全 文 ：植物学通报 2005, 22 (增刊): 57~63
Chinese Bulletin of Botany
①国家自然科学基金项目(39960062)和内蒙古自然科学基金项目(990303-4)资助。
②通讯作者。Author for correspondence. E-mail: Qiao-chen@sohu.com
收稿日期: 2004-05-25 接受日期: 2005-01-10 责任编辑: 孙冬花
实 验 简 报
鄂尔多斯高原碱湖的钝顶螺旋藻光合生理研究①
1,3刘 华 2乔 辰② 2王志忠 2巩东辉
1(西北农林科技大学资源环境学院 杨凌 712100) 2(内蒙古农业大学农学院 呼和浩特 010019)
3(中国林业科学研究院, 森林生态环境与保护研究所 北京 100091)
摘要 鄂尔多斯高原碱湖的钝顶螺旋藻光合色素含量高低排列为藻胆素＞叶绿素a＞类胡萝卜素; 各
色素具有特定的吸收光谱, 活体吸收光谱体现出了各色素的吸收; 各色素的荧光发射主峰波长约长于
活体的13~35 nm, 相对荧光强度约是活体的11倍。其光合速率的日变化呈单峰曲线, 13:00时达到最高;
光补偿点为28~30 mmol.m-2.s-1; 光饱和点为220~235 mmol.m-2.s-1; 光合作用的最适温度为35 ℃。呼
吸速率日变化随温度的升高呈缓慢上升的趋势。
关键词 钝顶螺旋藻, 光合生理, 鄂尔多斯高原, 碱湖
Photosynthetic Physiology of Spirulina(Arthrospira) platensis
in the Alkaline Lakes Erdos Plateau
1,3LIU Hua 2QIAO Chen② 2WANG Zhi-Zhong 2GONG Dong-Hui
1(Resource and Environment College, Northwestern Science and Technology University of Agricultural and
Forestry, Yangling 712100)
2(College of Agronomy, Inner Mongolia Agricultural University, Huhhot 010019)
3(Institute of Forest Ecology, Environment and Protection, the Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091)
Abstract Spirulina (Arthrospira) platensis has 3 kinds of photosynthetic pigment. Their
contents in Spirulina(Arthrospira) platensis are phycobilin＞Chls > carotenoid. Each pigment
has its own absorption characteristics in a different spectrum range, and some absorption char-
acteristics appear in the absorption spectrum of the living body. The value of fluorescence
emission apexes in all pigments is higher by 13-15 nm than that in the living body. The relative
fluorescence density of pigment is 11-fold greater than that in living body. The change of pho-
tosynthetic rate is a single-peak curve, and the highest photosynthetic rate is at 13:00 in a day.
The light saturation point is 28-30 mmol.m-2.s-1, the light compensation point is 220-235 mmol.
m-2.s-1, and the optimal temperature for photosynthesis is 35 ℃. The respiration rate increases
slowly with temperature.
Key words Spirulina(Arthrospira) platensis, Photosynthetic physiology, Erdos Plateau,
Alkaline Lakes
58 22(增刊)
螺旋藻是一类浮游的原核生物, 属蓝藻门
(Cyanophyta)、颤藻科(Oscillatoriaceae)、螺
旋藻属(Spirulina)或节旋藻属(Arthrospira),
主要分布于热带、亚热带地区的淡水或盐碱
性湖泊中(曾文炉等, 2002)。螺旋藻因其具有
丰富而均衡的营养被誉为“人类21世纪最理
想的食品”, 在食品及食品添加剂、医药、
精细化工和水产养殖等方面都有广泛的应用
(汪志平和钱凯先, 2000)。目前国内外对螺旋
藻的研究主要涉及 2 个种 , 即钝顶螺旋藻
Spirulina (Arthrospira) platensis和极大螺旋
藻 S.(A.) maxima(陈国祥和李功藩, 1994;
Vonshak, 1997), 它们分别来自非洲Chad湖和
墨西哥Sosa Texcoco湖。1996年在我国寒地
气候区(何若韫, 1995)的鄂尔多斯高原毛乌素
沙地碱湖中发现了4种天然螺旋藻, 钝顶螺旋
藻 S. (A.) platensis 是其中的 1 种(乔辰等,
2001)。本文对其光合生理特性进行了初步的
研究, 以丰富鄂尔多斯高原碱湖螺旋藻种质资
源的基础研究内容。
1 材料与方法
1.1 实验材料
钝顶螺旋藻 Spirul ina (Arthrospira )
platensis采自内蒙古鄂尔多斯高原毛乌素沙地巴
彦淖尔碱湖。在室温自然光照条件下, 用Zarrouk
培养液在无色玻璃培养缸中通空气培养。
1.2 活体吸收光谱和室温荧光光谱的测定
参考张学成(1999)的方法。将处于对数
生长期的钝顶螺旋藻用UV-120-02型紫外-可
见光分光光度计在360~720 nm波长范围内测
定 OD值, 并绘制吸收曲线。将新鲜藻过滤、
脱盐碱和去表面水分后置于HITACHI F-3010
型荧光分光光度计固体池石英玻璃表面, 测定
其在室温(20 ℃)条件下的荧光激发光谱和荧光
发射光谱。每个处理重复 3 次。
1.3 光合色素的提取和含量
1.3.1 叶绿素a(Chl a)的提取和含量 新鲜
藻泥先后用自来水和蒸馏水冲洗2~3次, 脱表
面的盐碱。取样品 0.10 g加入 5 mL 98%的
甲醇, 摇匀, 放在4 ℃的冰箱中过夜后, 860g离
心 15 分钟, 上清液为 Chl a 的提取液。按
Wellburn和 Lichtenthaler的公式计算其含量
(徐黎等, 1988)。每个处理重复 3次。
1.3.2 类胡萝卜素的提取和含量 新鲜藻
泥先后用自来水和蒸馏水冲洗2~3次, 脱表面
的盐碱后。取样品0.10 g加入5 mL二甲基甲
酰胺, 摇匀, 置于4 ℃的冰箱中过夜后, 1 160g
离心15分钟, 上清液为提取液, 并计算含量(王
业勤和李勤生, 1997)。每个处理重复 3次。
1.3.3 藻胆素的提取和含量 参考张成武等
(1996)的方法, 略有改动。新鲜藻泥先后用自
来水和蒸馏水冲洗2~3次, 脱表面的盐碱。取
样品 0.10 g加入 0.1 mol.L-1磷酸缓冲液
(pH 7.0) 10 mL, 摇匀, 置于冰箱反复冻融,
1 500g离心 15分钟, 上清液为提取液。根据
张薇君和郝纯彦(1999)的公式计算含量。每
个处理重复 3 次。
1.4 光合色素吸收光谱和室温荧光光谱的
测定
1.4.1 光合色素吸收光谱的测定 用 53W
UV/VIS紫外 -可见光分光光度计测定上述
Chl a、类胡萝卜素和藻胆素的提取液在360~
720 nm波长范围内的OD值, 绘制各色素的吸
收曲线。每个处理重复 3 次。
1.4.2 光合色素室温荧光光谱的测定 用
上述 Chl a、类胡萝卜素和藻胆素的提取液,
分别用HITACHI 850型荧光分光光度计测定
在室温(20 ℃)条件下的荧光激发光谱和荧光发
射光谱。每个处理重复 3 次。
1.5 光合速率和呼吸速率日变化的测定
参考张志良(2000)的方法, 略有改动。在
7月中、下旬, 选取一晴天的 6:00、8:00、
11:00、12:00、13:00、15:00和 18:00时间点,
分别在光、暗条件下采用Winkler氏法测定
水中的溶解氧表示光合速率和呼吸速率。具
592005 刘 华等: 鄂尔多斯高原碱湖的钝顶螺旋藻光合生理研究
体步骤为: 取250 mL的三角瓶2个, 1＃瓶放入
0.20 g鲜藻, 2＃瓶作对照, 分别向 2个瓶注满
Zurrouk培养液, 塑封瓶口, 置于光下(或暗处),
35分钟后用导管从250 mL的三角瓶移液至相
应号码的100 mL的三角瓶中, 先后取一定体积
的MnCl2和KI-NaOH溶液轻轻注入到液面下,
并保证液体不外溢, 塑封密闭, 振荡, 置暗处反
应2小时后用一定量的HCl溶液溶解沉淀, 使
碘游离出来, 液体呈黄褐色, 再将液体转入洁
净的锥形瓶中, 用0.01 mol.L-1的Na2S2O3滴定
得到溶液中溶解氧的量。每个处理重复 3次。
1.6 光强对光合速率的影响
取处于对数生长期的钝顶螺旋藻, 在 23
℃测定不同光强下光合速率, 方法同 1.5节。
每个处理重复 3 次。
1.7 温度对光合速率的影响
取处于对数生长期的钝顶螺旋藻, 在光强
223μmol.m-2.s-1及不同温度下测定光合速
率, 方法同 1.5节。每个处理重复 3次。
2 结果与分析
2.1 钝顶螺旋藻吸收光谱
2.1.1 活体吸收光谱 钝顶螺旋藻活体的吸
收光谱见图 1。曲线有 4个吸收峰, 分别位于
红光区的 688和620 nm及蓝紫光区的490和
443 nm处。红光区的 688 nm和蓝紫光区的
443 nm处是 Chl a的吸收峰; 在 620 nm的吸
收是藻蓝素的吸收峰; 在 490 nm处的吸收峰
源于类胡萝卜素。
2.1.2 Chl a吸收光谱 钝顶螺旋藻Chl a的
吸收光谱见图 2。在红光区 666 nm和蓝紫光
区440 nm处出现了吸收峰, 在蓝紫光区的吸收
峰比红光区的峰高且面积大, Chl a对蓝紫光区
的吸收为红光吸收的 1.76倍。在 384、480
和 620 nm附近有小的吸收肩峰。
2.1.3 类胡萝卜素吸收光谱 钝顶螺旋藻
类胡萝卜素的吸收光谱见图 3。类胡萝卜素
吸收在蓝紫光波段, 波长范围为360~600 nm,
最大的吸收峰出现在434 nm处且波形较宽, 在
488和 410 nm处各有一肩峰。
2.1.4 藻胆素吸收光谱 钝顶螺旋藻藻胆素
包括藻红素(Phycoerythrin, PE)、藻蓝素
( P h y c o c y a n i n , P C ) 和别藻蓝素
(Allophycocyanin, APC), 其吸收光谱见图4。
在622 nm处的吸收峰是由PC的吸收引起的;
PE在494和560 nm的吸收峰和APC在675 nm
的吸收峰不明显。PC、PE和 APC的存在填
补了Chl a在可见光区的吸收空白, 增强了螺
旋藻对光的吸收和利用。
2.2 钝顶螺旋藻室温荧光光谱
2.2.1 活体荧光光谱 活体荧光激发光谱和
发射光谱见图 5。在 300~600 nm激发波长范
图 1 钝顶螺旋藻活体吸收光谱
Fig. 1 Absorption spectrum of Spirulina (Arthrospira)
platensis
图 2 钝顶螺旋藻Chl a吸收光谱
Fig. 2 Absorption spectrum of Chl a of Spirulina
(Arthrospira) platensis
60 22(增刊)
图 3 钝顶螺旋藻类胡萝卜素吸收光谱
Fig. 3 Absorption spectrum of carotenoid of Spirulina
(Arthrospira) platensis
图 4 钝顶螺旋藻藻胆素吸收光谱
Fig. 4 Absorption spectrum of phycobilin of Spirulina
(Arthrospira) platensis
处, 相对荧光强度 67.33。在655和728 nm处
有小的发射肩峰(图 7 B)。
2.2.4 藻胆素荧光光谱 藻胆素荧光激发光
谱和发射光谱见图8。其激发光谱有1个大峰
和 1个肩峰, 2个小峰 (图 8 A)。选择大峰的
波长331.8 nm为激发波长进行激发, 发射峰位
于664.7 nm处, 相对荧光强度69.17(图8 B)。
2.3 光合色素的含量
钝顶螺旋藻光合色素由Chl a、类胡萝卜
素和藻胆素组成。Chl a的含量为 10.85 mg·g-1
DW; 类胡萝卜素含量最低, 为 1.52 mg·g-1
DW; 藻胆素的含量为191.12 mg·g-1DW, 其中
图 6 钝顶螺旋藻Chl a室温荧光光谱
A, B同图 5
Fig. 6 Fluorescence spectrum of Chl a of Spirulina
(Arthrospira) platensis at room temperature
The meaning of A, B are corresponding to Fig.5
围内, 出现 1个大峰和 2个小峰(图 5 A)。以
大峰的波长537.4 nm为激发波长进行激发, 其
发射光谱为单峰形, 峰值在652.0 nm处, 其相
对荧光强度为 6.12(图 5 B)。
2.2.2 Chl a荧光光谱 Chl a荧光激发光谱
和发射光谱见图 6。其激发波长范围在
200~450 nm内, 最大激发波长为327.3 nm(图6
A), 最大发射波长为686.5 nm, 相对荧光强度
69.86, 且在660和723 nm处有弱的发射肩峰
(图 6 B)。
2.2.3 类胡萝卜素荧光光谱 类胡萝卜素
荧光激发和发射光谱见图 7。其激发波长为
366.4 nm(图7 A), 最大发射峰出现在687.2 nm
图 5 钝顶螺旋藻活体室温荧光光谱
A. 激发光谱; B. 发射光谱
Fig. 5 Fluorescence spectrum of Spirulina
(Arthrospira) platensis at room temperature
A. Excitated spectrum; B. Emission spectrum
612005 刘 华等: 鄂尔多斯高原碱湖的钝顶螺旋藻光合生理研究
时达到最大, 净光合速率为(83.59± 1.65)
mgO2·(gDW·h)-1。6:00~8:00二者的增长均缓
慢; 8:00以后迅速增长; 12:00~13:00维持较高
水平; 13:00时之后下降较快, 真、净光合速
率变化趋势与光强基本保持一致。呼吸速率
在一天内随温度的升高而呈缓慢上升的趋势,
图 7 钝顶螺旋藻类胡萝卜素室温荧光光谱
A, B同图 5
Fig. 7 Fluorescence spectrum of caroteniod of Spirulina
(Arthrospira) platensis at room temperature
The meaning of A, B are corresponding to Fig.5
图 8 钝顶螺旋藻藻胆素室温荧光光谱
A, B同图 5
Fig. 8 Fluorescence spectrum of phycobilin of
Spirulina (Arthrospira) platensis at room temperature
The meaning of A, B are corresponding to Fig.5
PE、PC和APC的含量分别为 10.45、131.20
和49.47 mg·g-1DW。光合色素总量为203.49
mg·g-1DW。
2.4 光合速率和呼吸速率的日变化
一天中温度和光强的日变化见图 9。培
养液温度的变化缓慢, 呈逐渐上升的趋势; 光
强的日变化为一钟形曲线, 10:00~13:00时光强
维持较高水平, 11:00时达到最大为(233.65±
2.44) mmol·m-2·s-1。钝顶螺旋藻真、净光合
速率和呼吸速率的日变化见图 10。真、净
光合速率的日变化为一单峰曲线, 均在13:00
图 9 温度和光强的日变化
Fig. 9 Diurnal changes of temperature and light inten-
sity
图 10 钝顶螺旋藻光合速率和呼吸速率日变化
Fig.10 Diurnal changes of photosynthetic rate and
respiration rate of Spirulina (Arthrospira) platensis
62 22(增刊)
18:00时达到最高值为(10.86±2.33) mgO2.
(gDW.h)-1。钝顶螺旋藻净光合速率明显高
于呼吸速率, 前者为后者的2.2~11.1倍, 且光合
速率的日变化幅度明显大于呼吸速率。
2.5 光强对光合速率的影响
光强较弱时, 钝顶螺旋藻的光合速率随着
光强的增强而增高。当光强达到一定时, 继
续增加光强光合速率不再增加。其光补偿点
为28~30 mmol.m-2.s-1; 光饱和点为220~235
mmol.m-2.s-1 (图 11)。
2.6 温度对光合速率的影响
钝顶螺旋藻的光合速率随温度变化曲线
见图 12。其光合速率呈钟形曲线。在 0~10
℃内随着温度增加光合速率缓慢增加; 10~20
℃时光合速率迅速增加; 35 ℃时光合速率达到
最高; 大于35 ℃时光合速率下降很快, 55 ℃时
光合速率为零。15~40 ℃时光合速率维持较
高水平, 最适温度为 35 ℃。
3 讨论
钝顶螺旋藻的活体和每一种光合色素均
具有特定的吸收光谱和荧光光谱 , 这与
Prasanna等(1997)及邱丽氚等(1998)的描述相
符; 活体吸收光谱体现出了各色素的吸收。
各色素的发射主峰波长约长于活体的 13~35
nm, 相对荧光强度约是活体的11倍, 说明在活
体内色素吸收的光能主要用于光合作用, 以荧
光形式损失很少。在 Chl a荧光发射光谱中
出现了位于686 nm的主峰以及660和723 nm
处的2个弱肩峰, 这与Martin 和Churchil(1982)
及施定基等(1992)的报道相近, 认为686 nm处
的荧光发射峰来自PSⅡ, 723 nm处的荧光发
射峰来自PSⅠ。这进一步证实钝顶螺旋藻的
光合作用是在 2个光系统中进行。
光合速率日变化与光强日变化的趋势比
图 11 钝顶螺旋藻光强 -光合速率曲线
Fig.11 Light intensity and photosynthetic rate curve
of Spirulina (Arthrospira) platensis
图 12 钝顶螺旋藻温度 -光合速率曲线
Fig.12 Temperature and photosynthetic rate curve
of Spirulina (Arthrospira) platensis
参 考 文 献
较一致, 在光合速率达到最高点时的光强也处
于较高水平, 二者间的相关系数为0.8550(P＜
0.05); 光合速率日变化与温度日变化的相关系
数为 0.4070。说明在夏季室内培养螺旋藻时
光强比温度对其光合速率影响大。
在夏季晴天, 钝顶螺旋藻光合速率的日变
化为单峰曲线, 没有表现出某些陆生植物夏季
所表现出的“午睡”现象。
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