全 文 ：植物生理学通讯 第42卷 第3期，2006年6月 417
液体悬浮培养条件下发菜细胞的光合速率与呼吸速率
苏建宇 何茜 贾士儒*
天津市工业微生物重点实验室，天津科技大学生物工程学院，天津 300222
提要 用液相氧电极测定离体悬浮生长发菜细胞的光合速率和呼吸速率的结果表明，发菜细胞的光补偿点为 15~16 mmol·
m-2·s-1，光饱和点为 90 mmol·m-2·s-1，光抑制点为 190 mmol·m-2·s-1。25℃下发菜细胞光合速率最高，呼吸速率则在 10~50℃
范围内随温度升高而增强。发菜细胞光合作用的最适 pH 值为 7.0~7.5，呼吸作用最适 pH 值为 9.0。BG110 无氮培养基中
添加 30 mmol·L-1 NaNO3，发菜细胞的光合速率增加约 20%。培养基中 Na2HPO4 浓度为 1.75 mmol·L-1 时，细胞光合速率
和呼吸速率最大，随后保持稳定。钾盐浓度变化对发菜细胞光合速率和呼吸速率的影响不显著。
关键词 发菜；细胞培养；光合速率；呼吸速率
Photosynthetic and Respiratory Rates in Liquid Suspension Culture Cells of
Nostoc flagelliforme Born. et Flah.
SU Jian-Yu, HE Qian, JIA Shi-Ru*
Tianjin Key Laboratory of Industrial Microbiology, School of Bioengineering, Tianjin University of Science & Technology, Tianjin
300222, China
Abstract Photosynthetic and respiratory rates of cells from Nostoc flagelliforme Born. et Flah. were deter-
mined by using an oxygen electrode. The results showed that photosynthetic light compensation point of cells
was 15–16 µmol·m-2·s-1, light saturation point was 90 µmol·m-2·s-1 and light inhibition point was 190 µmol·m-2·s-1.
The optimum temperature for photosynthesis was 25℃. Respiratory rate was increased with the increase of
temperature at range from 10℃ to 50℃. The optimum pH for photosynthesis was 7.0–7.5 and that for respira-
tion was 9.0. Photosynthetic rate of cells was increased about 20% when 30 mmol·L-1 NaNO3 was added into
medium. Cells exhibited maximum photosynthetic and respiratory rates when 1.75 mmol·L-1 Na2HPO4 was in
medium. The effect of change in potassium concentration on photosynthetic and respiratory rates of cells was
inapparent.
Key words Nostoc flagelliforme Born. et Flah.; cell culture; photosynthetic rate; respiratory rate
收稿 2005-10-18 修定 　2006-03-03
资助 国家自然科学基金(20376061)和天津市科技发展计划重
点基金(043801611)。
*通讯作者(E-mail: jiashiru@tust.edu.cn, Tel: 022-
60270012, Fax: 022-60272218)。
发菜(Nostoc flagelliforme Born. et Flah.)是一
种陆生多细胞丝状蓝藻，藻体内有许多由念珠状
细胞构成的藻丝体，这些藻丝体平行纵向排列，
细胞分泌的胶质物质将其包被构成发菜藻体。发
菜藻体的人工培养研究已有多年，但藻体生长缓
慢的问题并未解决，迄今仍无法规模化人工培养
生产(Gao 1998; 李运广和胡征宇2003)，因此近
年来，从发菜藻体中分离发菜细胞进行液体悬浮
培养逐渐受到研究者的重视( 毕永红和胡征宇
2004； Gao和 Ye 2003；Liu和 Cheng 2003；Liu
和Liang 1999)，但与此相关的液体培养条件下离
体发菜细胞的生理特性尚缺少报道。为此，本文
测定了液体悬浮培养条件下离体发菜细胞的光合与
呼吸特性，以期能为发菜细胞的液体培养和大规
模生产提供参考。
材料与方法
离体悬浮生长的发菜(Nostoc flagelliforme
Born. et Flah.)细胞由我校生化工程研究室提供。
以BG11 为基本培养基，于 500 mL 三角瓶中分装
培养基 150 mL，接种发菜细胞液，接种后培养
液的750 nm吸光值(A750)控制在0.05左右。于25℃、
120 r·min-1下振荡培养。白色荧光灯连续光照，培
养瓶表面光强50 mmol·m-2·s-1。
测定光合速率和呼吸速率时，取2.5 mL发菜
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细胞培养液于Oxy-Lab液相氧电极(Hansatech，英
国)反应室中，以 3~6 min 为间隔，交替进行光
照和黑暗处理，分别测定光照和黑暗期间发菜细
胞液中溶解氧变化，计算该时间段内发菜细胞的
光合放氧或呼吸耗氧量。测定重复 3 次，并根据
下列公式计算：光合速率[mmol (O2)·mg-1 (Chl)·h-1]=
放氧量[mmol (O2)·mL-1]×2.5/[叶绿素含量(mg)×测定
时间(h)]; 呼吸速率[mmol (O2)·mg-1 (Chl)·h-1]=耗氧
量[mmol (O2)·mL-1]×2.5/[叶绿素含量(mg)×测定时间
(h)]。
测定细胞叶绿素a含量(Hall和Rao 1994)时，
将氧电极反应室中发菜细胞液全部吸取于离心管
中，离心后弃去上清液，加入 3 mL 甲醇，盖严
离心管，于 4℃、黑暗条件下过夜，再离心，取
上清液，于波长 665 nm 下，以甲醇为参比液，
测定吸光值。叶绿素a 含量按下式计算：叶绿素a
(mg·L-1)=13.9×A665×V甲醇。
结果与讨论
1 不同光照强度下发菜细胞的光合速率
发菜细胞光合作用的光补偿点为 1 5 ~ 1 6
mmol·m-2·s-1，光饱和点为90 mmol·m-2·s-1，达到光
饱和时，发菜细胞光合速率为121 mmol (O2)·mg-1
(Chl)·h-1。190 mmol·m-2·s-1 是发菜细胞的光抑制
点，此后，细胞光合速率开始随光照强度增加而
下降。光照强度达到500 mmol·m-2·s-1 时，发菜细
胞光合速率为42 mmol (O2)·mg-1 (Chl)·h-1，约为光
饱和时的1/3 (图1)。
离体发菜细胞的光饱和点和光抑制点远低于
发菜藻体(光饱和点1 200 mmol·m-2·s-1，光抑制点>
1 800 mmol·m-2·s-1)而与一般蓝藻相似(光饱和点
100~150 mmol·m-2·s-1，光抑制点200 mmol·m-2·s-1)
(施定基等1992)，发菜藻体所表现出的强烈嗜光
性可能是其藻丝外被的胶质鞘吸收和阻挡了大部分
光照所致，去除胶质鞘结构以后，离体发菜细胞
对光照的要求与其它蓝藻并无区别。由于在藻类
的光自养培养中，光照往往成为其生长的限制因
子，而离体发菜细胞不像发菜藻体那样需要强烈
的光照，这有利于开展发菜细胞的大规模和高密
度培养。
2 温度对发菜细胞光合速率和呼吸速率的影响
用恒温水浴控制氧电极反应室的温度，分别
测定不同温度下发菜细胞的光合速率和呼吸速率的
结果表明，温度在 5~25℃范围内，发菜细胞的
光合速率随温度增高而上升，25℃下最大，之后
随着温度升高而降低，45℃时，细胞光合速率为
0。发菜细胞在 10℃时开始检测到有呼吸活性，
在 5 ~ 5 0℃范围内，呼吸速率随温度的升高而加
强。据此认为，发菜细胞培养的最适温度应为25℃
(图 2)。
图1 不同光强下发菜细胞的光合速率
Fig.1 Photosynthetic rate of N. flagelliforme cells
at different light intensities
25℃、pH 7.5 下培养。
3 pH值对发菜细胞光合速率和呼吸速率的影响
图3表明，发菜细胞光合速率在pH 7.0~7.5
图2 不同温度下的发菜细胞光合速率和呼吸速率
Fig.2 Photosynthetic and respiratory rates of N.
flagelliforme cells at different temperatures
pH 7.5、光强 100 mmol·m-2·s-1 下培养。
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时最大，pH 7.0~9.0之间一直维持较高水平；pH
值大于 9.0时下降，pH值为 13时降为 0；细胞光
合速率在pH值低于7.0时迅速下降，至pH 4.0时
降为 0。在 pH 4.0~9.0范围内，发菜细胞呼吸速
率与pH值几乎呈线性关系增长，pH 9.0时最大，
以后随着pH值升高而下降，pH 12 时呼吸速率降
为 0。发菜细胞光合和呼吸作用对酸性敏感而对
碱性环境有较强的适应能力，这与发菜耐碱的生
态学特性(钱凯先等1989)相一致。
4 培养基成分对发菜细胞光合速率和呼吸速率的
影响
如图 4~6 所示：
(1)发菜细胞在不含NaNO3 的 BG110 培养基中
培养10 d后，离心收集细胞，分别接入含不同浓
度 NaNO3 的 BG11 培养基中，继续培养 24 h 后，
NaNO3 浓度为 6~18 mmol·L-1 时，发菜细胞的光合
速率与无氮培养的无明显差异，随着 NaNO3 的浓
度进一步增加，细胞的光合速率增加，在 NaNO3
浓度为30 mmol·L-1 时最大，其后光合速率基本上
保持稳定。NaNO3 浓度对呼吸作用无明显影响(图
4 )。据此认为，尽管发菜是固氮蓝藻，在培养
发菜细胞时，培养基中应适当添加 N a N O 3。
(2) BG11培养基中去除K2HPO4，代之以等摩
尔K+ 浓度的 KCl，制成无磷培养基。发菜细胞接
种于无磷培养基中培养10 d后，离心收集，分别
接种于含不同浓度Na2HPO4 的 BG11 培养基中继续
培养24 h。无磷酸盐培养基中的细胞光合速率为
91.7 mmol (O2)·mg-1 (Chl)·h-1；Na2HPO4在0~1.75
mmol·L-1 范围内，细胞光合速率随 Na2HPO4 浓度
增加而升高；之后，基本上稳定在135~145 mmol
(O2)·mg-1 (Chl)·h-1水平。呼吸速率的变化与光合速
率相似，Na2HPO4 浓度大于1.75 mmol·L-1 后，呼
吸速率不再增加(图 5)。
(3)发菜细胞于去除 K2HPO4，代之以等摩尔
PO43- 浓度的 Na2HPO4 的无钾培养基中培养10 d 后
离心收集，分别接种于含不同浓度KCl的 BG11培
养基中，继续培养24 h。无钾培养基中的细胞光
合速率为104.1 mmol (O2)·mg-1 (Chl)·h-1；添加0.35
mmol·L-1 KCl (标准BG11培养基的钾盐浓度)的细胞
图3 不同pH值下发菜细胞光合速率和呼吸速率
Fig.3 Photosynthetic and respiratory rates of N.
flagelliforme cells at different pH values
25℃、光强 100 mmol·m-2·s-1 下培养。
图4 不同浓度NaNO3下发菜细胞光合速率和呼吸速率
Fig.4 Photosynthetic and respiratory rates of N. flagelliforme
cells at different NaNO3 concentrations
25℃、pH 7.0、光强 100 mmol·m-2·s-1 下培养。
图5 不同浓度Na2HPO4下发菜细胞光合速率和呼吸速率
Fig.5 Photosynthetic and respiratory rates of N. flagelliforme
cells at different Na2HPO4 concentrations
25℃、pH 7.0、光强 100 mmol·m-2·s-1 下培养。
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光合速率上升到119.7 mmol (O2)·mg-1 (Chl)·h-1；其
后，KCl 浓度升高，细胞光合速率无明显改变，
基本上稳定在120 mmol (O2)·mg-1 (Chl)·h-1左右。
呼吸速率随 KCl 浓度的升高而略有增加，但变化
不显著(图6)。钾盐浓度变化对发菜细胞光合速率
和呼吸速率的影响没有磷酸盐显著。
参考文献
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图6 不同浓度KCl下发菜细胞光合速率和呼吸速率
Fig.6 Photosynthetic and respiratory rates of N. flagelliforme
cells at different KCl concentrations
25℃、pH 7.0、光强 100 mmol·m-2·s-1 下培养。