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条斑紫菜壳孢子的抗生素敏感性研究



全 文 :文章编号:1674-5566(2012)06-0982-07
条斑紫菜壳孢子的抗生素敏感性研究
收稿日期:2012-04-18   修回日期:2012-05-24
基金项目:国家高技术研究发展计划(2012AA10A411);国家自然科学基金(31072208);农业部公益性专项(200903030);国家农业
科技成果转化资金项目(2011GB2C000005);上海市科学技术委员会重点科技攻关项目(10391901100);国家海洋局公益
专项(201105008,201105023);上海市教育委员会海洋生物学重点学科建设项目(J50701)
作者简介:薛兆亮(1983—),男,硕士研究生,研究方向为海藻遗传育种。E-mail:xzl1983@hotmail.com
通讯作者:严兴洪,E-mail:xhyan@shou.edu.cn
薛兆亮,严兴洪
(上海海洋大学 水产与生命学院,上海 201306)
摘 要:以往研究紫菜细胞对抗生素的敏感性时,常以叶状体的酶解单离体细
胞为材料,但由于来自同一个叶状体的体细胞处于不同的分化阶段,离体培养
时,体细胞的成活、再生和发育途径均不相同,从而无法准确地判断抗生素对紫
菜离体细胞的生长和发育影响。以成活、萌发和发育途径等几乎一致的条斑紫
菜壳孢子为研究材料,较系统地观察了3种抗生素对壳孢子的成活、生长和发
育的影响。结果表明:卡那霉素能促进条斑紫菜壳孢子的萌发、生长和发育。
加卡那霉素培养7d,26%的壳孢子萌发体,其细胞数多于20个,比对照组多2
倍,培养11d和18d,萌发体的平均长度分别为对照组的1.6倍和2.1倍。氨
苄青霉素能显著地抑制条斑紫菜的壳孢子萌发、生长和发育,造成细胞的分裂
速度减缓、叶状体发育异常。加氨苄青霉素培养7d,80%的壳孢子萌发体的细
胞数少于15个,培养11d和18d,各试验组的壳孢子萌发体的平均长度均显
著低于对照组,并且随着氨苄青霉素浓度的提高,萌发体的平均长度下降。氯
霉素对条斑紫菜的壳孢子具有强烈的致死作用。加氯霉素培养7d,浓度大于
100μg/mL的各试验组的壳孢子萌发体全部死亡;培养11d,低浓度组(50μg/
mL)的萌发体也全部死亡,90%以上的萌发体的细胞数小于5个。由此得出,
氯霉素是开展条斑紫菜基因工程的理想抗性选择压力。
研究亮点:探讨了3
种常用抗生素对条斑
紫菜壳孢子的成活、萌
发体的生长和发育的
影响,发现卡那霉素可
显著促进萌发体的生
长和发育,而氯霉素对
壳孢子具有强烈的致
死作用,它有望成为紫
菜基因工程的抗性选
择压力。
关键词:条斑紫菜;壳
孢子;氨苄青霉素;氯
霉素;卡那霉素
中图分类号:S 948
文献标志码:A
  紫菜是世界上最主要的人工栽培海藻之一,
具有很高的经济和营养价值[1]。但是随着紫菜
栽培面积的不断扩大,紫菜种质出现退化,病害
频发,严重制约了产业的可持续发展。目前,利
用传统的育种方法,一些具有优良经济性状的品
(种)系已被选育出来[2-3],但是传统选育的品种
(系)在多种经济性状组合方面较难实现,选育本
身存在一定的随机性,获得的品种存在许多不足
之处。而利用紫菜基因工程育种,具有性状改良
针对性强等优势,使得育种速度和效率显著提
高。因此,结合紫菜传统育种技术,开展基因工
程育种,选育出具有多种经济性状复合优势、抗
逆性强的紫菜新品种,对促进该产业的发展将具
有重要意义。
海洋藻类的基因工程起始于20世纪60年代
对蓝藻的研究,现今的海洋蓝藻基因工程已经在
基因克隆、定位、功能分析和表达调控等方面深
入而广泛的展开[4]。大型海洋藻类的基因工程
起步较晚,始于20世纪90年代,如 KUBLER
等[5]和 MIZUKAMI等[6]用电击转化分别获得了
Gus基因在朱红紫菜(Porphyra miniata)和条
斑紫菜(Porphyra yezoensis)的瞬时表达;王素
娟等[7]通过电转化获得了 Gus基因在坛紫菜
(Porphyra haitanensis)中的瞬时表达;武建秋
6期 薛兆亮,等:条斑紫菜壳孢子的抗生素敏感性研究
等[8] 用 基 因 枪 获 得 了 Cat 基 因 在 海 带
(Laminaria japonica Aresch)中的瞬时表达。
但是由于种种困难,均未能获得稳定表达的转化
体系,至今大型海洋藻类的基因工程还处于发展
初级阶段。
有效的抗性选择压是开展大型海藻基因工
程的基础,关于紫菜抗性选择压的研究主要集中
在抗生素对紫菜叶状体体细胞再生影响方
面[9-11],且大多数为定性描述抗生素对紫菜体细
胞生长和发育的影响。但是紫菜叶状体的体细
胞由于本身处于不同的分化阶段,在体外再生培
养时,具有各自不同的再生发育途径[12],因此难
以准确地判断抗生素对紫菜体细胞再生体生长
和发育的影响。而紫菜的壳孢子具有相同的发
育途径和趋势,几乎都能发育成一个完整的叶状
体。所以在研究紫菜抗性选择压时,如果以壳孢
子为研究材料,不仅可以弥补体细胞所存在的发
育能力和途径不相同的不足,而且还能为将来开
展转基因紫菜的培育时得到完整叶状体提供保
障。本文的目的是较系统地研究数种抗生素对
条斑紫菜壳孢子的萌发、生长和发育的影响,寻
找合适的抗生素作为抗性选择压,为今后开展紫
菜基因工程育种打下一定的基础。
1 材料与方法
1.1 条斑紫菜贝壳丝状体的培育与壳孢子释放
本试验所用的条斑紫菜为野生品系(WT-
LS),是由从江苏吕泗海区采回的一棵叶状体放
散的果孢子萌发而来,在实验室以自由丝状体保
存[13]。
取适量的条斑紫菜自由丝状体,加入少量灭
菌海水,用打碎机打碎。将打碎的丝状体均匀喷
洒在清理干净的文蛤壳上,培养液由灭菌海水加
MES培养基[14]配置而成。培养条件:暗光培养3
d后,光照密度为40~50μmol/(m
2·s),光周期
为10L∶14D,温度为(18±0.5)℃。移植10d
后,清除表面多余的自由丝状体,随后每7天洗
一次贝壳。培养至40d左右,丝状体长满贝壳表
面,转移到24℃下进行促熟培养。其它培养条
件:光照密度30μmol/(m
2·s),光周期8L∶16
D,每10天清洗一次贝壳。大约促熟培养30d
后,大量膨大藻丝形成,贝壳丝状体被用于采壳
孢子。
取2个成熟的贝壳分别置于250mL烧杯
中,同时加入100mL含 MES培养液的灭菌海
水,在18℃下充气培养,促进壳孢子的形成和放
散。每天更换培养液,并同时镜检壳孢子放散情
况。当每滴水中的壳孢子密度达到10个左右/
视野(10×)时,收集壳孢子到培养皿中,用于抗
生素处理试验。
1.2 抗生素的配制
本研究选用了卡那霉素,氨苄青霉素和氯霉
素(购自上海生工生物工程有限公司)3种抗生
素,均用无菌去离子水配制,经过0.22μm 的滤
膜过滤除菌,于-20℃保存备用。
1.3 条斑紫菜壳孢子对抗生素的敏感试验
在各培养皿中,分别放入相同数量的壳孢
子,在实验组中分别加入含有不同种类和浓度的
抗生素的培养液(表1),对照组未添加抗生素。
每个试验组设置3个平行组,每隔4d镜检一次,
统计孢子或萌发体的存活个数,每个培养皿取40
个视野(10×)。孢子存活率为存活的孢子个数
占初始孢子总数的比例。隔7d换一次培养液,
同时补加抗生素。培养3周,在此期间统计壳孢
子的形态、颜色、分裂和萌发体的生长等情况。
孢子分裂率为分裂的孢子个数占存活孢子总数
的比例。
表1 抗生素对条斑紫菜壳孢子生长发育
影响的试验设计
Tab.1 Experimental design of the effect of different
antibiotics on the growth and development of
Porphyra yezoensis conchospores
抗生素种类
试验组
抗生素浓度/(μg/mL)
对照组
卡那霉素 100  200  300  500  0
氨苄青霉素 100  200  300  500  0
氯霉素 50  100  200  500  0
2 结果
在对照组中壳孢子的存活、分裂、萌发和生
长发育等均显正常(表2,图1,图版Ⅰ-1,5,
9);但在添加了卡那霉素、氨苄青霉素和氯霉素
的试验组中,壳孢子的生长和发育则受到了不同
程度的影响。
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上 海 海 洋 大 学 学 报 21卷
图版Ⅰ 用不同抗生素处理后的条斑紫菜壳孢子萌发体的生长与发育
PlateⅠ Growth and development of conchospore germlings of Porphyra yezoensis after treated by different antibiotics
1.对照组的壳孢子萌发体(日龄7d);2-4.分别为卡那霉素组、氨苄青霉素组和氯霉素组的壳孢子萌发体(日龄7d);5.对照组
的壳孢子萌发体(日龄11d);6-8.分别为卡那霉素组、氨苄青霉素组和氯霉素组的壳孢子萌发体(日龄11d);9.对照组的壳孢子
萌发体(日龄11d)细胞;10-11.分别为卡那霉素组和氨苄青霉素组的壳孢子萌发体(日龄11d)细胞。图中卡那霉素和氨苄青霉
素处理浓度均为500μg/mL,氯霉素处理浓度为50μg/mL,标尺均为25μm。
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6期 薛兆亮,等:条斑紫菜壳孢子的抗生素敏感性研究
表2 抗生素处理后条斑紫菜壳孢子的存活率
Tab.2 The survival rates of Porphyra yezoensis
conchospores after antibiotic treatment
抗生素
种类
抗生素浓度
/(μg/mL)
壳孢子的存活率/%
1d 4d 7d 11d
空白对照  0  100 91.0±1.7 86.6±4.1 84.9±3.2
卡那霉素
100  100 89.4±3.3 86.4±4.3 83.9±2.7
200  100 90.0±3.1 85.8±1.5 84.1±1.7
300  100 89.9±4.4 86.6±2.5 83.7±5.8
500  100 89.8±3.8 85.2±4.9 84.0±4.2
氨苄
青霉素
100  100 88.7±5.1 85.6±5.6 74.6±4.5*
200  100 87.6±2.5 84.5±2.7 72.3±3.1*
300  100 86.0±2.3 82.0±1.6 67.8±5.9*
500  100 85.3±1.9 79.0±6.3*66.5±4.9*
氯霉素
50  100 57.6±1.1**36.8±1.3** 0**
100  100 49.5±4.9** 0** 0**
200  100 41.8±4.1** 0** 0**
500  100 33.9±3.6** 0** 0**
注:*表示与对照组比呈显著差异(P<0.05);**表示与对照组
比呈极显著差异(P<0.01)。
2.1 条斑紫菜壳孢子对卡那霉素的敏感性试验
结果
与对照组相比,在添加不同浓度的卡那霉素
试验组之间,条斑紫菜壳孢子的存活率和分裂率
均没有显著差异(表2,图1)。显微观察也显示,
用卡那霉素处理过的壳孢子萌发体呈棕红色,细
胞排列紧密,叶状体发育良好(图版Ⅰ-2,6,
10)。
2.2 条斑紫菜壳孢子对氨苄青霉素的敏感性试
验结果
培养11d,加氨苄青霉素的各试验组的壳孢
子成活率明显比对照组低,且随着抗生素浓度的
提高,壳孢子存活率明显下降(表2)。
另外,发现不论浓度高低,卡那霉素处理对
壳孢子分裂均有显著的促进作用。培养7d,统
计处理组的平均数,细胞数多于20个的壳孢子
萌发体个体数达26.1%,比对照组高1倍多(图
2)。培养11d,壳孢子萌发体的平均长度显著大
于对照组(P<0.01),达到350μm(图3),其中最
大的个体体长已超过600μm。培养2周后,壳孢
子萌发体的平均长度超过1 500μm(图4),培养
皿中的壳孢子萌发体已经肉眼明显可见,藻体长
度远大于对照组(图版Ⅱ-1,2)。
  与对照组相比,氨苄青霉素处理组的壳孢子
分裂率略有下降(图1)。培养7d,统计处理组的
平均数,约60%的壳孢子萌发体所含细胞数
为1~10个,细胞数多于15个的个体数不足
20%(图2)。培养11d,各试验组的壳孢子萌发
体的平均长度显著低于对照组(P<0.05)。另
外,随着抗生素浓度的提高,萌发体的平均长度
呈现下降趋势(图3)。培养2周,壳孢子萌发体
的生长仍缓慢(图4),培养皿中可观察到壳孢子
萌发体颜色发黄,藻体短小(图版Ⅱ-3)。
另外,显微观察发现,氨苄青霉素处理组的
壳孢子萌发体,其细胞发育不正常,色素体的体
积明显变小,颜色变淡(图版Ⅰ-3,7,11)。
图1 抗生素及其浓度对条斑紫菜壳孢子分裂的影响
Fig.1 The division rates of Porphyra yezoensis
conchospores after 7days of culture with different
antibiotics at different concentrations
图2 抗生素处理7d后的条斑紫菜
壳孢子的发育情况
Fig.2 Development of conchospore germlings of
Porphyra yezoensis after 7days of culture with
different antibiotics
图3 不同浓度的抗生素处理11d的条斑紫菜
壳孢子萌发体的平均体长
Fig.3 Mean length of conchospore germlings of
Porphyra yezoensis after 11days of culture by
different antibiotics with different concentrations
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图4 不同浓度的抗生素处理18d的条斑紫菜
壳孢子萌发体的平均体长
Fig.4 Mean length of conchospore germlings of
Porphyra yezoensis after 18days of culture by
different antibiotics with different concentrations
2.3 条斑紫菜壳孢子对氯霉素的敏感性试验
与对照组相比,氯霉素各浓度组的条斑紫菜
壳孢子存活率和分裂率均显著降低。培养第7
天,浓度大于100μg/mL的各试验组,壳孢子已
全部死亡;培养第11天,50μg/mL组的壳孢子
也全部死亡(表2,图版Ⅱ-4)。显微观察发现,
氯霉素处理过的壳孢子,其细胞显黄绿色,星状
色素体消失,呈弥散状,90%以上的壳孢子萌发
体死亡时,其细胞数小于5个(版图Ⅰ-8,图2)。
图版Ⅱ 培养皿内抗生素处理21d的条斑紫菜壳孢子萌发体形态比较
PlateⅡ Comparison of conchospore germlings in petri dishes after being treated by antibiotics for 21days
1.对照组的壳孢子萌发体;2.卡那霉素(500μg/mL)处理的壳孢子萌发体;3.氨苄青霉素(500μg/mL)处理的壳孢子萌发体;4.氯霉
素(50μg/mL)处理的壳孢子萌发体。图中标尺均为1cm。
  综合上述结果说明,卡那霉素对条斑紫菜壳
孢子的生长和发育具有促进作用,能够加速细胞
的分裂,使得壳孢子萌发体的第一次横分裂明显
提前;氨苄青霉素对条斑紫菜壳孢子的生长和发
育存在一定的抑制作用,主要表现在减缓细胞的
分裂速度和影响细胞色素体的正常发育;而氯霉
素对条斑紫菜壳孢子的生长和发育具有强烈的
抑制作用。
3 讨论
在各类动植物基因工程中,卡那霉素,氨苄
青霉素和氯霉素是3种较为常用的抗生素标记。
但是每种抗生素的作用靶位不尽相同,已有研究
证明,卡那霉素是一种蛋白质合成抑制剂,通过
与30S核糖体结合而使 mRNA产生错读;青霉
素的抗菌作用可能和细胞壁合成相关;氯霉素也是
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6期 薛兆亮,等:条斑紫菜壳孢子的抗生素敏感性研究
一种蛋白质合成抑制剂,却是通过干扰核糖体蛋
白的合成而起作用[8]。因此,在本研究中,3种抗
生素对条斑紫菜壳孢子的生长和发育产生了不
同的影响可能缘于他们各自的作用机理不同。
离体的紫菜体细胞发育和分化问题比较复
杂[12,15]。卡那霉素对紫菜细胞的影响存在较大
的争议:沈怀舜和王素娟[10]认为卡那霉素会减缓
条斑紫菜体细胞的分裂和生长;张亚萍等[9]的研
究结果显示条斑紫菜体细胞对卡那霉素不敏感;
王萍等[16]发现卡那霉素>400mg/L能促进紫菜
组织块的生长。而本研究首次发现,卡那霉素能
显著加快条斑紫菜壳孢子的细胞分裂速度,从而
促进萌发体的生长和发育;即使在较低的卡那霉
素浓度下(100μg/mL),这个效果也十分明显。
但是卡那霉素为何能促进壳孢子的细胞分裂和
萌发体的生长和发育,有待于进一步研究。
本研究结果证明,氨苄青霉素对条斑紫菜壳
孢子的细胞分裂,萌发体的生长和发育均存在抑
制作用,这与以往关于氨苄青霉素对紫菜叶状体
体细胞的影响研究结果基本相符[9-11]。但本研
究发现,氨苄青霉素对条斑紫菜壳孢子的抑制作
用更多地表现在延缓细胞分裂和导致细胞色素
体发育异常等方面,而没有发现处理体细胞时出
现的抑制假根形成 [11]。
武建秋等[8]在海带转基因研究中认为氯霉
素是海带基因工程理想的抗性压;王素娟等和张
亚萍等研究得出Cat基因是有望成为条斑紫菜基
因工程理想的选择性标记基因[9-10],赵杨等[11]对
野生坛紫菜的体细胞研究初步表明,氯霉素可以
作为坛紫菜基因工程有效的抗性压。本文证明,
条斑紫菜壳孢子对氯霉素非常敏感,这与紫菜体
细胞的研究结果是一致的。即使在低浓度条件
下(50μg/mL),处理11d后的壳孢子萌发体的
细胞也全部死亡,说明氯霉素对紫菜细胞具有强
烈的致死效果,可以成为紫菜基因工程有效的抗
性压。
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上 海 海 洋 大 学 学 报 21卷
Studies on antibiotic sensitivity of conchospores in Porphyra yezoensis Ueda
(Bangiales,Rhodophyta)
XUE Zhao-liang,YAN Xing-hong
(College of Fisheries and Life Science,Shanghai Ocean University,Shanghai 201306,China)
Abstract:In the previous studies on the antibiotic sensitivity of Porphyra,the somatic cels isolated
enzymaticaly from Porphyra gametophytic blades were often used.However,the accurate analysis
of antibiotics effects on the survival,growth and development of the somatic cels was difficult,
because the somatic cels isolated even from a Porphyra blade had different regeneration capacity,
cel division and developmental pathways when they were cultured in vitro.In this paper,the
antibiotic sensitivities of Porphyra yezoensis conchospores which are almost the same in viability,
germinability and developmental pathways,were studied by treatment with kanamycin,ampicilin
and chloramphenicol.The obtained results demonstrated that kanamycin could promote the growth
and development of conchospore germlings.After 7days of culture,the cel number of 26%of the
conchospore germlings was over 20cels,which was twice as many as that of control group.After 11
and 18days of culture,the mean length of conchospore germlings was 1.6times and 2.1times longer
than that of control group,respectively.The treatment with ampicilin could inhibit the growth and
development of conchospore germlings,showing decrease of cel division rates and inhibitation of
germling development.After 7days of culture,the cel number was less than 15in 80% of
conchospore germlings.After 11and 18days of culture,the mean length of conchospore germlings
was shorter than that of control group,as ampicilin concentrations increased.The chloramphenicol
had strong lethal effect on conchospore germlings.When chloramphenicol concentration was higher
than 100μg/mL,the conchospore germlings died out after 7days of culture.The conchospore
germlings treated with 50μg/mL of chloramphenicol also died out after 11days of culture.The cel
number was less than 5cels in 90%of the dead conchospore germlings.Therefore,it was concluded
that the chloramphenicol is an effective selective pressure in genetic engineering of P.yezoensis.
Key words:Porphyra yezoensis;conchospore;ampicilin;kanamycin;chloramphenicol
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