全 文 :第31卷第9期
2012年9月
水 产 科 学
FISHERIES SCIENCE
Vol.31No.9
Sep.2012
氮、磷加富对条斑紫菜生长及生化组成的影响
李信书1,2,伏光辉3,陈百尧3,徐军田1,何培民2
(1.淮海工学院 江苏省海洋生物技术重点实验室,江苏 连云港 222005;2.上海海洋大学
水产与生命学院,上海 201306;3.连云港市海洋与水产科学研究所,江苏 连云港 222044)
摘 要:研究了氮、磷加富条件下条斑紫菜生长、光合作用、光合色素和生化组成的变化。试验结果表
明,单独添加氮时可促进组织氮的积累,包括游离氨基酸、藻红蛋白和藻蓝蛋白在内的可溶性蛋白的合
成,降低可溶性糖的含量。但对生长、最大光合作用、叶绿素a和类胡萝卜素含量无显著影响。单独添
加磷时,显著促进生长和光合作用,增加细胞内可溶性糖的含量。但对各光合色素、组织氮、游离氨基
酸和可溶性蛋白的合成无显著影响。同时加富氮和磷时,除显著降低可溶性糖的含量外,对其他各项
指标均有显著的促增长影响,其中游离氨基酸和藻红蛋白的含量增加尤为突出。试验还揭示了条斑紫
菜生长与光合作用、组织氮与可溶性蛋白含量、可溶性蛋白含量与游离氨基酸含量、叶绿素a含量与其
他色素含量之间正相关关系,以及可溶性蛋白含量与可溶性糖含量之间负相关关系。这些结果表明,
同时解除氮、磷限制,可以促进条斑紫菜快速生长,同时也有利于提升条斑紫菜的品质。
关键词:氮;磷;加富;条斑紫菜;生长;生化组成
中图分类号:S968.431 文献标识码:A 文章编号:1003-1111(2012)09-0544-05
收稿日期:2011-12-08; 修回日期:2012-01-31.
基金项目:江苏省科技厅科技支撑-社会发展项目(BE2011719);江苏省海洋生物技术重点实验室资助项目(2006HS006);上海市
水生生物学重点学科资助项目(S30701).
作者简介:李信书(1968-),男,副教授;研究方向:海藻生物学.Email:xinshul@sina.com.
条斑紫菜(Porphyra yezoensis)为具有重要经
济价值的大型海藻[1],作为海洋生态系统中的生产
者要素,与经济动物的氮、磷的代谢方式具有逆向
性,通过代谢作用来同化可溶性的氮、磷元素,吸收
环境中的营养盐成分,降低养殖环境中的富营养化
水平[2]。硝酸盐和磷酸盐是藻类生长所需的两个
重要要素,常常限制增长[3]。笔者试图通过氮、磷
加富解除氮和磷对条斑紫菜生长的限制,探讨不同
加富条件下条斑紫菜叶状体对营养盐的响应特点。
不仅为紫菜栽培的施肥提供理论依据,也为以条斑
紫菜进行海洋生态修复提供理论支持。
1 材料与方法
1.1 试验材料
条斑紫菜于2011年1月采自连云港海域养殖
区,自然海区的三态氮、活性磷浓度分别为7.1
μmol/L、0.21μmol/L。在8℃、光照度3500lx、光
暗周期为12h∶12h的条件下,用过滤的养殖海区
的自然海水(盐度为30)持续充气,培养7d。
1.2 生长的测定
由预培养的藻体中挑选出色泽鲜亮、植株长约
5cm、生长良好的个体,随机地放入试验用的1L
三角烧瓶中,培养密度约0.5g/L(鲜质量)。在
ZGX-300C智能光照培养箱8℃恒温培养,光照度
约3500lx,光暗周期为12h∶12h,持续通气。在
培养过程中,每2d更换一次新鲜培养液,共培养
6d。
试验设4个处理:对照组、+氮组、+磷组、+
氮+磷组,每个处理设3个重复。对照组使用过滤
自然海水(自然海水中NH+4 、NO-3、NO-2 和PO3-4 采用
《海洋监测规范》中的方法测定),未另外添加氮和磷。
+氮和+磷表示在过滤自然海水中添加 NaNO3、
Na2HPO4,使氮、磷终浓度分别为0.1mmol/L,0.01
mmol/L。试验海水盐度30.0。每隔2d测定一次藻
体的鲜质量。按下式求其相对生长率[4]:
相对生长率/%·d-1=(lnmt-lnm0)/t×100%
式中,mt 为第t日的鲜质量,m0 为初始鲜质量,t为试
验天数。
1.3 光合放氧的测定
光合放氧采用 Clark液相氧电极测定,通过
THD-0506超级水浴控制温度。光合反应介质为
过滤消毒的天然海水(pH8.2)。光源为卤钨灯,通
过调节光源与反应槽的距离而获得不同水平的光
照度,光照度用光量子计测定。饱和光强根据预试
验设定光照度20 000lx。所用紫菜0.015g(鲜质
量),反应介质体积2mL。
DOI:10.16378/j.cnki.1003-1111.2012.09.009
表1 不同氮、磷加富条件下条斑紫菜的生理生化指标
生理生化指标 对照组 +氮 +磷 +氮+磷
相对生长率/%·d-1 0.081±0.011a 0.072±0.006a 0.096±0.012b 0.112±0.003c
最大光合作用/μmol·(g·h)-1 145.5±17.1a 132.3±18.2a 177.4±21.4b 181.9±26.5b
氮含量/mg·g-1(干质量) 45.01±3.08b 54.55±2.54c 35.56±3.21a 62.64±5.54d
可溶蛋白/g·g-1 0.103±0.011a 0.127±0.031b 0.094±0.025a 0.186±0.032c
游离氨基酸/mg·g-1 8.93±0.58a 9.71±0.52b 8.48±0.22a 13.86±0.51c
叶绿素a/mg·g-1 0.828±0.132a 0.764±0.090a 0.766±0.077a 1.146±0.154b
类胡萝卜素/mg·g-1 0.265±0.032a 0.246±0.023a 0.258±0.02a 0.320±0.029b
藻红蛋白/mg·g-1 1.97±0.04a 2.25±0.15b 1.69±0.21a 4.43±0.31c
藻蓝蛋白/mg·g-1 0.783±0.079a 0.924±0.182b 0.765±0.112a 1.308±0.216c
可溶性糖/g·g-1 0.058±0.004c 0.048±0.003b 0.086±0.004d 0.031±0.001a
注:表中平均数左上角的不同字母表示同一行间差异显著(P<0.05).
1.4 生化指标的测定
参照 Welburn[5]的方法测定叶绿素a和类胡
萝卜素含量。参照Beer等[6]的方法测定藻蓝蛋白
和藻红蛋白。采用考马斯亮蓝 G-250染料结合
法[7]测定可溶性蛋白。采用茚三酮比色法测定游
离氨基酸。采用蒽酮-硫酸法测定可溶性糖。采
用微量凯氏定氮法测定细胞中的氮含量。
1.5 统计与分析
试验数据采用 One-way ANOVA或者 T-test
分析。设显著水平为P <0.05。
2 结果与分析
2.1 氮、磷加富对条斑紫菜叶状体生长与光合作
用的影响
不同氮、磷条件下培养6d的条斑紫菜叶状体
的特定生长率存在显著差异(F=114.354;P<
0.001)(表1)。对照组的相对生长率为8.1%/d,
+氮组、+磷组、+氮+磷组的相对生长率分别为
7.2%/d、9.6%/d、1.12%/d。与对照组相比,+磷
组的相对生长率增加了18.5%,+氮+磷组的相对
生长率增加了38.3%。t检验表明,+氮组与对照
组之间的相对生长率差异不显著(P >0.05),+磷
组的相对生长率较对照组有显著差异(P<0.05),
+磷组与+氮组间相对生长率差异也很显著(P <
0.05)。+氮+磷组的相对生长率较其他各组均有
显著差异(P <0.05)。
经过6d的培养,不同营养条件下藻体的最大
光合作用(Pmax)也表现出显著差异(F=6.920;P=
0.002)。其变化趋势与相对生长率的变化趋势相
似。对照组的最大光合作用为(145.5±27.1)
μmol/(g·h)-
1。+氮组的最大光合作用略有下
降,为(132.3±28.20)μmol/(g·h),但与对照组
间差异不显著(P>0.05)。+磷组与+氮+磷组的
最大光合作用分别为(177.4±31.4)μmol/(g·h)
和(181.9±36.5)μmol/(g·h),两者间无显著差
异。但两者与对照组及+氮组间均有显著差异(P
<0.05)(表1)。
最大光合作用(Pmax)与相对生长率存在线性正
相关关系,其关系可用线性方程来表示:y=0.0007
x-0.0199,r2 =0.91(y 为相对生长率,x 为
Pmax,图1)。
图1 不同营养条件下条斑紫菜最大光合作用
(Pmax)与相对生长率及其关系
2.2 氮、磷加富对条斑紫菜细胞氮、游离氨基酸和
可溶性蛋白含量的影响
6d培养结束后,测定藻细胞中氮元素含量的
结果表明,+氮组及+氮+磷组藻细胞的氮含量均
显著增加 (P<0.05)。分别增加了 21.2% 和
39.2%。与对照组相比,+磷组的氮含量则显著降
低了21.0%(P <0.05)。+氮+磷组则比+氮组
藻细胞的氮含量显著增加了14.8%(表1)。
不同营养条件对藻细胞的可溶性蛋白含量的
影响也极为显著(F=11.233;P<0.001)。可溶性
蛋白含量与细胞氮含量之间存在正相关关系[y=
0.0033x-0.0334,r2=0.85;或y=0.0365e0.0246x,
r2=0.90(y为可溶性蛋白含量,x为细胞氮含量,
图2)。+磷组的可溶性蛋白含量比对照组低
545第9期 李信书等:氮、磷加富对条斑紫菜生长及生化组成的影响
9.6%,但两者之间的差异不显著(P>0.05),+氮
组+氮+磷组的可溶性蛋白含量都显著高于对照
组和+磷组(P<0.05),且+氮+磷组的可溶性蛋
白含量又显著高于+氮组(P<0.05)。
图2 不同营养条件下条斑紫菜细胞氮含量与
可溶性蛋白含量及其关系
游离氨基酸的含量在不同营养组之间的差异
极为显著(F=76.921;P<0.001)。+氮组的游离
氨基酸的含量较对照组显著增加了8.7%(P<
0.05),而+磷组的游离氨基酸的含量较对照组略
有减少,但差异不显著(P>0.05),+氮+磷组游离
氨基酸的含量显著高于各组(P<0.05),高于对照
组55.2%,比+氮组高出42.3%(表1)。
条斑紫菜的游离氨基酸的含量与可溶性蛋白
的含量存在一定相关性,且+氮+磷组的游离氨基
酸的含量与可溶性蛋白的含量的相关性与其他组
不同,其相关关系可用y=31.959x+7.1298(r2=
0.63)表示。而其他营养条件下的游离氨基酸的含
量与可溶性蛋白的含量的关系可表示为y=15.834
x+6.7554(r2=0.82)(y为游离氨基酸含量,x为
可溶性蛋白含量,图3)。
图3 同时添加氮与磷及其他营养条件下可溶性
蛋白与游离氨基酸含量的关系
2.3 氮、磷加富对条斑紫菜光合色素含量的影响
不同营养条件对叶绿素a的含量也有显著影
响(F=3.001;P=0.050)。但+氮组和+磷组之间
及其与对照之间均无显著差异(P>0.05)。+氮+
磷组叶绿素a的含量则显著高于其他各组(P<
0.05)。类胡萝卜素(类胡萝卜素)的含量也受到营
养条件的显著影响(F=3.082;P=0.047)。其影响
的变化趋势与叶绿素a的变化趋势相似,即只有+
氮+磷组类胡萝卜素的含量显著高于其他各组
(P<0.05),其他组之间均无显著差异(P>0.05)
(表1)。
条斑紫菜叶状体细胞藻红蛋白的含量受到营
养条件的显著影响(F=23.033;P<0.001)。+氮
组藻红蛋白的含量显著高于对照组14.2%(P<
0.05);而+磷组的藻红蛋白的含量低于对照组
14.1%,但+磷组与对照组间无显著差异(P>
0.05);+氮+磷组的藻红蛋白的含量显著高出对
照组1倍多(124.8%)(P<0.05),也比+氮组高出
近1倍(96.9%)。
另一种藻胆素—藻蓝蛋白也受营养条件的显
著影响(F=4.000;P=0.019),受营养条件影响的
趋势与藻红蛋白的趋势相似。+氮组藻蓝蛋白的
含量显著高于对照组18.0%(P<0.05);而+磷组
的藻蓝蛋白的含量无显著差异(P>0.05);+氮+
磷组的藻蓝蛋白的含量显著高于对照67.1%(P<
0.05),也比+氮组高出41.6%。
测得的叶绿素a含量与各色素之间存在一定
相关关系,其中叶绿素a含量与类胡萝卜素含量之
间相关性较大,其相关关系可以表示为y=2.2467
x+0.8324(其中y为类胡萝卜素含量,x为叶绿素
a含量,r2=0.92)。叶绿素a含量与藻红蛋白和藻
蓝蛋白含量的相关关系分别表示为:y=3.3173x-
0.24(y为藻红蛋白含量,x为叶绿素a含量,r2=
0.69)和y=1.3404x-0.151(y为藻蓝蛋白含量,
x为叶绿素a含量,r2=0.65,图4)。
2.4 氮、磷加富对条斑紫菜可溶性糖含量的影响
不同营养条件对藻细胞内的可溶性糖含量存
在显著影响(F=144.472,P<0.001)。+氮组的
可溶性糖含量较对照组降低了17.2%,+氮+磷组
较对照组降低了46.6%。而+磷组则显著增加了
48.3%(P <0.05)。
藻细胞内可溶性糖含量与可溶性蛋白含量之
间存在负相关关系,它们之间的关系可表示为:y
=0.0031x-1.3454(r2=0.93)(y为可溶性糖含量,x
为可溶性蛋白含量,图5)。
645 水 产 科 学 第31卷
3 讨 论
营养盐对藻类的生长至关重要。在本试验中
单独添加磷的促长和促进光合作用的效果明显,同
时添加氮和磷促长效果最为明显。但单独添加硝
态氮,并未促进生长和光合作用,这可能是由于在
磷限制的情况下,过多的氮并不能被用来促进光合
产物的积累。可见在不添加氮和磷的状态下,紫菜
处于氮和磷的限制状态,尤其是磷限制更为明显。
Israel等[8]发现石莼(Ulva lactuca)的光合作用与
生长之间存在相关关系,这在本试验中也得到了证
实,条斑紫菜最大光合作用和相对生长率之间存在
很好的线性关系。
Lapointe[3]证实,大型海藻的光合速率对营养
盐水平的响应可用来测定营养盐缺乏的种类和类
型。这在本试验中也得到部分证实,但应考虑到营
养盐之间的相互影响,如果只添加一种元素,可能
得不到事实的真相,正如本试验中单独添加硝态氮
的情形。Lapointe[3]报道了提克江蓠(Gracilaria
tikvahiae)严重的磷限制可能影响氮的代谢,因为
磷是一些如三磷酸腺苷、二磷酸腺苷和磷脂等分子
结构的重要组成,从而影响氮的吸收。在本试验
中,单独加磷,可促进紫菜的光合作用和生长,但由
于氮供应不足,紫菜组织中的氮、可溶性蛋白、游离
氨基酸和各种含氮的光合色素含量反比对照组低。
环境中氮的增加可使紫菜藻体的氮含量显著
增加,从而促进了蛋白的合成,藻细胞可溶性蛋白
浓度与细胞中氮的量呈正相关关系也就不难理解。
但可溶性糖与可溶性蛋白之间存在负相关关系。
这可能是因为在氮供应充足的情况下,胞内的小分
子有机物大都以结合氮的形式(如氨基酸)存在的
缘故。
游离氨基酸含量被认为是决定干紫菜产品口
味的一个重要因素,其中谷氨酸、丙氨酸和牛磺酸
是游离氨基酸中最为重要的呈味氨基酸[9]。结果
表明,可溶性蛋白的增加同时伴随着游离氨基酸的
增加,同时解除氮和磷的限制可以显著提高条斑紫
菜中游离氨基酸的含量,这得到一个令人感兴趣的
问题:磷的供应可促进游离氨基酸的合成?因此营
养盐不仅影响条斑紫菜的生长,同时也影响条斑紫
菜的质量。这也提示,在紫菜养殖施肥时应考虑氮
和磷的这种协同作用。
营养盐条件差异影响条斑紫菜光合色素的组
成,导致光合作用能力的差异,从而引起生长的差
异。Vergara等[10]的试验表明,2种石莼(Ulva ro-
tundata、U.curvata)生长与叶绿素和组织氮之间
存在正相关关系。这在本试验中也得到部分证实。
本研究还发现,条斑紫菜的各种光合色素含量存在
一定的相关关系,其中叶绿素和类胡萝卜素之间关
系密切,叶绿素和藻红蛋白及藻蓝蛋白之间也存在
正相关关系。这说明色素的合成受到氮和磷供应
的影响,但这种影响并不平衡,以藻红蛋白的增加
最为显著。这可能是因为藻红蛋白和可溶性蛋白
作为大型藻类的主要氮库,在氮充足的条件下可大
量合成,为藻体储存多余的氮源[11],当环境缺氮时,
藻红蛋白等可溶性蛋白作为氮源而被部分利用。
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Effects of Nitrogen and Phosphorus Enrichment on Growth and
Biochemical Composition of Laver Porphyra yezoensis
LI Xin-shu 1,2,FU Guang-hui 3,CHEN Bai-yao3,XU Jun-tian1,HE Pei-min2
(1.Key Laboratory of Marine Biotechnology of Jiangsu Province,Huaihai Institute of Technology,
Lianyungang 222005,China;2.Aquaculture and Life Colege,Shanghai Ocean University,
Shanghai 201306,China;3.Marine and Fisheries Institute of Lianyungang City,Lianyungang 222044,China)
Abstract: The growth,photosynthesis,and some biochemical compositions were investigated in laver
Porphyrayezoensisunder enrichment of nitrogen and phosphorus.The results showed that when there
were significant increase in accumulation of tissue N including free amino acid,phycobiliprotein and solu-
ble protein,and reduction of soluble sugar in the laver enriched by only N,but there were not significant
effects on the growth,photosynthesis and the contents of chlorophyl a and carotenoid.Moreover,when
P were supplied only there were significant effects on the growth,photosynthesis and the accumulation of
sugar,but there were no significant effects on pigment contents,tissue N,free amino acid and soluble
protein.However,when N and P were simultaneously supplied,except soluble sugar content,the bio-
chemical compositions were almost enhanced,especialy the free amino acid and phycoerythrin contents.
The significant positive correlations among photosynthesis and growth,tissue N and soluble protein,free
amino acid and soluble protein,Chl a and other pigments were found,and the significant negative correla-
tions between soluble protein and soluble sugar were shown in the laver.These findings indicate that re-
lief of limit of N and P at the same time can promote growth rapidly and be conducive to quality enhance-
ment of the laver.
Key words:Porphyra yezoensis;nitrogen;phosphorus;enrichment;growth;biochemical composition
845 水 产 科 学 第31卷