全 文 ：植物学报 Chinese Bulletin of Botany 2013, 48 (2): 168–173, www.chinbullbotany.com
doi: 10.3724/SP.J.1259.2013.00168
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收稿日期: 2012-04-12; 接受日期: 2012-08-30
基金项目: 国家自然科学基金(No.30970302, No.41176137, No.41176134, No.41106131)、国家重点基础研究发展规划前期启动项目
(No.2011CB411908)、青岛市科技计划基础研究(No.11-2-4-8-(5)-jch)和天津市科技支撑计划(No.10ZCKFSH00700)
† 共同第一作者
* 通讯作者。E-mail: gcwang@qdio.ac.cn
雨生红球藻的光周期效应
韦韬1†, 顾文辉2, 3†, 李健1, 张波1, 潘光华1, 朱大玲1, 王广策2*
1天津科技大学海洋科学与工程学院, 天津 300457; 2中国科学院海洋研究所, 青岛 266071
3中国科学院研究生院, 北京 100049
摘要 雨生红球藻(Haematococcus pluvialis)是一种单细胞淡水绿藻, 是自然界已知的中虾青素含量最高的生物物种。通
过分析3种光照强度(70、120和300 μmol·m–2·s–1)下雨生红球藻细胞形态、生长速率和虾青素含量的差异, 对其光周期效应
进行了研究。结果表明, 不同光强下适宜雨生红球藻生长的光周期均为16小时光照/8小时黑暗, 光强为120 μmol·m–2·s–1时
其细胞生长速率最大, 为0.43 d–1; 细胞内虾青素含量随着光强和光照时间的增加而增加, 在300 μmol·m–2·s–1光强下连续
光照15天后, 藻细胞呈亮红色, 平均直径为21.02 μm, 最大虾青素值达39.40 pg·cell–1。
关键词 虾青素, 雨生红球藻, 光照强度, 光周期
韦韬, 顾文辉, 李健, 张波, 潘光华, 朱大玲, 王广策 (2013). 雨生红球藻的光周期效应. 植物学报 48, 168–173.
雨生红球藻(Haematococcus pluvialis)是一种淡
水单细胞绿藻, 在分类学上属于绿藻门(Chlorophyta)、
绿藻纲(Chlorophyceae)、团藻目(Volvocales)、红球
藻科 (Haematococceae) 、红球藻属 (Haematoco-
ccus)(Margalith, 1999)。雨生红球藻的生活史呈现多
样性, 主要分为游动细胞和不动细胞2个阶段。当环
境条件适宜时, 雨生红球藻以游动的绿色细胞存在,
处于营养生长期; 而在不利条件下, 游动细胞失去鞭
毛形成不动细胞, 进入不动细胞阶段, 同时细胞内大
量积累虾青素, 细胞呈红色(Fábregas et al., 2001)。
虾青素是一种红色酮式类胡萝卜素, 具有良好的着色
功能和超强的抗氧化能力(Kamath et al., 2008), 已
经被广泛地应用于水产养殖(Lorenz and Cysewski,
2000)、医疗卫生(Guerin et al., 2003)、化妆品和食
品等行业(Guerin et al., 2003; Kamath et al., 2008)。
在虾青素的各种不同来源中, 雨生红球藻是目前已知
的虾青素含量最高的生物物种(Tripathi et al., 1999),
其在胁迫环境条件下(高温、高盐、强光和营养缺乏
等)积累的虾青素量可达细胞干重的4%, 是极为理想
的天然虾青素生产者(Sandesh et al., 2008)。近年来,
利用雨生红球藻进行虾青素的大规模生产, 已经成为
国际上藻类学的研究热点之一。
光照是影响藻类生长繁殖的最重要的生态因子
之一, 它控制藻类的一系列发育过程, 也是其生长的
主要能量来源(王伟等, 1998)。在一定pH值、温度和
营养条件下, 光照强度和时间决定着单细胞藻类光合
作用的效率, 对藻类的生长起着至关重要的作用(何
振平等, 2007)。目前, 关于对雨生红球藻光照条件的
研究大多集中在不同光照强度对细胞生长及虾青素
累积的影响上。一般认为, 红球藻生长阶段需要的光
强较弱 , 较高的光照强度则有利于虾青素的积累
(Boussiba and Vonshak, 1991; Lu et al., 1994;
Harker et al., 1996; 应巧兰和叶勇, 2002)。此外, 一
些研究者指出藻类配子和孢子的形成受光照时间(即
光周期)的影响(Terry and Moss, 1980)。藻类的生长
也需要一个适当的光暗交替(王伟等, 1998), 以利于
细胞内光合作用和物质代谢的正常进行。然而, 现今
有关雨生红球藻光周期反应的研究较少, 且大多数研
究者是在同一光照强度下进行的(陆开形等, 2002)。
对于不同光强下的光周期效应则未见详细报道。
本实验在借鉴前人研究的基础上, 分别设置了
低、中、高3种光照强度, 通过观测细胞生长速率、
·研究报告·
韦韬等: 雨生红球藻的光周期效应 169
虾青素含量以及藻细胞形态的变化, 对不同光强下雨
生红球藻的光周期效应进行了系统的研究, 以期为红
球藻的大规模培养和虾青素的规模化生产提供理论
基础。
1 材料与方法
1.1 实验藻种
雨生红球藻(Haematococcus pluvialis N-212)由中国
科学院海洋研究所提供, 本实验室保存。
1.2 培养条件
按MCM修正配方(Borowitzka et al., 1991)配制基础
培养基, 经灭菌(121°C, 20分钟)后加适量维生素, 培
养基初始pH值为7.2。在光照培养箱中, 培养温度为
(22±1)°C, 保种时光周期为12小时光照/12小时黑暗,
光照强度为70 μmol·m–2·s–1。每天摇瓶数次, 防止细
胞贴壁。藻种每7天转接1次, 使藻细胞始终处于旺盛
的对数生长时期。
1.3 实验设计
实验以充气的方式提供碳源 , CO2浓度为6×10– 4
μL·L–1, 气体流速为30 vvm(每分钟气体体积/培养液
体积)。实验中设置3种光照强度, 分别为70、120和
300 μmol·m–2·s–1。不同光周期分别为0/24、4/20、
8/16、12/12、16/8、20/4、24/0(光照/黑暗, 单位为
小时)。接种时, 将处于对数生长期的雨生红球藻藻液
以3 500 ×g离心5分钟后, 弃上清液, 剩下的藻细胞
接种于500 mL三角瓶中。接种密度为3.0×104 cells·
mL–1, 接种后体积为350 mL。每组设3个重复。
1.4 参数测定
1.4.1 细胞密度
用血球计数板进行显微细胞计数。将培养物充分摇匀
后取5 mL放入试管中, 用4%戊二醛固定藻样后摇
散。在双筒显微镜下计数。细胞数目多时, 可稀释后
计数。每个重复计数3次, 取平均值。

1.4.2 生长速率
根据普通生物学通用的计算公式(Dauta et al., 1990)
计算生长速率:
µ = (LnNt –LnN0)/t
式中, µ为相对生长速率; Nt是时间t(day)时的细胞密
度(cells·mL–1); N0是初始时的细胞密度(cells·mL–1)。

1.4.3 细胞形态
从不同处理组的培养液中取样 , 在显微镜 (Nikon
ECLIPSE 90i, Japan)下进行形态观测。通过微分干
涉技术拍照, 并测量细胞直径, 然后使用特定软件
(NIS-Elements BR 3.1)进行分析。

1.4.4 虾青素含量
虾青素的提取和测定参考 Boussiba 和 Vonshak
(1991)的方法并加以改进。计算公式如下:
C1=(A492×1 000)/(A1%1 cm×100);
C2= C1/细胞密度
式中, C1表示单位体积内的虾青素含量(mg·mL–1); C2
表示单个细胞中的虾青素含量(pg·cell–1); 消光系数
A1%1 cm=2 220; A492为492 nm处1 cm液层混合物的吸
光值。

1.4.5 数据分析
用SAS 9.1软件对数据进行统计分析。用统计学方法
处理所得数据, 通过方差分析检测各组数据的差异显
著性。
2 结果与讨论
2.1 光周期对细胞密度的影响
如图1A所示, 当光照强度为70 μmol·m–2·s–1时, 不
同光周期对雨生红球藻生长的影响有明显差异。光周
期为4/20时, 藻细胞在整个培养过程中生长缓慢, 在
第12天细胞密度最大, 为13.25×104 cells·mL–1。光周
期为8/16培养组, 细胞在前4天生长较慢, 之后细胞
密度增长较快。光周期为12/12时, 细胞生长较快,
第8天的细胞密度为31.0×104 cells·mL–1, 随后进入
稳定期。每天光照16或20小时, 细胞生长曲线在前几
天变化相似, 第4天到第6天藻密度指数增加, 之后
则呈现不同的趋势。在连续光照的条件下, 藻细胞密
度变化不规律 , 第12天达到最大值 , 为35.63×104
cells·mL–1。
图1B显示, 当光照强度为120 μmol·m–2·s–1时,
170 植物学报 48(2) 2013



图1 不同光照强度下光周期对雨生红球藻细胞密度的影响

Figure 1 Effects of photoperiod on the cell density of
Haematococcus pluvialis under different light intensity


光周期为16/8时 , 藻细胞生长迅速 , 第6天达到
40.13×104 cells·mL–1, 显著高于同时间其它光周期
处理组的藻密度(P<0.05)。光周期为8/16、12/12、
20/4和24/0处理组的藻细胞分别在第12、8、12和8
天细胞密度最大。雨生红球藻在无光的条件下不能进
行自养生长 , 随着细胞裂解 , 藻密度从接种时的
3.0×104 cells·mL–1降至1.25×104 cells·mL–1。


图2 不同光照强度下光周期对雨生红球藻细胞生长速率的影响

Figure 2 Effects of photoperiod on the cell growth rate of
Haematococcus pluvialis under different light intensity


图1C显示, 当光照强度为300 μmol·m–2·s–1时,
在每日光照时间不低于12小时的条件下, 细胞密度
的变化趋势相似。其中光周期为16/8处理组细胞密度
增长相对较快, 第15天其值为42.63×104 cells·mL–1。
光周期为8/16时 , 第8天细胞密度达到35.25×104
cells·mL–1, 之后保持稳定。而4/20处理组的藻细胞在
前6天没有明显生长, 第15天的细胞密度为21.63×
104 cells·mL–1。
2.2 光周期对细胞生长速率的影响
图2显示不同光照强度下, 各光周期处理组前6天的
细胞生长速率。从图2可以看出: 3种光强条件下培养
的藻细胞均在光周期为16/8时生长速率最大, 其中又
以光强在120 μmol·m–2·s–1时最高, 为0.43 d–1。当光
照时间低于12小时, 不同光照强度下的细胞生长速
率差异明显 (P<0.05), 以120 μmol·m–2·s–1光强下
4/20和8/16处理组藻细胞生长速率较高, 分别为0.21
d–1和0.40 d–1。 当光照超过12小时, 不同光照条件下
各处理组的生长速率均较高, 且在连续光照时各处理
组之间没有明显差异(P>0.05)。
2.3 光周期对虾青素含量的影响
如图3所示, 15天后, 雨生红球藻在不同光强下的虾
青素含量随着光照时间的增加而增加, 但120 μmol·
韦韬等: 雨生红球藻的光周期效应 171



图3 不同光照强度下光周期对雨生红球藻虾青素含量的影响

Figure 3 Effects of photoperiod on astaxanthin content of
Haematococcus pluvialis under different light intensity


m–2·s–1光强下的20/4处理组例外, 单位体积内的虾青
素含量大于24/0处理组(图3B)。单个细胞内的最大含
量在70、120和300 μmol·m–2·s–1时分别为25.72、
35.46和39.40 pg·cell–1, 均在连续光照时获得; 而单
位体积内的最大值为6.77、12.82和11.92 mg·L–1, 分
别在24/0、20/4和24/0处理条件下获得。
2.4 不同光周期下的细胞形态
在不同光照强度下, 藻细胞形态在不同光周期培养后
的变化趋势相似, 其中又以300 μmol·m–2·s–1光强下
的差异最显著。如图4所示 , 当光照强度为300
μmol·m–2·s–1时, 15天后不同光周期处理组的细胞形
态有明显差异: 4/20处理组的细胞在整个培养过程中
始终保持绿色游动状态, 体积较小(图4A), 平均直径
为17.91 μm; 8/16处理组的藻细胞从第9天开始变褐,
15天时仍为褐色(图4B); 12/12处理组的细胞15天时
为深褐色, 细胞平均直径达到22.63 μm, 为此光强下
的最大值(图4C); 当光周期为16/8、20/4和24/0时,
藻细胞在实验结束时均已转变为红色, 且在连续光照
条件下颜色最深(图4D–F), 3个处理组细胞平均直径
分别为20.83、21.38和21.02 μm, 各组之间均无显著
差异(P>0.05)。
2.5 讨论
光照作为光能自养生物的主要能量来源, 是藻类生长
过程中最重要的环境因子之一, 光能的供应和利用与
藻类生长速率及其代谢产物的合成密切相关(王伟等,
1998)。藻类对光照的需求有一个适宜的范围, 在此
范围内, 光合作用随着光照强度的增加而增强, 从而
有利于藻细胞的生长; 当超过一定的光强后, 光合作
用减弱, 细胞生长受到抑制(何振平等, 2007)。本实验
中, 相对于70和300 μmol·m–2·s–1, 红球藻在120 μmol·
m–2·s–1光强条件下的大部分光周期处理组的生长速
率均较高(图2), 这与其他研究者所得的结果相吻合。
此外, 光照时间(即光周期)作为另一个重要因素,
在藻类的生长发育中也起关键作用(Terry and Moss,
1980)。一些研究表明, 藻类孢子一般在黑暗中萌发,
受光促进后释放(Armbrust et al., 1990)。袁丽娜等
(2006)研究表明铜绿微囊藻的生长速率随着光照时
间的增加而增大, 16小时光照下的比增长速率为8小
时光照下的1.6倍。从本实验不同处理组的生长速率
也可以看出, 在一定光强范围内, 促进红球藻快速生
长的最适光周期为16小时光照/8小时黑暗。
近年来, 绝大多数研究者认为, 光照对于雨生红
球藻中虾青素的合成是必需的, 强光有利于虾青素的
积累(Boussiba and Vonshak, 1991; Harker, 1996)。
虽然有研究表明, 红球藻在异养的条件下也能积累虾
青素(Kobayashi et al., 1992b), 但其合成速度较慢,
不利于规模化生产。Lee和Soh(1991)得出红球藻中
虾青素的积累速率与光照强度呈正相关。Kobayashi
等(1992a)则认为, 虾青素的积累量与光剂量(光照密
172 植物学报 48(2) 2013



图4 光强为300 μmol·m–2·s–1时不同光周期下雨生红球藻的细胞形态

Figure 4 Cell morphology of Haematococcus pluvialis under different photoperiod at 300 μmol·m–2·s–1
(A) 4/20(Light/dark, h); (B) 8/16; (C) 12/12; (D) 16/8; (E) 20/4; (F) 24/0 (Bar=50 μm)


度×光照时间)成正比。本研究结果也显示红球藻细胞
中的虾青素含量同时受到光照强度和光周期的影响,
高光强及连续光照有利于虾青素的累积。目前, 关于
光照强度影响虾青素合成的作用机理研究较多, 但光
周期对雨生红球藻生长及虾青素合成的作用机制还
不清楚, 推测可能与红球藻细胞内在的生物钟有关,
但有待于进一步研究。
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Effect of Photoperiod on Microalgae Haematococcus pluvialis
Tao Wei1†, Wenhui Gu2, 3†, Jian Li1, Bo Zhang1, Guanghua Pan1, Daling Zhu1, Guangce Wang2*
1College of Marine Science & Engineering, Tianjin University of Science & Technology, Tianjin 300457, China; 2Institute of
Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 3Graduate School of Chinese
Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Abstract Haematococcus pluvialis is a green microalga with the largest astaxanthin content among all the potential
organism sources in the world. Astaxanthin is a red ketocarotenoid with high antioxidant ability and has been widely used
in aquaculture, nutraceutical, cosmetic and food industries. Illumination is an essential factor for the photosynthesis of
algae. As well, light intensity and photoperiod greatly affect the growth and astaxanthin accumulation of H. pluvialis. In this
work, we studied the effect of photoperiod on the growth and astaxanthin accumulation of H. pluvialis under different light
intensities (70, 120 and 300 μmol·m–2·s–1) by analyzing cell morphologic features, growth rate and astaxanthin content
under different conditions. The suitable photoperiod was 16/8 h, with maximal growth 0.43 d–1 obtained at 120
μmol·m–2·s–1. The astaxanthin content within a single cell increased with the light intensity and illumination time increases.
After 15 days, the alga cell turned bright red under continuous illumination at 300 μmol·m–2·s–1, with average diameter
21.02 μm. The highest astaxanthin content was 39.40 pg·cell–1.
Key words astaxanthin, Haematococcus pluvialis, light intensity, photoperiod
Wei T, Gu WH, Li J, Zhang B, Pan GH, Zhu DL, Wang GC (2013). Effect of photoperiod on microalgae Haematococcus
pluvialis. Chin Bull Bot 48, 168–173.
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† These authors contributed equally in this paper.
* Author for correspondence. E-mail: gcwang@qdio.ac.cn
(责任编辑: 白羽红)