃ , li g h t i n t e n s it y 2 3 2 0 l x , e o n e e n t r a t i o n o f
C h lo r o p h y l 1 5 产 g / m L
7 0 0
6 0 0
5 0 0
40 O
3 0 0
2 0 0
1 0 0
0
由图 6 可知 ,分离所得到的条斑紫菜抱子体离体
若 1 4 o o r
1 2 0 0
1 0 0 0
8 0 0
6 0 0
4 0 0
2 0 0
0
6E弓。任二哎铸跟嘛创dl
98 0 2 3 2 0 2 8 0 0 3 20 0 3 7 2 0光弧 / lx
5
,
4 6万 7 8 9 10 .4
PH
抱子体和配 子体离体类囊体膜上 P lS l 的活性 与
p H 的关系
T h e r e la t i o n s h iP b e tw e e n P S l l a e t i v i t y a n d p H
o n t h e t h y l a k o id m e m b r a n e o f t h e s p o r o p h y t e
若OEà盏。二受胳瑕嘛侧工-dD
图 4 抱子体和配子体离体类囊体膜上 P lS l 的活性与
光强的关系
F ig
.
4 T h e r e la t i o n s h ip b e tw e e n P S I a e t i v i t y a n d lig h t
i n t e n s i t y o n t h e t h y l a k o id m e m b r a n e o f t h e
s p o r o p h y t e a n d g a m e t o p h y t e
温度为 18 ℃ ,叶绿素浓度为 15 产 g / m L
t e m p e r a t u r e 1 8 ℃ , e o n e e n t r a t io n o f C h l o r o p h y l 1 5 拜g / m L
图 6
F ig
.
6
海洋科学 / 2 0 0 5 年 /第
a n d g a m e t o P h y t e
温度为 15 ℃ ,光强为 2 320 xl , 叶绿素浓度为 15 四 八1止
t e m p e r a t u r e 1 5 ℃ , l i g h t in t e n s it y 2 32 0 l x , e o n e e n t r a t io n o f
C h lo or p hy l 1 5 拜 g / m L
2 9 卷 /第 9 期
研究报告
类囊体膜上P l Sl 放氧速率在p H8. 0 时为10 7 3. 7 8
拌m o l /(mg ·h )。 配子 体离体类囊膜p Sl l 活 性 随
p H变化关系不 明 显 , 其放氧速率在 p H 8 . 。 时为
3 9 4
.
2 产m o l / ( m g
·
h )
,略高于其它 p H 条件下的放
氧速率 。
条斑紫菜抱子体和配子体类囊体膜 上光系统活
性均随温度 和光强 的变化而变化 , 但变化趋势略有
不 同 , 这可能与它们不同的生长环境有关 。 条斑紫菜
抱子体多生长在海底 贝壳中 , 而配子体则多 生长在
海边岩礁上川 , 由于生 长环境的不同可能造成 了二
者对光强和温度条件的不同的适应性反应 ,从而导
致了光系统活性 的差 异 。 P r a k a s h〔“ 〕等报道 , C u c u -
m i
: : at i vu
: 子叶衰老过程中捕光 天线组成 、 与反应中
心的结合状态 、 叶绿素分子的 比例等均发生变化 。 由
此推测 , 不同温度 、 光强和 p H 下条斑紫菜抱子体和
配子体的光 系统活性 的不同 , 也可 能由于二 者光系
统蛋白复合物上的亚基和 叶绿素分子 的组成差 异所
致 ,这有待于证明 。 研究温度 、 光强和 p H 对条斑紫
菜抱子体和配子体类囊体膜上光系统活性的影响 ,
是检测条斑紫菜光合膜蛋白活性的前提 , 也是 下一
步纯化有活性的光合膜蛋白的基础 , 从而为光合膜
蛋白结构的比较研究提供了依据 。
致谢 :非常感谢与马普生物物理所 G r ge or M ad ej
有意义的讨论 , 同时 感谢 V er en a iL n h ar d 的技 术协
助 。
( 3 )
:
2 6 1一 2 7 1 .
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P h y s i o 10 gy
,
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M a r i n e S e i e n e e s / V o l
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9 / 2 0 0 5
研究报告 只熙级吸
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t e m P e r a t u r e a n d P H o n t h e a c t i v i t i e s
o f t h e m e m b r a n e b o u n d P S I a n d P S l l o f s P o r o P h y t e s a n d g a m e
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t o Ph y t e s i n P o r P h y r a y e z o e n s i s
L I A N G J
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s p o r o p h y t
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e t e e t e d a t 1 8 ℃ a n d 2 3 2 0 l x , w h e r e o x y g e n e v o l u t i o n w a s 4 9 9 拌m o l / ( m g . h ) , w h il e t h e r e l -
a t iv e ly h ig h
e r a e t iv i t y o f P S l l f
r o m g a m e t o p h y t e w a s 5 7 3 拌m o l / ( m g . h ) , o b t a in e d a t 1 3℃ a n d 2 8 0 0 l x . T h e
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e t o p h y t e s s h o w e d n o s i g n if ic a n t c h a n g e i n t h e s a m e e o n d i t io n s
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s e r v a t io n s i m p ly t h a t t h e e o m p o s i t i o n o f s u b u n it s a n d o r g a n i z a t i o n o f e h lo r o Ph y l ls m ig h t b e d if f e r e n t b e t w e e n
P S I a n d P S l l p
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(本文编辑 : 张培新 )
l 8 海洋科学 / 2。。 5 年 /第 29 卷 /第 9 期