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CO_2浓度对条浒苔Rubisco酶聚集蛋白核的影响



全 文 :生物杖术通报
研 究 报 告  刀云口r召日阴W 笼刀 G Y B U乙L E Z 1N 2 X )9 年 增 刊
CO :浓度对条浒苔 Rubi sc o 酶聚集蛋白核的影响
蔡春尔 尹顺吉 孙译 山梅 汪卿 霍元子 何培民
(上海海洋大学水产与生命学院 ,上海2013 肠 )
摘 要: 以生长快速 细胞具多个蛋白核的大型海藻条浒曹作为材料研究 c o :浓度对条浒苔 R ub isco 醉在蛋白核和叶绿
体基质之间迁移的影响应用金标免疫电镜分子定位技术对 R ub isco 璐集中蛋白核租度进行数值化分析电镜下可观察到标记
R ub isc 的金硕拉大部分集中分布在蛋白核中根据 M ori ta (l 97 )提 出的方法,设定 PR 一rati 值(蛋白核 内分布的 R ub isco 吟总
全与蛋白核外类囊体基质中的R ubisco 腾总黄之比) 作为衡童 R ub isco 集中蛋白核程度的分析指标不同c o :浓度时于R u-
bis co 璐分布的长期影响和短期影响研究均显示 c o :浓度升高时 ,R ubis co 倾向于向叶绿体基质中扩散;c 0 2 浓度较低或无 c o Z
培养时, R ub isc 璐不断向蛋白核中集中研究结果显示 ,蛋白核可能在光合作用和 c c M 机制中具有重要作用
关挂词: C O , 浓度 条浒苔 R ubiseo 醉 蛋白核
E fe ct of C O Z co n cen tra ti on o n R u b iseo co n cen tra tin g in P y ren o id s
介 om E n ten囚叽 止a cla tb ra 妞
C ai C hun er Y in Shunj i Sun Z he n Shan M ei W an g Q in H u o Y ~ H e P ei而n
r肠之肠梦 of 几he rie : 田心L诉 反衍nc e, S加吻咖 oc e. 以心.ers勿乃标吻俪 20 130 6)
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m uno卯 ld ele etron 而cro scoPie te e俪 qu e w as aP Plied to quan 听 th e degre e of R ubiseo eoneen. ti雌 in P衅 noids . U nder th o eleetr oni c
而cro sc oPe , R ubiseo m ole cul es coul d be re eo脚 zed wi th th e 即ld P的 eles hi ghl y coneentra ted in th e Pyr enoids .B as ed on the an al 西eal
m etno 山 之 dopte d by M ohta (2997), 限 一而  (the ha o of th e to tal sva ti公am ounts of R ubiseo mo lecul es in th e p厂enoid ma tn x to that
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th e lo n g一term an d sho rt 一term e玉 cts of di 玉 re n t C O Z eon een 盆o n on dis tri bu tio n of R u biseo in di cat ed tha t w hen C 0 2 eo neentra tio n
was in cre as ed , R ubis eo tended to tra 佑fe r to th e stro ma , 翻 d w hen th e比 w a no o r fo w C O Z eoncen 益o n in th e eul tu re , R u bisco eon 一
eentra ted in to P衅 noids .T he res ul ts indi cat ed Pyr enoids 而gh t Ph y an unPortan t ro le in Photosyn th es is an d C C M .
K6y wo rd s: C O :eonc entra tion 痴 te ro m o甲ha 山山月 R ubiseo P盯enoid
1 引言
目前大气中 CO :浓度的升高对全球生物圈产
生很大的影响 在植物方面 ,绝大多数的研
究均是关注于陆生植物对 C O:浓度升高的响应 海
洋占地球面积的三分之二 ,海洋所溶解的碳总量为
大气 CO :量的 50 倍以上 海藻光合固碳所导致的
由大气 CO : 向海洋溶解的生物泵机制在调节大气
C O:水平及全球变暖中起着很重要的作用 研究表
明 ,大气 C O:浓度升高能提高海洋浮游藻类的初级
生产力 而大型海藻类广泛分布于沿岸 ,构成海洋
初级生产力的 ro % 左右 ,对近海岸的碳循环起着重
收稿 日期 二2(X 拍一03 一巧
基金项 目:国家自然科学基金 (30371 101 ) 教育部博士点基金 上海市教委优势(重点 )学科资助项目(S307 0l ) 上海市教 委优育项
目(助田8加2 )
作者简介:蔡春尔(19 50 一) ,男 ,浙江人 ,硕士 ,主要从事海洋生物技术研究
通讯作者 :何培民 , 男 , 教授 ;E一 颐1: pmh 州回shou ed u. cn
27 2 位物杖术通根丑勿. 几no 匆盯 刀川介材冰 2(X 拍 年 增 刊
要的作用 ,并且许多大型海藻是具有经济价值的海
水养殖种类 目前对大型绿藻类的研究较少见 现
在不少学者已把注意力转移到研究光合碳代谢关
键酶 R ub isc o 上 R ub isc o 酶是参与植物碳同化的关
键酶 ,控制着 CO :的固定 , R ubi sc o 的蛋白含量及酶
活性的大小直接影响光合作用的强度 
在 80 年代发现藻类存在 CO :浓缩机制 ( C OZ-
Coneentra tion M eeh画 sm ,简称 CC M )ll 目前普遍认
为藻类 C CM 机制的主要组份为 :胞外碳酸酥酶 胞
内碳酸醉酶 叶绿体碳酸酥酶和梭化体(原核 )或蛋
白核(真核)I2] 然而到目前为止 ,蛋白核在 C CM 中
具体作用还不清楚 ,争论也最大l3] 
CO :作为 R ub isco 酶梭化功能的活化因子和反
应底物 , 对 R ub isc o 酶的活性调节起到了重要的作
用 , 本实验主要通过免疫金标分子定位和电镜应
用 ,分析 CO , 浓度对条浒苔(En t~ 呷 为cla 功t8 )
Rub isco 酶聚集蛋白核程度的影响 
2 材料与方法
2 .1 藻类培养
本实验所用藻类条浒苔(En te功m 鱿Ph a cla 功胭ta )
采自江苏如东吕泅海区 , 培养方法参见何培民等l8]
文献 
2. 2 不同C护 浓度气体充气培养处理
将条浒苔藻体保持原培养条件不变 ,保持相同
气流t 充以C0 2浓度不同的组合气体 设置 5 个不
同处理组 第 l天 Ho uro (光周期起始时)取样 ,后每
4h 取样; 随后为每天 H ou 币 (光周期起始后 6h )取
样 , 在 4  条件下固定于 3% 戊二醛溶液(溶于 50%
无菌海水和 50% 燕馏水) 
A 组:对照组 ,转人 10 % 氮气中充气培养 ;
B 组 : 无 CO:组 , 50% 氮气和 50% 空气充气培
养 ;
C 组 :氮气十空气+ 1骗CO :空气充气培养 ;
D 组 : 氮气+空气+l % CO :充气培养(0 21 0. 4%
, N Z 88.6% );E 组 : 氮气+空气+5% CO :充气培养 (0 210% ,
N: 85% , CO : 5% ) 
2. 3 免疚金标 电镜切 片制作 处理与观察
条浒苔 Rubi sc o 免疫金标电镜切片制作处理方
法参照 M orit al gl等文献描述方法 
2. 3.1 电镜超薄切片制作 超薄切片制作由华东
师范大学电镜室完成 
2. 3. 2 胶体金标处理 胶体金标处理在华东师范
大学完成 
2. 3. 3 电镜观察及数据统计 使用 JE M 一1众二xl l
透射电镜 (JE O L) 在放大 29 以x x倍数下进行观察 ,
统计单位面积内的蛋白核中与蛋白核外的金标顺
粒数 目 , 以换算 PR 一rat i值 (蛋 白核内分布的
Rub is co 酶 总 量 与 蛋 白核 外 类 囊 体 基 质 中的
R ub isc 酶总量之比)来衡量 Rub isc 醉集中蛋白核
的程度 根据 M oni ta 等l8] 的金颖粒面积密度与体积
密度转换公式计算体积密度 ,换算方法如下 :由于
一抗  二抗只对切片表面蛋白反应 , 拍摄照片上
R ub isc 酶平均平面密度(n 林m 一勺用公式 N 二n3 12 可
以被转换为空间密度(N 卜m一3) 此外 ,据研究蛋白
核平均体积大约占类囊体体积 1八5 ,因此 ,在蛋白
核 中的 R ub isc o 酶 总量 和类 囊 体 中 蛋 白核 外
Rub isc 酶总量是由其各 自的 N 值分别乘以 1 和
14 PR一ra 6 计算公式如下 :
PR 一ra ti o Ru 二曲在蛋白核中的总休空附妞二灿 门在蛋白树陶如翻陇解柑总体到触比
伽:.在班白快内的平均平..度声:1
3 结果
3.1 短期 (24 h)内 Rub isc o 在蛋 白核 内外分布变

3.1.1 正常空气充气条件下 PR 一功6 泌h 内的短
期变化 由图 1 可以看 出 , 光周期中自 H our l 到
H our lo , PR 一rat io 值 随 时 间 的 递 增 而 上 升 , 在
H our lo (相当于光周期中 16 :o )达到最高值 158 .8:
1 ,在 H our l9( 相当于暗周期中凌晨 1:o )达到最低
值 , 为 49 .2 :1 曲线显示了 PR 一 ra tio 24h 内的变化
节律 ,表明 R ub isc o 酶 白天主要分布在蛋白核中 ,夜
晚则多趋向于分布在叶绿体基质当中 
3.1.2 10 % 氮气充气条件下 PR 一ra ti 的短期变化
(A 组) 在充人 10 % 氮气培养条件下 ,PR 一Iat io 值
短期的变化趋势见图 2 从图看出在短期认可维持
藻类正常生长的状态下 ,充人 10 % 氮气 ,随着培养
液中原有 CO :不断消耗 , R ub isc 倾向于集中到蛋
白核中 
2 (X 为 年 增 刊 蔡春尔等 :C OZ 浓度对条浒苔 Rubisc o 酶聚集蛋白核的影响 2 73
H our l6 达到最低值 (8.4:l) 
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圈 l 正常培养条件下 24 h PR一rat io 变化 . 4 . 从 
1白. 加. 
圈 4 充入 1知 C认 的培养条件下 PR一ra tio 的短期变化
,;场.山书口尸
 理 肠
3.1.5 1% CO :充气条件下 PR一ra ti 的短期变化
(D 组 ) 在充人 1% CO :浓度气体条件下 , PR一ra ti 
值短期的变化见图 5 从图看出 Rubi sco 酶倾向于
向叶绿体基质中扩散 
坷匆曰布即.习
盖甲口日
1 白. 咤匕. 
圈 2 充入 10 % 氮气培葬条件下 PR 一m U的短期变化
3.1.3 50% 氮气和 50% 空气充气条件下 PR 一ra tio
的短期变化 (B 组 ) 在充人 50% 氮气和 50% 空气
条件短期观察下 , PR一rat io 值不断上升(图 3 ) 表明
在 CO :浓度低的情况下 , R uhi sc 酶不断集中到蛋
.
公如目恤. 
坦 场
圈5 充入含 l% CO :气体培养条件下 PR一ra tio
的短期变化
3.1.6 5% CO :充气条件下 PR 一ra tio 的短期变化
(E 组 ) 在充人含 5% CO :浓度气体条件下 , PR 一ra -
tio 值昼夜变化规律 (图 6 ) 说明充人气体中 CO :浓
度虽然没有破坏 PR 一ra tio 周期变化的规律 ,但普遍
的抑制了 PR一ra ti 值 , 表明了 R ubi sc o 酶较大程度
的从蛋白核中转人叶绿体基质中 
.招;,
书口自尸
二 .
t 白. 咤. .日
圈 3 充入 50 % 氮气和 50% 空气的培养条件下
PR 一rat io 的短期变化
:肠.招场
篇儿护已
白核中 ,呈现与 24 h 内正常培养的藻体 PR一rat io 变
化曲线完全不同的趋势 
3.1.4 1编 CO :充气条件下 PR 一ra ti 的短期变化
(C 组) 在充人含 1输CO :浓度的气体条件下 ,这一
条件 下 CO: 浓 度接 近空 气 中 cO Z浓 度 (0.0 3 -
0. 以% ),其一昼夜内的 PR 一ra ti 短期变化 (图 4 )类
似于正常培养条件下的变化曲线(图 l) 由图 4 可
见 , PR 一ra tio 值由 H our4 (27.3:l)上升至 H ours(73.7:
1) ,达到最高值 ,上升了 10 % ,然后逐渐降低 ,在
. 4 1 盆 场
 .. 臼匕日
圈 6 充入含 5% C 0 2 气体培养条件下
PR 一ratio 的短期变化
274 吐物该术通银刀勿翻动no城盯 B叨减n 2(X 刃 年 增 刊
:翻1..
3. 2 长期内Ru bi sc o 在蛋白核内外分布变化
在 5 个处理组藻体分别充以不同气体四天中 ,
每天 HO确 (相当于正午 12 点)取样固定观察 ,计算
PR一ra tio 值以反映长期内 R ub isc 在蛋白核内外分
布变化 
3.2.1 10 % 氮气充气条件下 PR 一ra tio 的长期变化
(A 组 ) 在充人 10 % 氮气条件下 , PR 一rat io 值在
3d 内的变化趋势见图 7 在 3d 内同一时间段 , PR -
rat fo 比值随时间递增而上升 , 由第 ldlg .7:l上升为
第 3d61 .9:1 ,提高了 214 % 说明在无 CO :情况下 ,
随着光合作用中 C认 的不断消耗 , R ubi sc 酶逐步
聚集蛋白核内分布 , 可能以此维持较高的 R ub isc 
酶总活性 ,从而维持正常的植物生长 在取样第四
天 ,由于 CO:的极度匿乏 ,藻类无法正常生长 ,开始
演烂 ,无法取样 
3.2. 3 1知 CO :充气条件下 PR一ra tio 的长期变化
(C 组 ) 在充人含 1输 CO :浓度气体条件下 (图
9 ) ,前 3dPR 一ra ti 值小幅波动 ,表明在类似正常培
养条件的处理中 , PR一rati 变化幅度很小 , 既 R u-
bi sc 酶在蛋白核内外分布比例基本保持不变 第
4d 降低较为明显 ,降为 25 .7:1 ,可能是由于藻体培
养中营养的消耗造成 
遭.
妞 a. 臼 妞
, 白. 呢白日
圈 9 充入 1愉 CO :的培养条件下 P R一rati 的长期变化.-1
翻口.,山

1 . . . 口
圈 7 充入 10 % 撅气培养条件下 PR 一加石的
长期变化
3. 2. 4 1% CO:充气条件下 PR 一ra ti 的长期变化 (D
组) 在充人含 1% C0 2浓度气体 4d 中 (图 10 ) ,可
见 PR一rat io 值由第一天最大值 62 .3:1 急剧下降至
20 .9 :l, 在第 3d 达到最低值 13 .76:l, 在第 4d , PR -
ra tio 值有小幅反弹 ,这可能是由 CO:过盛刺激造成
的植物快速生长引起 ,也可能是由在蛋白大量合成
后新生成的 Rub isc o 酶重分配造成的 
.拍
书.口尸
3.2. 2 50% 氮气和 50% 空气充气条件下 PR 一ra tio
的长期变化 (B 组) 在充人 50% 氮气和 50% 空气
条件下 (图 8 ) ,从图看出可能是由于 CO :的缺少使
得藻体不能完成足够的光合作用 ,以维持正常的生
理代谢 ,从而造成有机体某些新陈代谢的紊乱 
1口 翻 翻 翻
t臼. 饭 日
圈 10 充入含 1% C0 2气体培养条件下
PR 一口tio 的长期变化
..朋拍n幼.
书曰白口户
1. 加 甘 倪
 .. 臼匕
圈 8 充入 50% 报气和 50% 空气的培养条件下
PR 一m U的长期变化
3. 2. 5 5% CO :充气条件下 PR 一rat in 的长期变化
(E 组 ) 充以含 5% CO:浓度气体条件下 (图 1 ) ,
PR 一ra tio 值较其它各处理组普遍偏低 类似充人含
1% CO :气体培养条件下 PR 一rati 的长期变化曲线
2 (X 为 年 增 刊 蔡春尔等 :COZ 浓度对条浒苔 Rubi sc 酶聚集蛋白核的影响 275
PR一rat io 值在前 3d 不断下降 ,降至第 3d 达到最低
值 10 .2: 1,在第 4d 又相对升高 ,达到 30: 1 
:肠.吕-t
月口山尸
宜. 越 摊
 . 臼助,
圈 n 充入含 5 % CO :气体培养条件下 PR 一rati 的
长期变化
4 讨论
在 CO :缺乏的情况下(A 组和 B 组) R ub isco 酶
倾向于集中到蛋白核中来更好地完成光合作用 ,以
维持藻类的正常能量供给与代谢 ,这有 3 种可能存
在的原因来解释 :(l ) R ub isc 酶大小亚基转移到蛋
白核 中组装来维持其在光合作用中的活性状态 
(2 ) R ub is co 酶转移到蛋白核中被 Rubi sc 活化酶活
化 (3) 基于蛋白核在 C CM 机制中可能具有的作用
和淀粉鞘可能具有防止 CO :从蛋白核中扩散到基
质中的作用 110 , R ub isc o 酶可能通过转移到蛋白核
中来充分利用有限 CO Z
在 Rub isco 在蛋白核内外分布变化短期 (对h )
观察中 , 在低于空气 CO :浓度的处理组中 , 充以
10 % 氮气(A 组 )与 50% 氮气和 50% 空气 (B 组 )都
破坏了PR 一ra tio 值的24 h 正常培养条件下的昼夜
节律 ,基本上都呈现随时间不断上升的趋势 ,说明
随着培养液中的 C O:相较于正常生长条件下所需
CO : 明显不足时 , 为了更好的利用有限的 C仇 ,
R ub is co 酶倾向于集中蛋 白核以保持 R ub isco 酶的
活性来完成光合作用 而在充人含 1骗CO :浓度的
气体(C 组 )时 ,由于与空气中 C O:浓度相似 ,可观
察到与正常培养状态下相似的昼夜节律 在充人
1% CO:浓度气体条件下 (D 组 ) ,由于 C O:浓度较空
气中增加了 2一3 倍 ,在光周期造成的生物节律的影
响下 , PR 一rat i值的峰值提前到来 ,然后不断降低 ,
表明在 C O:浓度较大的情况下 , 使得 Rub isc o 酶因
CO:活化而保持较高活性 ,或 C O:相对于正常光合
作用水平已经足够 , 从而造成 R uhi sc 倾向于扩散
到类囊体基质中 与 D 组类似且更为明显 ,在充人
含 5% CO:浓度气体后 (E 组 ) , PR 一ra ti 值普遍较
低 ,最高值仅达到 40 :1 
在 R ub is co 在蛋白核 内外分布变化长期观察
中 ,在明显低于空气中 CO:浓度的处理组 (A 组和
B 组 )中 ,前 3dPR 一ra tio 值不断上升 ,第 4d 充以氮
气的 A 组由于藻体溃烂无法取样 , 充以 50% 氮气
和 50% 空气的 B 组 PR 一ra tio 值降低 , 可能是由于
光合作用的缺乏造成的蛋白合成量减少引起 充人
含 1输 CO :浓度气体的 C 组前 3d PR 一ra ti 小幅波
动 ,第四天降低幅度较为明显 ,可能也是由于营养
匾乏造成 在充人 1% C O:浓度气体条件下 (D 组 )
PR 一ra tio 在第一天明显降低 ,之后维持在较低的水
平上 而在充以含 5% CO :浓度气体条件下(E 组 ) ,
PR 一m tio 处于较低水平上 ,类似于 D 组 ,前 3d 不断
降低 ,说明在 CO :浓度较高情况下 ,随着过量 C0 2
底物的存在和正常光合作用的进行 ,集中在蛋白核
中的 R ub isc 酶量相对减少 第 4d 再次上升 ,这可
能是由 CO :过盛刺激造成的植物快速生长引起 ,也
可能是由在蛋白大量合成后新生成的R ubi sc 酶重
分配造成的 
5 结论
结果表明 Rub isco 在具有蛋白核的藻类条浒苔
中的分布 ,确实与环境中 C O:浓度有关 在较低浓
度的 CO :培养条件中 R ub isc 酶倾向于集中到蛋白
核中 , 这可能是由于 R ubi sc 集中蛋白核以保持高
活性维持正常光合作用 ,或是由于淀粉外壳可能具
有的 CO :外滋屏障的作用 , R ubi sc 聚集蛋白核以
利用有限的 C0 2, 亦或是由于蛋白核在藻类 C CM
机制中起的特定作用 ,还有待于进一步研究 
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(上接第247 页)
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