全 文 ：© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
文章编号 :100028551 (2001) 0120229205
螺旋藻的电离辐射抗性及与多糖含量的关系
汪志平　徐步进
(浙江大学原子核农业科学研究所　杭州　310029)
摘 　要 :分别研究了螺旋藻 Ss2V、Sp2F、Sp2Z和 Sp2D 完整藻丝体、去鞘藻丝体与细胞对
60 Coγ射线的抗辐射能力 ,以及各材料的多糖含量与其辐射抗性的关系。结果表明 ,
4 株螺旋藻均具很强的抗电离辐射能力 ,但它们的辐射抗性明显不同 ,Ss2V > Sp2F >
Sp2Z > Sp2D ;各材料的多糖含量与其辐射抗性呈显著正相关 ,提示螺旋藻多糖具有提
高并维持藻体本身超强辐射抗性的重要作用。
关键词 :螺旋藻 ;藻丝体 ;细胞 ;抗辐射 ;多糖
收稿日期 :2000212201
基金项目 :国家自然科学基金项目 (30000010)及浙江省科委“九五”重点项目 (9611022082001)资助
作者简介 :汪志平 (1968～) ,男 ,浙江建德人 ,博士 ,助理研究员 ,主要从事核农学及海洋生物技术研究
随着原子能和平利用的快速发展 ,电离辐射已成为危及人类生存和破坏全球生态环境的
新的污染源。因此 ,近年来辐射生物学、生物耐辐射机理及抗辐射材料的开发利用等研究引起
了人们的极大关注[1 ,2 ] 。螺旋藻 ( Spirulina)是一种古老的原核丝状放氧蓝藻 ,也是当前全球开
发规模最大的经济微藻[3 ] 。业已证明 ,螺旋藻具有超强的抗电离辐射能力 ,某些藻株对60 Coγ
射线的致死剂量高于 614kGy[4 ] ,同时螺旋藻多糖能显著提高蚕豆和小鼠等其它生物抵抗电离
辐射的生理活性 ,并已开发成抗辐射医药保健品[1 ,5 ,6 ] 。本文着重探讨了螺旋藻的辐射抗性与
多糖含量的关系 ,为进一步阐明螺旋藻等生物的抗辐射机理、开发高性能的天然抗辐射新材料
等提供依据。
1 　材料与方法
111 　供试材料
盐泽螺旋藻 ( Spirulina sabsalsa var) Ss2V 由浙江大学钱凯先教授提供 ;钝顶螺旋藻 ( Spirulina
platensis) Sp2F 引自云南 ;钝顶螺旋藻 Sp2Z和 Sp2D 分别由中国科学院植物研究所顾天青先生和
中国农业大学毛炎麟先生赠送。目前这 4 株螺旋藻均保存于本所藻种室。
112 　单细胞和去鞘藻丝体的制备
分别取在 Zarrouk’s 培养液中培养并处于对数生长期的螺旋藻藻丝体 ,用组织匀浆 ( T8
Antrieb 型高速组织匀浆机 ,德国) 和超声波 (Soniprep 150 型超声小发生器 ,英国) 处理 ,并结合
离心沉降法制备单细胞 ;去鞘藻丝体的制备参照Lanfaloni 等[7 ]的方法进行 ,调节完整藻丝体藻
液的 NaCl 浓度至 112molΠL ,在 TQE恒温摇床 (美国)上于 25 ℃、200rpm 处理约 30min ,进行显微
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观察 ,并离心 (L8255M 超速离心机)收集。
113 　辐照处理及培养条件
用60 Coγ射线分别辐照螺旋藻完整藻丝体、单细胞和去鞘藻丝体 ,剂量率均为 15GyΠmin ,
剂量为 0、013、016、112、214、418 和 614kGy。辐照过的藻液用培养液稀释 15 倍后 ,置于 GAL2
LENKAMP 恒温光照培养箱 (日本) 中培养 ,光照强度为 4000lux ,光照时间为 12hΠd ,光照时为
28 ℃,黑暗时为 20 ℃。图片用 OLYMPUS CH30 生物摄影显微镜 (日本)摄制。
114 　生长速率测定
用 Ultrospec 2000 紫外2可见分光光度计 (瑞典)测定螺旋藻的生长量 (波长 560nm 的光密度
值为指标 ,光程 1cm) [4 ] 。以未辐照时的生长量为基准 ,计算各材料在不同剂量下的生长速率。
115 　多糖含量测定
将被测材料放入烧杯 ,加 30 倍蒸馏水 ,80 ℃水浴保温 4h ,不时搅拌 ,离心 ,残渣同上操作 ,
合并两次上清液 ,加 3 倍无水乙醇沉淀多糖 ,离心分离 ,加水溶解并定容。用硫酸2苯酚法[8 ] 测
定多糖含量 ,以葡萄糖溶液为标准 ,在 490nm 比色。除葡萄糖和苯酚购自美国 Sigma 公司外 ,
其它试剂均为国产。
2 　结果与讨论
211 　4 种螺旋藻的形态特征
如图版 Ⅰ所示 ,与钝顶螺旋藻 Sp2F、Sp2Z和 Sp2D 相比 ,盐泽螺旋藻 Ss2V 的藻丝体较细长
且相互缠绕。Ss2V 在低倍显微镜下似乎为直线形丝状体 ,但在高倍显微镜下即可观察到其藻
丝体实为致密的螺旋形 ,外周含一层近乎透明的包被 ,主要是胞外多糖。Sp2F 和 Sp2Z 为螺旋
形 ,Sp2D 为波浪形 ,螺旋度从大到小 ,螺距依次为 3819 ±413、5317 ±119 和 8819 ±1914μm。螺
旋度是螺旋藻最重要的形态参数之一 ,主要依藻丝体的形态特征对螺旋藻进行分类与鉴定[9 ] 。
图版 Ⅰ　4 处螺旋藻的显微形态特征
Plate Ⅰ　The morphologies of Spirulina in microscope
212 　螺旋藻完整藻丝体的辐射生物学效应
4 株螺旋藻完整藻丝体对60 Coγ射线的辐射剂量效应曲线如图 2 所示。低剂量γ射线对 4
株螺旋藻均具刺激生长效应 ,016kGy 的γ射线对 Ss2V、Sp2F ,Sp2Z和 Sp2D 的刺激生长率分别为
1713 %、1312 %、1111 %和 712 %。随着剂量增大 ,生长速率呈指数下降 ,半致死剂量及致死剂
量分别为 412、313、219 和 218kGy 及 > 614、614、614 和 614kGy。表明这 4 株螺旋藻均具很强的
抗γ2射线辐射的能力 ,但它们的辐射抗性明显不同 ,从大到小依次为 Ss2V、Sp2F、Sp2Z和 Sp2D。
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图 1 　螺旋藻完整藻丝体的辐射剂量效应曲线
Fig. 1 　The relationship betweenγ2rays dose
and the growth rate of intact filaments
in Spirulina
　　国内外已有众多研究发现螺旋藻等蓝藻对
γ射线和紫外线等电离辐射具很强的抗性 ,还发
现只有当辐射与某些 DNA 修复抑制剂相互配
合处理时 ,才有更显著的抑制生长和诱变效果 ,
并由此推测蓝藻的抗辐射特性可能是由于其细
胞内存有一套较完整的 DNA 损伤修复系统[1 ] 。
但至今尚未见有支持该假设的直接实验证据 ,
有关蓝藻耐辐射机理方面的研究进展缓慢。有
研究发现不同品系和形态的螺旋藻对γ2射线的
抗辐射能力不同 ,藻丝体的螺旋度越大 ,抗辐射
能力越强 ,且当弯曲形藻丝体变直后 ,辐射抗性
急剧下降[4 ] 。上述 4 株螺旋藻的辐射抗性也随
藻丝体螺旋度的增大而增强 ,故有必要进一步
研究探明螺旋藻的辐射抗性是否受藻丝体螺旋
度等外部空间形态的影响。
213 　螺旋藻细胞的辐射生物学效应
将上述 4 株螺旋藻藻丝体制备成单细胞 ,以破坏由各细胞串联排列形成的螺旋形空间结
构 ,消除各螺旋藻间螺旋度的差异 ,研究它们在细胞水平上的抗辐射特性。如图 3 所示 ,低剂
量γ射线对螺旋藻细胞的生长具明显的刺激作用 ,013kGy 时对 Ss2V、Sp2F、Sp2Z和 Sp2D 细胞的
刺激生长率分别为 1012 %、916 %、711 %和 514 %。随着剂量增大 ,4 株螺旋藻细胞的生长速率
呈指数下降 ,半致死剂量及致死剂量分别为 214、114、111 和 110kGy 及 513、418、418 和 418kGy。
图 2 　螺旋藻细胞的辐射剂量效应曲线
Fig. 2 　The relationship betweenγ2rays dose
and the growth rate of Spirulina cells
由图 2 可见 ,这 4 株螺旋藻在细胞水平的
抗辐射能力仍存有明显差异 ,且依次为 Ss2V >
Sp2F > Sp2Z > Sp2D ,排序与藻丝体水平时的一
致。这提示螺旋藻的抗辐射能力主要与螺旋
藻细胞的生理生化和分子遗传等特性有关 ,而
藻丝体的螺旋度等外部空间形态对其影响不
大。同时 ,用机械法将 Ss2V、Sp2F、Sp2Z和 Sp2D
藻丝体制备成单细胞后 ,虽然仍具较强的抗γ
射线辐射的能力 ,但辐射抗性明显降低 ,半致
死剂量分别只有完整藻丝体水平时的 5711 %、
4214 %、3719 %和 3517 %。这一方面可能是藻
丝体变成单细胞后 ,细胞间失去相互联系 ;另
一方面可能是超声波等机械作用具有破坏螺
旋藻外鞘套和细胞壁 ,甚至细胞内辐射损伤修复系统等生物学效应[10 ] 。研究表明 ,螺旋藻外
鞘套和细胞壁的主要成分多糖类物质具有很强的抗辐射生理活性。但这一结果只是从螺旋藻
的多糖提取物能显著提高蚕豆和小鼠等生物机体的抗辐射能力所得到的 ,而尚不清楚螺旋藻
多糖是否能提高藻体本身的抗辐射能力[1 ,5 ] 。
132　4 期 螺旋藻的电离辐射抗性及与多糖含量的关系
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图 3 　螺旋藻去鞘藻丝体的辐射剂量效应曲线
Fig. 3 　The relationship betweenγ2rays dose and
the growth rate of no2sheath filaments in Spirulina214 　螺旋藻去鞘藻丝体的辐射抗性用 115molΠL 的 NaCl 溶液分别洗去上述 4 株螺旋藻藻丝体表面由多糖组成的外鞘套 ,制成不损及细胞内部且保持细胞间联系的去鞘藻丝体 ,以研究探明螺旋藻多糖对藻体本身是否具有辐射保护作用。由图 4 所示 ,4 株螺旋藻去鞘藻丝体的辐射剂量效应曲线与完整藻丝体和细胞的基本相似 ,低剂量γ射线对它们的生长具有刺激效应 ,随着剂量增大 ,生长速率呈指数下降。Ss2V、Sp2F、Sp2Z和 Sp2D 去鞘藻丝体的抗γ2射线能力分别介乎相应的完整藻丝体
和细胞之间 ,半致死剂量及致死剂量分别
为 219、118、114kGy 和 112 及 614、418、418 和 418kGy。
虽然去鞘藻丝体与完整藻丝体的主要差别仅在于藻体的外鞘套被部分洗去 ,多糖含量降
低 ,但却使 Ss2V、Sp2F、Sp2Z和 Sp2D 去鞘藻丝体的抗辐射能力分别比相应完整藻丝体时的下降
31 %、5418 %、5117 %和 5711 %。这充分表明螺旋藻多糖不但能显著提高蚕豆和小鼠等其它生
物的抗辐射能力[1 ,5 ] ,而且具有维持藻体本身超强辐射抗性的重要作用。
215 　螺旋藻的多糖含量与抗辐射能力的关系
为进一步分析螺旋藻的多糖含量与其抗辐射能力定量相关性 ,分别测定了 Ss2V、Sp2F、Sp2
Z和 Sp2D 的完整藻丝体、细胞及去鞘藻丝体这 3 种材料的多糖含量。由表 1 可知 ,无论是完整
藻丝体、细胞 ,还是去鞘藻丝体 ,不同藻株的多糖含量和辐射抗性均为 Ss2V > Sp2F > Sp2Z > Sp2
D ;在同一藻株中 ,多糖含量和辐射抗性均为完整藻丝体 > 去鞘藻丝体 > 细胞。由此表明螺旋
藻的多糖含量与其辐射抗性呈显著的正相关 ,即多糖含量越高 ,抗辐射能力越强。这就从多糖
含量的角度比较合理地解释了上述不同藻株间及同一藻株不同材料间辐射抗性的差异。
表 1 　4 株螺旋藻的多糖含量与抗辐射能力比较
Tabel 1 　The comparison of polysaccharide contents and anti2radiation
capacity among 4 strains of Spirulina
材料
materials
Ss2V Sp2F Sp2Z Sp2D
多糖
PS( %)
LD50
(kGy)
多糖
PS( %)
LD50
(kGy)
多糖
PS( %)
LD50
(kGy)
多糖
PS( %)
LD50
(kGy)
完整藻丝体
intact filaments
21. 38 42. 8. 66 3. 3 7. 94 2. 9 7. 37 2. 8
细胞
cells
15. 79 2. 4 7. 44 1. 4 6. 48 1. 1 6. 38 1. 0
去鞘藻丝体
no2sheath filaments 17. 71 2. 9 7. 74 1. 8 6. 87 1. 4 6. 55 1. 2
　　注 :LD50 :半致死剂量 ; PS :多糖。
　　Note :LD50 :half2lethal dose ; PS:polysaccharide.
多糖是螺旋藻中除蛋白质外的第二类主要组分 ,在盐泽螺旋藻中高达 18 %～23 % ,在钝
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顶螺旋藻和极大螺旋藻 ( Maxam Spirulina)等藻株中含 6 %～9 %[6 ] 。虽然有关螺旋藻等蓝藻的
超强抗辐射特性早在 70 年代即被发现 ,并引起了人们的极大兴趣[11 ] ,但由于对许多蓝藻的分
子遗传背景至今仍知之甚少 ,因而尚难以从 DNA 水平阐明它们的抗辐射机理。本研究通过比
较不同藻株及同一藻株不同材料间辐射抗性和多糖含量 ,首次发现螺旋藻多糖具有维持藻体
本身超强辐射抗性的重要作用 ,从而为进一步探明螺旋藻等生物的辐射抗性机理提供了新的
思路和重要信息 ,也为螺旋藻诱变育种及螺旋藻多糖的开发利用提供了理论依据。目前一般认
为螺旋藻多糖主要是通过激活细胞内的辐射损伤修复系统和免疫系统来提高蚕豆和小鼠等其它
生物的辐射抗性[1 ,5 ,6 ,12] ,至于其如何提高并维持藻体本身的超强抗辐射能力 ,尚有待研究。
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CHARACTERISTIC OF RESISTANT IONIZATION2RADIATION AND ITS
RELATIONSHIP WITH POLYSACCHARIDE CONTENTS IN SPIRULINA
WANG Zhi2ping 　XU Bu2jin
( Zhejiang University , Institute of Nuclear Agricultural Science , Hangzhou , Zhejiang prov. 　310029)
ABSTRACT :The anti2radiation capacities of intact f ilaments , no2sheath filaments and cells of 4
kinds of Spiralina strains ( Ss2V, Sp2F , Sp2Z and Sp2D) treated by 60Coγ2rays were studied. The
relationship between polysaccharide contents and anti2radiation capacity of 4 strains were also de2
tected. The results showed that Spirulina is highly resistant toγ2radiation , however there were sig2
nificant differences with various strains. The order of anti2radiation capacity is Ss2V > Sp2F > Sp2Z
> Sp2D. Moreover ,the anti2radiation capacity were remarkably related with polysaccharide cont2
ents in the 4 strains. This showed that polysaccharide is very important for raising and maintain2
ing super anti2radiation capacity in Spiralina .
Key words :Spirulina ; filaments ; cell ; anti2radiation ; polysaccharide
332Acta Agriculturae Nucleatae Sinica
2001 ,14 (4) :229～233