全 文 ：赤潮异弯藻在铁限制条件下的光谱特性*
李东侠1 丛 威1* * 蔡昭铃1 施定基2 欧阳藩1
( 1 中国科学院过程工程研究所生化工程国家重点实验室, 北京 100080; 2 中国科学院植物研究所
光合作用研究中心,北京 100093)
摘要 由活体吸收光谱可见, 赤潮异弯藻在叶绿素 c靠近红光区的吸收峰处, 由铁丰富条件下的 632
nm 向蓝漂移 2 nm. 由于类胡萝卜素相对于叶绿素 a的比值在铁限制的细胞内增大 ,因而受铁限制的细胞
活体吸收光谱在 480 nm 左右类胡萝卜素的吸收峰处增加了一个吸收峰. 赤潮异弯藻细胞低温荧光发射
光谱在 685 nm 处有一明显的发射峰 ,与铁丰富条件 ( 10 mol!L - 1)相比, 缺铁 ( 5 nmol!L - 1 )和低铁( 100
nmol!L - 1)细胞在 685 nm 处的荧光得率分别升高了 2 倍和 1. 4 倍. 补铁 48 h 后荧光得率则明显降低 ,表
明细胞在铁限制条件下存在大量能量耗散,降低了细胞光合作用效率.
关键词 赤潮 赤潮异弯藻 铁限制 荧光特性
文章编号 1001- 9332( 2003) 07- 1181- 04 中图分类号 Q178. 53 文献标识码 A
Spectroscopic properties of Heterosigma akashiwo under iron limitation. L I Dongxia1 , CONG Wei1, CA I
Zhaoling 1, SHI Dingji2, OUYANG Fan1( 1National L aboratory of Biochemical Engineering , I nstitute of Pro
cess Engineer ing , Chinese A cademy of Sciences, Beij ing 100080, China; 2 I nstitute of Botany , Chinese A cade
my of Sciences, Beij ing 100093, China) . Chin . J . A pp l. Ecol . , 2003, 14( 7) : 1181~ 1184.
Roomtemperature absorption spectr a of H . akashiw o cells under iron limitation showed a chlorophyll c absorp
tion peak at 630 nm, 2 nm blueshifted from its normal position of 632 nm. Mo reover , because of the increase in
the relativ e carotenoid abundance compared to Chl a, there was an ex tra shoulder peak at 480 nm for t he iron
limited cells. Their fluorescence spectra ( 77 K ) have one prominent chlorophyll emission peak at 685 nm. By
comparison wit h Fereplete cells ( 10 mol!L- 1 ) , t he fluorescence yield fr om 685 nm band increased by about 2
times in Fe deplete cells ( 5 nmol!L- 1) , and about 1. 4 times in low iron cells ( 100 nmol!L- 1 ) , respectively. 48
h after Fe addition, the height of 685 nm peak w as considerably decreased fr om t hat observ ed in low iron ( 100
nmol!L - 1) and iron deficient ( ID) cells before Fe addition, w hich indicated that ther e was a significantly higher
energy dissipation, and thus, a less effect ive pho tosynthesis under the lack of Fe.
Key words Red tide, Heter osig ma akashiw o, Iron limitation, Fluo rescence characteristics.
* 国家重点基础研究发展规划资助项目( 2001CB409706) .
* * 通讯联系人. Email: w eicong @ yahoo. com, w eicong@ home. ipe.
ac. cn.
2002- 12- 18收稿, 2003- 02- 25接受.
1 引 言
长期以来, 在对赤潮爆发机理的研究中, 多数学
者认为氮、磷等营养盐是造成赤潮爆发的物质基
础[ 16] . 随着研究的深入, 微量重金属对赤潮藻生理
生态的影响逐渐引起了人们的重视[ 11, 18] .据 Mart in
等[ 14]报道, 东北太平洋亚北极表层水体中铁浓度极
低,为 0. 05~ 2 nmol!L- 1. 此后,在某些高营养盐低
叶绿素( high nutrient , low chlorophy ll, HNLC)海区,
铁限制对初级生产力的控制引发了多 种争
论[ 2, 3, 5, 9] .鉴于铁对赤潮藻的生理生化作用, Rueter
等[ 18]研究认为, 在一定条件下铁是促使赤潮爆发的
因子之一. 铁限制对赤潮藻的生长和光合作用能产
生一系列影响[ 4, 6, 7, 12] . 通常,光合作用效率受铁的
有效浓度影响[ 15] ,铁限制缓解后叶绿素浓度增加以
及固氮速率增大. 然而, 铁对藻细胞光合作用影响
的报道很少.研究表明,除光以外许多因素均可以引
起微藻细胞光谱特性的改变. Sosik等[ 19]研究了盐
藻( Dunal iella tert iolecta )在氮源限制下的光谱特
征,发现氮源限制下不同生长速率的细胞活体吸收
和荧光得率都发生了变化. 通过研究赤潮异弯藻在
3种铁浓度(缺铁、低铁和高铁)下的光谱特征,揭示
受铁限制的藻细胞光吸收与正常细胞的差别,探讨
藻细胞在铁限制下的生物物理与生物化学基础.
2 材料与方法
2 1 藻种的保存
赤潮异弯藻( Heterosigma akashiw o )由中国科学院海洋
研究所提供, 常规保存在以 f/ 2 营养加富的 APSW 人工海水
中,培养基以微孔滤膜过滤除菌. 温度为 22∀ 0. 5 # ,光强为
60 mol!m- 2!s- 1, 采用的光暗比为 12 L∃12 D. 培养期间适
应 用 生 态 学 报 2003 年 7 月 第 14 卷 第 7 期
CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY, Jul. 2003, 14( 7)∃1181~ 1184
当振荡.
22 培养基配制
所有器皿在 5% ( v / v )盐酸中浸泡过夜, 然后用自来水
冲洗干净, 最后用超纯水冲洗. 人工海水 APSW[ 1]用超纯水
配制后,由微孔滤膜( 0. 2m)过滤除菌. 随后补加无菌的 f/
2 营养组分及除铁外的其它营养元素. 用无菌的 1 mol!L - 1
T ris 溶液调节 pH 值至 8. 0 ∀ 0. 2.
23 培养过程
在 3 只盛有 600 ml培养基的 1000 ml 锥形瓶中,铁浓度
分别加至 5 nmol!L - 1(缺铁, ID)、100 nmol!L- 1 (低铁, LI )和
10 mol!L- 1(高铁, HI) . 种液是将处于对数生长期的细胞
离心收集, 用无铁的 APSW f/ 2 培养基重悬. 细胞适应 6 d
后,按 5% ( v/ v)接种, 静置培养. 培养温度为 22 ∀ 0. 5# , 光
强为 60 mol!m- 2!s- 1, 采用光暗比为 12 L∃12 D,培养期间
适当振荡.
24 吸收光谱
吸收光谱用 Perkin Elmer UV3000 分光光度计测定, 细
胞悬液通过离心浓缩 5 倍,整细胞的活体吸收光谱以新鲜的
培养基作参比液, 测定其在 350~ 750 nm 范围内的吸收光
谱. 同时将另一部分细胞悬液离心, 用 100% 丙酮提取, 于 4
# 在暗处过夜, 10 000 % g 离心 10 min 除去细胞, 以丙酮为
空白[ 8] , 测定其在 350~ 750 nm 范围内的吸收光谱.
25 荧光测定
室温荧光激发光谱用 Perkin Elmer LS 55 荧光分光光度
计测定, 发射波长为 685 nm(狭缝 5. 0 nm ) . 荧光激发光谱
在 400~ 600 nm 范围内用吸收光谱标准化.低温 ( 77K )荧光
光谱用日立 F4500 分光光度计测定, 测定荧光发射光谱时,
荧光激发波长为 436 nm(狭缝 5 nm) , 荧光发射波长为 650
~ 780 nm(狭缝 2. 5 nm) .
3 结果与分析
31 不同铁浓度下藻细胞吸收光谱的变化
图 1是不同铁浓度下细胞活体吸收光谱, 用叶
绿素 a在红光区的吸收峰 674 nm 标准化,可见,在
图 1 不同铁浓度下赤潮异弯藻细胞在室温下的吸收光谱
Fig. 1 In vi v o absorpt ion spect ra of H . akashiw o cells under diff erent
Fe concent rat ions.
& . 5 nm Fe ID, ∋ . 100 nm Fe LI, ( . 10m Fe HI.下同T he same be
low .
低铁浓度的条件下,细胞的相对吸收较高,缺铁条件
下( 5 nmol!L- 1)细胞的相对吸收最高, 低铁条件下
( 100 nmol!L- 1)细胞相对吸收稍微低于前者,在高
铁条件( 10 mol!L - 1)下细胞相对吸收最低. 此外,
在丙酮提取液的吸收光谱中也观察到了这一趋势
(图 2) ,不同之处在于与细胞活体吸收相比, 所有吸
收峰都发生了向蓝漂移, 而且在低铁条件和缺铁条
件下,细胞丙酮提取液的吸收光谱几乎重合,与高铁
条件下细胞丙酮提取液相对吸收的差异更加显著.
在两种吸收光谱中, 低铁与缺铁条件下的吸收
在 480 nm 左右都明显地多出一个肩峰, 而在富铁
条件的赤潮异弯藻细胞的吸收光谱中缺失. 这个肩
峰是由类胡萝卜素岩藻黄素的吸收造成的,该峰的
出现与类胡萝卜素与叶绿素 a的比值升高有关. 在
铁限制条件下,这种色素蛋白复合物的相对量也相
应增多. 此外,在细胞活体吸收光谱中,叶绿素 c在
632 nm 左右的吸收峰向蓝光区漂移了 2 nm. 这种
色素吸收峰位置的漂移, 似可表明在铁限制下细胞
类囊体膜上的色素分子组成发生了相应变化[ 17] .
而色素组成的变化可以影响叶绿素 a在蓝光区的相
对吸收. 这是因为辅助色素的吸收会覆盖叶绿素 a
在该区的吸收光谱, 即层叠效应( packaging effect ) ,
层叠效应与细胞大小和胞内色素含量有关,另外还
和辅助色素相对于叶绿素 a 的量即色素组成有关.
由于在丙酮提取液中细胞和类囊体膜都被破坏, 细
胞色素层叠效应消失, 因而丙酮提取液吸收的任何
变化都由细胞内色素组成的变化引起. 色素组成的
比例结果表明,铁限制对色素含量及其相对组成会
产生一系列影响, 并表明了类囊体结构的变化.
室温条件下吸收光谱的吸收峰的数目和位置如
图 2 不同铁浓度下经丙酮提取的赤潮异弯藻色素吸收光谱
Fig. 2 Absorpt ion spect ra of H . akashiw o cells af ter ext racted w ith ace
tone under dif ferent Fe concent rations.
1182 应 用 生 态 学 报 14卷
表1所示. 在铁限制条件下, 室温吸收光谱出现一
个额外的明显吸收峰, 是岩藻黄素在 480 nm 处的
吸收峰. 因此, 由赤潮异弯藻细胞的室温活体吸收
光谱可以粗略判断铁的营养状况,反映细胞的营养
状态,并可为判断大洋中铁的浓度作为标准之一.
表 1 不同铁浓度下生长的赤潮异弯藻整细胞的吸收峰
Table 1 Absorption peaks of H. akashiwo grown under different iron
concentrations
铁浓度
Fe concent rat ion
色素吸收峰
Pigment absorpt ion peak ( nm)
5 nmol!L- 1 674 630 478 437
100 nmol!L - 1 674 630 480 437
10 mol!L- 1 674 632 no 437
32 不同铁浓度下的藻细胞的荧光光谱
321 77 K低温荧光光谱 图 3是由 436 nm 的光
激发的赤潮异弯藻低温( 77 K )荧光发射光谱. 在
685 nm 附近产生一个较宽的最大吸收峰, 并在红光
区有一宽而平缓且无明显峰的部分. 该发射光谱最
大的特点是,在不同铁浓度下发射峰的相对高度存
在差异. 与高铁条件( 10 mol!L- 1 Fe)相比, 在缺铁
( 5 nmol!L- 1 Fe)和低铁( 100 nmol!L- 1 Fe)条件下
细胞在685 nm 处的荧光得率分别升高了 2倍和1. 4
倍. 这表明在铁限制条件下, 藻细胞含有高荧光的
色素蛋白复合物.
图 3 不同铁浓度下生长的赤潮异弯藻细胞低温荧光发射光谱
Fig. 3 Lowt emperature fluorescence emission spect ra of H . akashiw o
cells grown under dif ferent iron concent rat ions.
补铁前后铁限制细胞的低温( 77 K )荧光发射
光谱如图 4所示. 补铁 48h后, 细胞在 685 nm 处的
荧光得率与补铁前相比均下降, 并且缺铁和低铁细
胞在补铁以后低温荧光发射光谱几乎重合. 据报
道[ 10]在 685 nm 和 695 nm 处的发射峰分别由 PS II
的中心天线色素蛋白 CP43 和 CP47发出. 结果表
明,在铁限制条件下, 细胞能量耗散较大, 从而降低
了细胞的光合作用效率, 这与我们前期的研究结果
一致. 这可能由于传递到 PS II 的一部分能量并未
直接传递给色素蛋白 CP43用于光合作用, 而是通
过 685 nm 区带的荧光耗散掉了[ 13] . 本实验结果表
明,细胞受铁限制严重时 PS II 反应中心激发能传
递效率降低. 这与光合作用效率降低结果相吻合.
图 4 低铁和缺铁条件下赤潮异弯藻细胞在补铁前后低温荧光发射
光谱
Fig. 4 Lowt emperature fluorescen ce emission spect ra of H . akashiw o
measured before and after the addition of iron in low Fe and Fe deficien
cy cultures.
1)补 F前缺 F Fe deficiency before Fe addit ion, 2)补 Fe后缺 Fe Fe de
ficiency after Fe addit ion, 3)补 F 前低F Low Fe before Fe addit ion, 4 )
补 Fe后低 Fe Low Fe after Fe addit ion.
322 室温荧光激发光谱 由图 5可见, 用活体吸
收光谱标准化后, 在 400~ 600 nm 范围内, 受铁限
制的细胞单位吸收的荧光值都比铁丰富条件的细胞
低. 这表明在铁限制下, 藻细胞从叶绿素和类胡萝
卜素传递的激发能降低[ 20] , 从天线色素到反应中心
的能量传递效率也降低. 这与低温荧光光谱一致.
图 5 不同铁浓度下赤潮异弯藻室温荧光激发光谱
Fig. 5 Spect ra of excitat ion f luorescence of H . akashiwo grown under
diff erent iron concent rations.
4 结 语
铁限制可引起赤潮异弯藻细胞生理生化的变
11837 期 李东侠等:赤潮异弯藻在铁限制条件下的光谱特性
化,而最重要的变化则是光合作用膜的组成和功能
的变化. 研究结果表明,细胞在铁限制下, 存在大量
的能量耗散,从而降低了细胞的光合作用效率. 同
时,也表明在低铁浓度下,细胞的生理生化特性已发
生很大变化. 因此,在该临界条件下,铁浓度的波动
会使藻细胞的代谢活动发生很大的变化, 铁浓度的
增加,会使细胞激发能的传递效率提高,从而提高光
合作用速率,表现为细胞生长加快,容易爆发该藻赤
潮.
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作者简介 李东侠, 女, 1974 年生,博士,主要研究环境胁迫
条件下微藻的生理生化特性, 发表国际国内期刊论文数篇.
Email: lidongx ia1974@ yahoo. com
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