全 文 :·研究报告·
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2016, 32(7):99-105
收稿日期 : 2015-11-09
基金项目 :浙江省公益项目(2015C32004),宁波市科技富民项目(2015C10062),宁波大学水产浙江省重中之重一级学科开放基金项目
(xkzsc1509)
作者简介 :黄艳花,女,硕士,研究方向 :藻类生物技术 ;E-mail :861246343@qq.com
通讯作者 :杨锐,女,博士,副研究员,研究方向 :藻类生物技术 ;E-mail :yangrui@nbu.edu.cn
温度对裂片石莼生长及叶绿素荧光特性的影响
黄艳花1,2 杨锐1,2 孙庆海3
(1. 宁波大学海洋学院,宁波 315211 ;2. 浙江省海洋生物重点实验室,宁波 315211 ;3. 温州市海虎海藻养殖有限公司,温州 325400)
摘 要 : 旨在研究裂片石莼(Ulva fasciata Delile)对温度适应机制,将藻体于 5℃、10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、
33℃、35℃培养 7 d,再经过 25℃培养 2 d,通过测定不同温度下裂片石莼的生长变化、叶绿素含量、叶绿素荧参数及 25℃再培养
后叶绿素荧光参数探讨不同温度对裂片石莼的影响。结果显示,25℃培养的藻体的生长、叶绿素含量、叶绿素荧光参数(Fv/Fm、
Fv/Fm、α、qP)等最大;随着温度的升高或者降低,各项生理指标逐渐降低,而非光化学淬灭系数 NPQ随着温度增大或者降低逐
渐升高,10℃培养最大,5℃、35℃条件下的各项生理指标最低。5℃、10℃、15℃、20℃、30℃下的藻体经过 25℃培养 2 d后 Fv/
Fm、Fv/Fm都有所提高,10℃培养后的藻体提高最大,33℃、35℃再培养后 Fv/Fm、Fv/Fm几乎没有变化。研究表明,裂片石莼生
长和光合作的最适温度范围为 15℃-30℃,5℃和 35℃分别为其最高和最低耐受温度,裂片石莼对低温的耐受性大于高温。
关键词 : 裂片石莼;温度;生长;叶绿素荧光
DOI :10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2016.07.015
Effect of Temperature on Growth and Chlorophyll Fluorescence of
Ulva fasciata
HUANG Yan-hua1,2 YANG Rui1,2 SUN Qing-hai3
(1. School of Marine Sciences,Ningbo University,Ningbo 315211 ;2. Key Laboratory of Marine Biotechnology of Zhejiang Province,
Ningbo 315211 ;3. Wenzhou Seatiger Seaweed Cultivation Co.,Ltd.,Wenzhou 325400)
Abstract: In order to study the temperature adaptation mechanism of Ulva fasciata Delile,culturing the U. fasciata under the
temperatures :5℃,10℃,15℃,20℃,25℃,30℃,33℃ and 35℃ for 7 d,and the growth change,chlorophyll content,and indexes
of chlorophyll fluorescence of U. fasciata at different temperatures as well as the parameters of chlorophyll fluorescence after re-culturing at 25℃
were examined to understand the effects of different temperatures on the U. fasciata. Results showed that growth rate,chlorophyll content,
the indexes of fluorescence(optimal photo-chemical quantum yield(Fv/Fm),effective optimal photo-chemical quantum yield(Fv/Fm),
photosynthetic light use efficiency(α),and photo-chemical quenching(qP))all reached the maximum at 25℃. All these physiological
indexes of the seaweeds decreased gradually when the temperature were higher or lower than 25℃,and the lowest at 5℃ and 35℃ ;however,
the non-photo-chemical quenching(NPQ)gradually rose with the increase or decrease of temperature,and till its maximum value at 10℃.
The Fv/Fm and Fv/Fm values of the samples of 5℃ to 30℃ groups increased a bit after they were recovered at 25℃ for 2 d,and the highest
increment occurred in 10℃ group. Meanwhile,the indexes did not change in the group of 33℃ and 35℃ after recovered cultivation. The results
indicated that the most appropriate temperature for U. fasciata to grow and photo-synthesis was in a range of 15℃ to 30℃,5℃and 35℃ were
the lowest and highest growth temperature respectively,and U. fasciata showed greater tolerance to low temperature than to high temperature.
Key words: Ulva fasciata ;temperature ;growth ;chlorophyll fluorescence
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2016,Vol.32,No.7100
裂 片 石 莼(Ulva fasciata Delile) 属 于 绿 藻 门
(Chlorophyta),石莼属(Ulva Linnaeus),为亚热带
性海藻,生长在风浪较小的大干潮线附近的岩石或
低潮带的石沼中,主要分布于福建、广东、广西、
海南等亚热带地区[1]。对浙江藻类的研究中发现有
裂片石莼的存在,并且近几年其分布位置出现了很
明显的北移现象。2002 年调查发现裂片石莼以台州
湾为分布北界存在于温州等浙南海域[2],2006 年裂
片石莼存在于浙南海域的南麓海域[3];2008 发现裂
片石莼在浙北海域、浙中海域、浙南海域均有分布[4]。
其它海藻例如马尾藻属(Sargassum C.Ag)海藻也出
现北移的现象,并且这种现象与气候变暖有较大的
关系[5]。气候变暖也是绿潮爆发的主要原因[6,7],
藻类的生长和生理代谢的不同是决定绿潮藻类型的
关键因素,而石莼属海藻是形成绿潮的主要成分[8],
因此研究温度对裂片石莼的生长及生理代谢的影响
对于研究藻类分布以及预防绿潮爆发十分必要。
温度对藻类的生长及生理代谢具有重要影响,
生长量的不同是藻类对不同温度最直观的反映。通
过 测 定 不 同 温 度 下 长 石 莼(Ulva linza)、 孔 石 莼
(Ulva pertusa Kjellm)生长量的差异研究了绿潮形成
机制[8,9]。通过比较不同温度下巨藻属(Macrocystis
Agardh)海藻生长量的变化确定了其在高温下不适
宜生存[10],根据不同温度下硬毛藻(Chaetomorpha
antennina(Bory)Kützing)的生长速率及生长状态
的好坏确定其生存温度范围[11]。温度对植物生长的
影响主要是通过调节植物体内生理生化反应来实现
的。来自于光系统 II 的叶绿素荧光对环境压力非常
敏感,能够反应光合系统损伤程度,对研究植物生
理代谢反应特别是光合作用受环境胁迫具有指示作
用[12]。目前研究环境因素对叶绿素荧光的影响主要
集中在研究 Fv/Fm(最大光化学量子产量)、Fv/Fm(有
效光化学量子产量)、光能利用效率(α)、qP(光
化学淬灭系数)、NPQ(非光化学淬灭系数)、rETR
(电子传递速率)等叶绿素荧光参数的变化。根据
不同温度下 α、rETR 叶绿素荧光参数的变化确定了
麒 麟 菜(Eucheuma denticulatum(Burman)Collins
et Hervey) 的 适 温 范 围 为 23℃-32℃[13], 通 过 研
究不同温度下 Fv/Fm 的变化筛选出了耐高温的海
带(Laminaria japonica Aresch)品种[14],造礁石珊
瑚(Scleractinian coral)的 Fv/Fm 随着温度的升高逐
渐降低表明其对温度较为敏感[15],杉叶藻(Hippuris
vulgaris L.)在高低温胁迫下 NPQ 会升高,qP、Fv/Fm
等则会降低[16]。
本研究通过研究不同温度下裂片石莼的生长及
叶绿素荧光参数,确定裂片石莼的生存温度范围及
对温度的响应机制,以期为藻类的迁徙消亡及绿潮
的爆发提供一定的理论依据。
1 材料与方法
1.1 材料
实验藻样于 2015 年 7 月采集自温州霞关。用灭
菌海水多次冲洗藻体,并用软毛刷轻轻刷洗藻体表
面,以去掉藻体表面泥沙及杂藻。将部分健康叶状
体培养于光照培养箱中备用,温度为 20℃,光强为
40 μmol/(m2·s)左右,光暗比为 12D∶12L。培养
液每 2 d 更换一次。
1.2 方法
1.2.1 藻体生长及相对生长率的测定 从上述预培
养的材料中挑选生长状态相似且健康的藻体,称量
0.2 g 藻体记为 M0,培养于含有 PES 培养液的 400
mL 海水中(海水∶PES=100∶2),处理温度为 5℃、
10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、33℃、35℃,光照
与预培养光照一致,光周期为 12D∶12L,每个处
理 5 个平行,周期为 7 d,每 2 d 换一次海水,每 2
d 称量一次藻体鲜重记为 Mt,t 为培养的天数。相对
生长率的计算[17]:
RGR=(lnMt-lnM0)/t
1.2.2 叶绿素含量的测定[18] 藻体培养同 1.2.1,
培养 7 d 后,称取 0.1 g 鲜重藻体,用 95% 的乙醇研磨,
取上清,再用 95% 的乙醇定容至 25 mL,用 721 分
光光度计测定 OD663、OD645。
按 Arnon 公式计算叶绿素 a、叶绿素 b 及总叶
绿素含量。
Ca=12.7OD663-2.69OD645(mg/L)Ma=Ca*25/0.1/
1000(mg·g-1)
Cb=22.9OD645-4.68OD663(mg/L)Mb=Cb*25/0.1/
1000(mg·g-1)
C=8.02OD665+20.21OD645(mg/L)M=C*25/0.1/
1000(mg·g-1)
2016,32(7) 101黄艳花等:温度对裂片石莼生长及叶绿素荧光特性的影响
1.2.3 不同温度下叶绿素荧光测定 藻体培养同
1.2.1,经过 5℃-35℃条件培养 7 d 后,将藻体组织
进行 20 min 黑暗处理,用便携式调制脉冲荧光仪
(WATER-EDF1.5B ;WALZ,Gemany) 测 定 叶 绿 素
荧光参数:Fv/Fm(最大光化学量子产量)、Fv/Fm(有
效光化学量子产量)、qP(光化学淬灭系数)、NPQ
(非光化学淬灭系数)、光能利用效率(α),测定后
将每个温度条件下培养后的藻体放到 25℃条件下再
培养,其他条件与之前相同,2 d 后再次测 Fv/Fm、
Fv/Fm。
1.2.4 数据统计和分析 采用 Origin8 软件对数据进
行处理和绘图,采用 SPSS13.0 中的 one-way ANOVA
对数据进行显著性分析,设显著性水平为 P<0.05。
2 结果
2.1 不同温度下裂片石莼生长及相对生长率的变化
不同温度培养裂片石莼的鲜重随时间的变化(图
1)显示,10℃-33℃的温度梯度培养下,随着培养
天数的增加,裂片石莼的鲜重不断增加,25℃增加
最多。5℃、35℃培养的裂片石莼随着培养时间的延
长出现了下降趋势。经过 7 d 不同温度培养后裂片
石莼的相对生长率(RGR)变化(图 2)表明,温
度低于 25℃,随着温度的升高相对生长率逐渐升
高,25℃最大 ;超过 25℃时随着温度的升高,5℃、
35℃条件培养的相对生长率显著小于其它几组温度
条件(P<0.05)。
2.2 不同温度培养的裂片石莼叶绿素含量及叶绿
荧光特性
2.2.1 不同温度下裂片石莼叶绿素含量 不同温度
培养后的裂片石莼叶绿素含量(图 3)显示,25℃
叶绿素 a(Chla)、叶绿素 b(Chlb)、总叶绿素(Chl)
含量最多,随着温度的升高或者降低,叶绿素含量
逐渐减少,这与不同温度下裂片石莼生长情况一致。
不同于 5℃条件下裂片石莼的生长显著小于 15℃、
10℃条件下的值,5℃下的 Chla、Chlb、Chl 含量与
15℃、10℃条件下无显著性差异(P>0.05)。 高温
33℃、35℃条件下裂片石莼的 Chla、Chlb、Chl 含
量 显 著 下 降(P<0.05),33℃ 下 的 Chla、Chlb、Chl
含量却显著小于 10℃、5℃条件下的值(P<0.05),
35℃培养的 Chla、Chlb、Chl 含量显著小于 5℃条件
的值(P<0.05),这与两种温度下的裂片石莼的生长
情况不同。可见裂片石莼对低温的耐受性优于高温。
2.2.2 不同温度下叶绿素荧光参数 不同温度下
的 Fv/Fm( 最 大 光 化 学 量 子 产 量, 图 4-A) 表 明,
25℃最大为(0.791),随着温度的增高或者降低,
Fv/Fm 逐渐下降,5℃、10℃、33℃、35℃条件下的
Fv/Fm 显著小于 25℃的值(P<0.05),分别为 25℃的
21.2%、70.8%、85.9% 和 20.4%。而不同温度处理
过的裂片石莼经过 25℃驯化 2 d 后测得的 Fv/Fm(图
4-B)表明,10℃培养过的裂片石莼再经过 25℃培
养后 Fv/Fm 显著性升高到 25℃的 97.3%(P>0.05),5℃
0.32
0.30
0.28
0.26
0.24
0.22
0.20
勌䟽g
0
5ć
10ć
15ć
20ć
25ć
30ć
33ć
35ć
1 2 3 4ཙᮠd 5 6 7 8
误差线表示标准差,下同
图 1 温度对裂片石莼鲜重的影响
0.08
0.06
0.04
0.02
0.00
-0.02 5
a
b
c c c c
b
10
R
G
R
/%d-1
15 25 33 353020
aᓖć
不同小写字母表示显著性差异(P<0.05),下同
图 2 温度对裂片石莼相对日均生长率的影响
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2016,Vol.32,No.7102
条件下的 Fv/Fm 升高到 25℃的 32.3%,33℃、35℃培
养的 Fv/Fm 变化不明显。
不同温度下的 Fv/Fm(有效光化学量子产量,
图 5-A)表明,趋势同 Fv/Fm 一样,温度低于 25℃时
随着温度的升高,Fv/Fm 逐渐升高,温度高于 25℃
随着温度的升高逐渐降低,25℃条件下的 Fv/Fm
(0.469)最大 ;5℃、35℃条件下的 Fv/Fm 显著低于
其他温度的值(P<0.05)。经过 25℃驯化 2 d 后测得
的 Fv/Fm(图 5-B)表明,10℃、15℃、20℃、30℃
的驯化值与 25℃的值无显著性差异(P>0.05)。5℃
提高为 25℃的 56.8%、33℃、35℃条件下的值没有
显著性提高,可见裂片石莼对于低温的耐受性显著
高于高温。
图 6 显示,不同温度下的 α(光能利用效率),
25℃最大,随着温度的升高或者降低 α 逐渐减小,
其变化趋势同不同温度下的 Fv/Fm 基本一致。不同温
度下裂片石莼的光化学淬灭系数 qP 和非光化学淬灭
系数 NPQ(表 1)表明,10℃-25℃随着温度的降低
qP 逐渐下降,NPQ 则逐渐升高,25℃-30℃随着温
度的升高 qP 降低,NPQ 显著增大,25℃具有最大
的 qP,10℃具有最大的 NPQ,5℃、33℃、35℃的
qP、NPQ 都显著降低,5℃、35℃最低。从叶绿素
荧光参数的变化规律可以看出,25℃时裂片石莼的
光合系统最健康,光能利用效率最高,10℃、33℃
条件下受到低温和高温的胁迫,并且光合系统对低
1.8
1.6
1.4
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0
5
C
hl
/mg·g-1 C
hl
b/
mg·g-1
C
hl
a/
mg·g-1
10 20ᓖć 30 33 352515
5 10 20ᓖć 30 33 352515
5
c
cd
cd
de
e e
b
a
b
bcd
bc
cd
d d
a
a
c
cd
cd
de
e e
b
a
10 20ᓖć 30 33 352515
A
B
C
图 3 温度对裂片石莼叶绿素 a(A)、叶绿素 b(B)、总叶
绿素(C)含量的影响
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
5 10 20ᓖć 30 33 352515
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
5 10 20ᓖć 30 33 352515
F V
/F
m
F V
/F
m b
d
d
a
b
c c
c c
b
a
d d d c
a
A
B
图 4 温度(A)及 25℃处理对不同温度培养下(B)裂片
石莼最大光化学量子产量 Fv/Fm 的影响
2016,32(7) 103黄艳花等:温度对裂片石莼生长及叶绿素荧光特性的影响
温的耐受性高于高温。5℃、35℃显著抑制了藻类的
光合系统。
3 讨论
3.1 不同温度培养下裂片石莼生长的差异
生物对非生物环境都有一个耐受范围,在耐受
范围内能够生长,超过耐受范围不生长甚至死亡[19]。
藻体在适宜的温度范围能够快速增长,超过适宜范
围藻类生长则会下降[20]。研究表明,裂片石莼在适
宜的温度 15℃-30℃条件下生长迅速,10℃-15℃及
30℃-33℃条件下生长显著下降,5℃、35℃条件下
生长明显受抑制。这也解释了裂片石莼一般在夏季
温度较高时消失,早秋生长旺盛的季节性规律[21]。
有研究表明绿潮藻的生长量在 10℃时就可以达到很
高的生长速率[7]。绿潮一般在夏季爆发,夏季温度
一般在 30℃以上,本研究中当温度超过 33℃时,裂
片石莼的生长便会受到限制,夏季爆发的绿潮藻中
裂片石莼成分很少。
3.2 温度对裂片石莼叶绿素荧光特性的影响
叶绿素含量影响藻类对光能的吸收和转换,高
温和低温胁迫都能降低藻类的叶绿素含量,影响捕
获光能并转化成化学能的效率,裂片石莼在高温和
低温胁迫下叶绿素含量显著降低,这与相应的温度
胁迫下的生长率变化一致[22]。低温胁迫下裂片石莼
的叶绿素含量显著高于高温胁迫的含量,这与低温
和高温之间的生长量的变化不同,因为低温胁迫对
于植物的伤害主要是物理性的冻伤,而高温胁迫破
坏了叶绿素结构造成不可逆的伤害。
藻类吸收的光能,一部分用于驱动光合作用,
还有一部分以叶绿素荧光的形式在光系统 II 转动过
程中释放,检测叶绿素荧光的变化可以反映 PSII 系
统的光合情况。温度胁迫阻碍光合作用中电子传递,
使光合作用器官受氧化的风险增强,这种氧化作用
将导致 PSII 系统的慢性损伤,导致叶绿素荧光参
数改变[23]。裂片石莼在低温和高温胁迫下 Fv/Fm 显
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
5
F V
/˃F
m
˃
10 20
温度/℃
30 33352515
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
5
b
c c
a
d
d
d
b
a
e
c
A
B
c c
c
b
a
F V
/˃F
m
˃
10 20
温度/℃
30 33 352515
图 5 温度(A)及 25℃处理对不同温度培养下(B)裂片
石莼有效光化学量子产量 Fv/Fm 的影响
5
a
b
c
c
d
d
b
a
α
10
0.24
0.22
0.20
0.18
0.16
0.14
0.12
0.10
0.08
0.06
0.04
0.02
0
20
温度/℃
30 33 352515
图 6 温度对裂片石莼光能利用效率 α 的影响
表 1 不同温度对裂片石莼光化学淬灭系数(qP)、非光化
学淬灭系数(NPQ)的影响
温度 qP NPQ
5℃ 0.369±0.04a 0.133±0.02a
10℃ 0.625±0.08b 1.768±0.22e
15℃ 0.635±0.02b 1.05±0.077e
20℃ 0.697±0.05b 0.932±0.09dc
25℃ 0.746±0.027c 0.83 ±0.026c
30℃ 0.663±0.08b 0.973±0.079d
33℃ 0.322±0.05a 0.670±0.11b
35℃ 0.337±0.05a 0.139±0.00a
注 :小写字母不同表示显著性差异(P<0.05)
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2016,Vol.32,No.7104
著降低,5℃、35℃条件下的 Fv/Fm<0.44,说明温度
胁迫对 PSII 系统造成伤害,5℃、35℃使裂片石莼
PSII 系统完全失活[24]。环境胁迫能够严重影响光合
反应效率[25],高温和低温条件下 Fv/Fm(有效光化
学量子产量)、α(光化学利用效率)、qP(光化学淬
灭)显著性降低,表明温度胁迫阻碍了光能的传递,
造成大量光能的积累,从而损伤了光合系统,降低
光能的利用效率。但是低温和高温对植物胁迫机制
不同,低温对植物主要造成物理性可逆的冻伤,削
弱了光能利用效率,造成光能过剩,产生光抑制,
适度的低温胁迫下 NPQ 增加说明光化学效率降低积
累的过量光能通过非光化学过程耗散来保护 PSII 的
结构[22]。高温胁迫直接导致捕光色素复合体的结构
发生变化,对光合系统造成化学性不可逆的伤害。
10℃条件下的裂片石莼表现出最大 NPQ,经过 25℃
培养 2 d 后 Fv/Fm、Fv/Fm 显著提升,进一步说明低
温胁迫下光抑制现象提高了裂片石莼对低温的耐受
性[26]。高温 33℃、35℃胁迫下的 NPQ 显著小于低温,
经过 25℃培养后 Fv/Fm、Fv/Fm 没有显著提升,说明
高温对裂片石莼的光合系统造成了不可逆的伤害。
5℃、35℃条件下的 qP、NPQ 同时急剧下降,说明 5℃、
35℃条件严重损害了它的反应中心和天线系统,不
能发展有效的 NPQ 途径进行保护[27],这可能已经
达到了裂片石莼的极限低温和高温。本实验仅从裂
片石莼的生长和叶绿素荧光特性方面分析了裂片石
莼对温度的适应机制,在后续实验中应该进行不同
温度下藻类各种生理生化指标的测量,以更深入地
了解裂片石莼对温度的响应机制。
4 结论
本研究表明,15℃-30℃范围内是裂片石莼的适
宜温度范围,5℃-15℃以及 30℃-35℃范围内,裂
片石莼处于温度的耐受范围,当温度为 5℃和 35℃
时已达到裂片石莼的极限低温和高温。
参 考 文 献
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(责任编辑 李楠)