全 文 ：铁胁迫诱导的赤潮异弯藻细胞生化组成变化 3
李东侠1 　丛　威1 3 3 　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】　研究了铁胁迫对赤潮异弯藻细胞生化组成的影响. 结果表明 ,铁胁迫下的细胞内所有色素浓度均
降低 ,同富铁条件相比 ,铁胁迫下的细胞内叶绿素 a 浓度降低 2 倍多 ,叶绿素 c 也有相当程度的降低 ,因
此 ,铁胁迫下的胞内叶绿素 c 与叶绿素 a 的比率变化不大. 铁胁迫下的细胞内类胡萝卜素的含量降低了
1. 5 倍 ,因此在铁胁迫下的细胞内类胡萝卜素相对于叶绿素 a 的比例升高 ,碳水化合物含量随培养基内铁
浓度降低而下降 ,与铁丰富条件 (10μmol·L - 1) 相比 ,受铁胁迫的细胞可溶蛋白电泳图谱中 17 kDa 和 55
kDa 附近的带明显增加 ,而在 20 kDa 和 35 kDa 附近的蛋白带降低.
关键词 　赤潮 　赤潮异弯藻 　生化组成 　铁胁迫
文章编号 　1001 - 9332 (2003) 07 - 1185 - 03 　中图分类号 　Q178. 53 　文献标识码 　A
Induction of biochemical composition in Heterosigma akashiwo under Fe stress. L I Dongxia1 , CON G Wei1 ,
CAI Zhaoling1 , SHI Dingji2 , OU YAN G Fan1 (1 N ational L aboratory of Biochemical Engineering , Institute of
Process Engineering , Chinese Academy of Sciences , Beijing 100080 , China ;2 Institute of Botany , Chinese A2
cademy of Sciences , Beijing 100093 , China) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2003 ,14 (7) :1185～1187.
The iron2stress mediated effects on biochemical constituents of red tide alga H. akashiwo were examined in Fe2
replete and iron deficiency ,and low iron batch cultures. The content of all pigments decreased under iron limita2
tion ,and the cellular chlorophyll a concentration decreased by more than 22fold compared to that under iron re2
plete condition. This change in Chl a was accompanied by a corresponding decrease in Chl c per cell , resulting in
no trend in the ratio of Chl c to Chl a. The cellular carotenoids content decreased by more than 1. 52fold com2
pared to that under iron replete condition. As a consequence , carotenoids/ chlorophyll a ratio increased in Fe2defi2
cient cells. Carbohydrate content was reduced under iron stress ,and total proteins decreased with the decrease of
iron concentration. A crude fractionation of the soluble proteins demonstrated that 17 kD and 55 kDa proteins in
soluble fraction were induced.
Key words 　Red tide , Heterosigm a akashiwo , Biochemical composition , Iron stress.
3 国家重点基础研究发展规划资助项目 (2001CB409706) .3 3 通讯联系人.
2002 - 12 - 18 收稿 ,2003 - 02 - 25 接受.
1 　引 　　言
近 20 年来 ,随着全球经济的发展 ,有害赤潮的
灾害性影响在全球急剧扩展 ,主要表现在赤潮爆发
的频率、规模和面积不断增大 ,发生海域逐年扩展 ,
持续时间逐渐增长 ,对海洋资源、生态环境和水产养
殖造成了极大危害[2 ] . 大陆阶段性排污和沉积物的
再溶解被认为是触发甲藻赤潮爆发的主要原
因[4 ,9 ] . 据 Martin 等[15 ]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 ,而硝
酸盐和磷酸盐浓度却很高 ,可以认为 ,铁胁迫是该海
区控制浮游植物生产力的主要因素. 随后在大洋进
行了一系列的补铁实验研究[3 ] ,结果证明铁的加入
触发了浮游植物的生长. 对赤潮藻在铁胁迫下的生
理响应研究很少. Greene 等[6 ]和 Henley 等[2 ]研究
了铁胁迫对光合作用的影响 ,黄化是藻对铁胁迫的
普遍反应[1 ] . 另外 ,铁胁迫可诱导特定蛋白 ,例如在
蓝藻和一些真核藻中不含铁的黄素氧还蛋白取代了
铁氧还蛋白 [10 ] . 研究表明 [13 ] ,在低铁 (低于 100
nmol·L - 1)和缺铁条件 (低于 10 nmol·L - 1) 下 ,赤潮
异弯藻光合作用活性都会发生变化. 本文通过观察
藻在两种铁胁迫下生化组成的变化 ,为研究赤潮爆
发机理提供科学依据.
2 　材料与方法
211 　藻种的保存
赤潮异弯藻 ( Heterosigm a akashiwo) 由中国科学院海洋
研究所提供 ,具体方法详见文献 [12 ] .
212 　培养基配制
　　具体方法详见文献 [12 ] .
213 　培养过程
具体方法详见文献[12 ] .
应 用 生 态 学 报 　2003 年 7 月 　第 14 卷 　第 7 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,J ul. 2003 ,14 (7)∶1185～1187
214 　色素提取与分析
　　色素用丙酮提取 ,于 4 ℃在暗处过夜 ,10 000 g 离心
10min 除去细胞. 以丙酮为空白 ,测定其在 630 nm 和 663 nm
下的光吸收值. 用 Jefferey 和 Humphrey 方程[8 ]计算叶绿素
a 和叶绿素 c 的浓度 ,并在 450 nm 波长下用消光系数 E1cm1 %
= 2500 mM - 1计算胡萝卜素含量 :
　　叶绿素 a (mg. L - 1) = 11. 43 ×OD663 - 0. 64 ×OD630
　　叶绿素 c (mg. L - 1) = 27. 09 ×OD630 - 3. 63 ×OD663
　　类胡萝卜素 (mg. L - 1) = (OD450 ×10 (103) / 2500
215 　蛋白浓度分析
　　将细胞超声破碎 ,10 000 ×g 离心 ,取上清采用修正的
Lowry 法[14 ]测定蛋白浓度 ,以牛血清白蛋白作为标准.
216 　可溶蛋白和膜蛋白的制备和聚丙烯酰胺凝胶电泳
(SDS2PA GE)
　　蛋白按照文献[10 ]描述进行 ,细胞沉淀用 2 ml buffer A
(50 mmol·L - 1 Tris2HCl 缓冲液 (p H 7)含有 100μmol·L - 1苯
甲基磺酰氟 (phenylmethysulfonyl fluoride ( PMSF) ) ,10 mmol
·L - 1 NaCl)重悬 ,随后在冰浴中超声破碎 3 min (300 W 输
出) ,4 ℃下 3000 rpm 离心 5 min ,将上清夜吸出 ,加入 50
mmol·L - 1 MgCl2 ,4 ℃下 50 000 ×g 离心 1h. 得到的上清液
含可溶蛋白 ,最后将可溶蛋白进行电泳 [11 ] .
217 　碳水化合物的测定
　　将细胞超声破碎 ,10 000 ×g 离心 ,取上清采用硫酚法测
定[5 ] ,以葡萄糖作标准.
3 　结果与分析
311 　铁胁迫诱导的黄化现象
　　如图 1 所示 ,胞内叶绿素 a 浓度随铁浓度的升
高而增大. 与高铁条件 (10μmol·L - 1) 相比 ,缺铁 (5
nmol·L - 1)和低铁 (100 nmol. L - 1 ) 下胞内叶绿素 a
浓度降低了 2 倍多. 叶绿素 a 可表示海洋浮游植物
自然种群的生物量 ,它以色素蛋白复合物形式存在 ,
是进行光合作用的主要物质 ,在蓝藻、真核藻和微管
植物中 ,细胞叶绿素含量降低 (即黄化现象) 是缺铁
的显著症状之一 ,这一方面是由于含铁的粪卟啉原
氧化酶可催化 Mg2原卟啉生成原叶绿素酸酯的反
应 ,因而铁可以通过影响原叶绿素酸酯的形成直接
调节叶绿素的合成 ;另一方面 ,在叶绿素合成反应的
初期 ,可利用铁的多少 ,控制着δ2氨基乙酰丙酸的合
成 ,因而造成缺铁细胞胞内叶绿素水平的下降 ,叶绿
素 c 相应降低. 因此 ,叶绿素 c 与叶绿素 a 的比例变
化不大 (图 2) . 此外 ,胞内类胡萝卜素的绝对浓度也
降低了 1. 5 倍 ,但小于叶绿素 a 的下降幅度 ,因而类
胡萝卜素与叶绿素 a 的比值随铁浓度的降低显著增
大 ,由铁丰富条件下的 0. 47 增大为缺铁 (5 nmol·
L - 1)和低铁条件 (100 nmol·L - 1)条件下的 0. 71 (图
2) . 叶绿素 c 和类胡萝卜素等在光合作用中 ,能吸
收光能并将能量传递给叶绿素 a 的反应中心分子 ,
此外 ,类胡萝卜素还参与氧化还原反应 ,具有很强的
结合氧的能力 ,能够防止叶绿素的光氧化 ,对叶绿素
a 具有保护作用. 低铁和缺铁细胞中 ,叶绿素 c 和类
胡萝卜素含量的降低必然会间接地导致光合作用效
率的下降.
图 1 　不同铁浓度下赤潮异弯藻细胞内的色素浓度
Fig. 1 Pigments concentration of H. akashiwo cells under different Fe
concentrations.
Ⅰ. 5 nmol·L - 1F , Ⅱ. 100 nmol·L - 1Fe , Ⅲ. 10μmol·L - 1 Fe. 下同 The
same below.
图 2 　不同铁浓度下赤潮异弯藻细胞辅助色素相对于叶绿素 a 的含量
Fig. 2 Abundances of accessory pigments relative to Chl a of H. akashi2
wo cells under different Fe concentrations.
312 　铁胁迫条件诱导的特定蛋白合成
　　与铁丰富条件下细胞相比 ,在低铁浓度下藻细
胞胞内的总蛋白含量都较低 (图 3) . 尽管蛋白总量
在低铁和缺铁细胞中减少了 ,但仍有一些蛋白分子
含量会增加. 图 4 是胞内可溶蛋白的 SDS2PA GE 电
泳图 ,当同等浓度的蛋白上样时 ,可溶蛋白在 35
kDa 和 20 kDa 附近的蛋白带在低铁和缺铁条件下
减小了 ,而在 17 和 55 kDa 附近浓度明显增加. 结
果表明 ,缺铁胁迫条件诱导了某些蛋白积累 ,而抑制
另一部分蛋白合成.
313 　铁限制下藻细胞内碳水化合物变化
　　由图 5 可知 ,碳水化合物含量在低铁和缺铁条
件下 ,相对于铁丰富条件的细胞含量都有一定程度
6811 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　14 卷
图 3 　不同铁浓度下赤潮异弯藻胞内蛋白的变化
Fig. 3 Changes in protein contents of H. akashiwo cells under different
Fe concentrations.
图 4 　不同铁浓度下培养的赤潮异弯藻细胞内可溶蛋白电泳图
Fig. 4 SDS2PAGE profile of soluble proteins of cells grown under differ2
ent Fe concentrations.
泳道 1 :Lanes 1 ,标准蛋白 : Markers proteins ,泳道 224 : 5 nmol·L - 1
Fe ,100 nmol·L - 1 Fe 和 10μmol·L - 1 Fe 条件下可溶蛋白 Soluble pro2
teins from 5 nmol·L - 1 Fe , 100 nmol·L - 1 Fe and 10μmol·L - 1 Fe
cells.
图 5 　不同铁浓度下赤潮异弯藻细胞碳水化合物含量的变化
Fig. 5 Carbohydrate content of H. akashiwo cells under different Fe concen2
trations.
的下降 ,而且随铁浓度的降低 ,下降幅度愈剧烈. 铁
胁迫条件下的细胞碳水化合物含量的降低 ,是其光
合作用效率下降的必然结果. 碳水化合物含量在最
初的几天里下降并不大 ,但随着培养时间的延长 ,其
下降幅度有增大的趋势.
4 　结 　　语
　　铁胁迫可引起赤潮异弯藻细胞生化组成的变
化 ,包括色素、碳水化合物和蛋白等 ,从另一方面说
明 ,铁触发赤潮异弯藻生长的原因是促进了叶绿素
的合成 ,加速蛋白和碳水化合物的生成 ,使得细胞在
高铁浓度下迅速生长 ,成为群体优势 ,以致爆发该藻
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.
E2mail : lidongxia1974 @yahoo. com
78117 期 　　　　　　　　　　　李东侠等 :铁胁迫诱导的赤潮异弯藻细胞生化组成变化