全 文 ：武汉植物学研究 2006，24(2)：154～158
Joarna／of Wuhan Botanical Research
阳生和阴生地木耳生理生化特性的比较
李运广 ，胡征宇
(1．中国科学院水生生物研究所，武汉 430072；2．华中农业大学生命科学与技术学院。武汉 430070)
摘 要 ：以生长于不同光环境下的地木耳为材料，对其 ／ l的日变化 、光合作用特性、叶绿索和类胡萝 卜索的含
量进行了研究，以了解其光适应的生理生化基础。同阴生地木耳相比，阳生地木耳的光饱和点 、类胡萝 卜素含量、
类胡萝卜素和叶绿素的比值均比较高，但其P—I曲线光限制部分的斜率、暗呼吸速率、 ，．m、叶绿素、MAAs含量和
单位面积干重较低。二者最大光合速率和光补偿点无明显差异，二者均无明显的光呼吸。同等条件的光抑制后，
阳生地木耳在暗处能更快、更大程度地恢复其 t活性。原位研究表明，阴生和阳生地木耳在雨后强光下均有
不同程度的光抑制发生 ，但在弱光下或夜晚时会及时恢复。阳生和阴生地木耳的光合特性及色素含量显著不 同，
以此来适应不同环境中的光因子。
关键词：地木耳 ；光适应；光合特性；色素
中圈分类号：Q945．79；Q949．22 5 文献标识码：A 文章编号：1000·470X(2oo6)02—0154—05
Comparative Studies on Physiological and Biochemical Characteristics
of Sun and Shade Acclimated Nostoc commune
U Yun—Guang 一．HU Zheng—Yu h
(1．1mt~ute ofHydrobiology，The ChineseAcademy of3dences，Wuhan 430072，China；2．Colege ofLi／e 3dence and Technology，
Huazlwng g】 I Univers~y。Wuhan 430070，China)
Abstract：In order to clarify the physiological and biochemical basis of Nostoc commune lived in diferent
environmental light levels．their daily changes of ，Fm ．photosynthetic characteristics and content of
carotenoids and chlorophyll were studied．Compared with shade—acclimatedⅣ．com11,une ．sun—acclimated
commune had higher light saturation point．higher content of carotenoids and hi gher ratios of carotne．
noids to chlorophyl as while as lower ascending slope of light—limited part of P—I curve．1ower dark respi-
ration．1ower ／Fm and lower content of chl a and MAAs on也e basis of dry weight or surface areas．
And their maximum photosynthetic rate an d light compensation po int were insignifcan tly diferent． Both
of them had no obvious photorespiration．Shade—acclimated N．comnMi,l~was more sensitve to high light
than sun-acclimated ones．If the sunlight was high enough after rain，they both were photoinhibited．but
they could recover immediately at lower light levels or at night．Results showed that photosynthetic char-
acteristics an d pigmentation for sun—acclimated and shade—acclimated N．commune were sign ifican tly dif-
ferent and these might be responsible for their adaptations to diferent light levels．
Key words：Nostoc comlnune ；Photoacclimation；Photosyn thetic characteristics；Pigm entation
地木耳(Nostoc COlytml~3~)是一种陆生念珠藻，
从赤道到两极都有分布⋯。地木耳具有一定的食
用价值和药用价值，《本草纲 目》上就有用其治疗疾
病的记载。在生长周期中，地木耳常经受周期性的
干燥，大多时间以干燥状态存在，籍以度过极端干
旱、极端温度和高光辐射等不利环境。并在雨后可
迅速吸水，体积膨大，很快恢复各项生理活性 ；随水
分蒸发 ，又逐渐变干缩小，并失去生理活性。所以常
被误认为仅仅在雨后迅速长出。目前，对地木耳的
研究多集中于其抗干旱和 uV辐射的机制乜．3】。
地木耳既可生长于干旱且阳光直射的环境中，又
可分布在一些阴暗潮湿的地方。生境中光强的变化
可以诱导植物生理特性、色素组成和含量发生改变。
一 般来讲，同阴生植物相比，阳生植物单位干重的叶
收稿日期：2006·07-20，修回日期：2OO6一o1一o6。
基金项目：国家级星火计划项目(2005E73005)资助。
作者简介：李运广(1974一)，男，博士，讲师，主要从事藻类生理生态学研究。
·通讯作者(E·mall：huzy@ihb．ac．cn)。
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第 2期 李运广等：阳生和阴生地木耳生理生化特性的比较 155
绿素含量较低 】，但类胡萝 卜素和叶绿素比值较
高 。高含量类胡萝 卜素可以起到很好的光保护
作用 】。同时，阳生植物还具有较高的光饱和点和
光补偿点，但对低光的利用能力较差 。笔者对
采集于不同光环境下地木耳的生理和生化特性进行
了分析，并在原位生境下研究 了 PSⅡ活性的 日变
化，以初步了解它对不同光环境的适应及机理。
1 材料和方法
1．1 实验材料
地木耳(Nostoc commune)采集于原武汉水利电
力大学校园内。阳生地木耳，生长于开阔草坪中间
空地，周围无遮光物体，直接暴露于太阳光下；阴生
地木耳，生长于墙角树荫下，由于树荫和墙体的遮
掩，全天均无太阳光直射情况发生。所有样本均采
集于雨后，采样后迅速测定生理活性。
1．2 Fv／Fm测定
用植物效率分析仪(Hansatech Inc．England)测
定，每次测定时样品在暗处适应 15 min。
1．3 光合作用的测定和计算
用红外 气 体 分 析 仪 (CGT-7000，Shimadzu，
Japan)，采用封闭系统测定 CO 的吸收来表示光合
作用强度。反应室用微培养器(Radnoti Glass Tech．
Inc．)改装而成，通过循环水浴控制温度。光源为碘
钨灯，从上面照光。每次测定时所用样品的干重约
为0．2 g。
光合和呼吸速率计算公式如下：
P ( )=(C。 一C。，)÷(t2一t1)×V÷22．4÷W×
273÷(273+T)×60
式中，P 和 分别表示净光合作用速率和暗
呼吸速率，单位为 tunol CO2·g～DW·h 或 m0l
CO2·mg— chl a·h一 ；C。
，和 CI分别为 tl(min)和 t2
(min)时刻密闭系统中的CO 浓度( L·LI1)；V为
密闭系统的体积，约为0．547 L；W为干重(g)；T为
测定时的温度(℃)，25℃。
1．4 P-I曲线的测定
在25℃下测定，测定方法和步骤参照邱保胜描
述的方法 。
1．5 光抑制和暗恢复
用 BG11浸湿地木耳。在25℃、50 t~nol·nl～·s
光强条件下恢复 15 h，作为完全恢复活性的样品。然
后，将地木耳呈单层平铺在尼龙网上，置于太阳光下
(光照强度约为 1 000—1 2OO laznol·nl～·s )，温度
约为(21±1)℃，其间定时取样，暗适应 15 min后测
定 ，并于暗处恢复。在测定过程中定时喷洒培
养基以补偿丢失的水分。部分样品以 100 tunol·L
氯霉素处理，以观测蛋 白质合成对光恢 复过程 的
影响。
1．6 光呼吸的测定
将样品分别置于普通空气 (含2l％ O )及含
2％ O2的空气中，于25℃、600 tunol·nl～·s 的光强
下测定。配制含 2％ O 的空气时，以氩气作平衡
气，将空气稀释，然后再充人 CO 气体，直至浓度和
空气中 cO 浓度(350 ·L )相当，用红外气体分
析仪标定。
1．7 吸收光谱及色素的测定
测整细胞吸收光谱时，将群体贴于聚氯乙烯材
料制成的装置的小孔上 。¨。，然后用紫外可见分光光
度计(UV一1601，Shimadzu)扫描；甲醇抽提物放在比
色杯中测定。
叶绿素和类胡萝 卜素 的测定参照 Scherer和
Zhong的方法⋯ ；MAAs(mycosporine—amino acids)
的测定参照 Scherer等的方法 引¨。
2 结果和分析
2．1 PSI光化学效率的日变化
在夏季雨后晴朗无云、有云和阴天的情况下，生
长于遮阴环境(阴生)和高光环境(阳生)中的地木
耳所受太阳辐射、温度和 PSⅡ光化学效率(FvlFm)
的日变化情况有所不同(见图 1)。随着太阳辐射强
度的不同，阴生地木耳所受 日光辐射强度在阳生地
木耳所受 日光辐射强度的 30％ 一67％内波动。阴
生和阳生地木耳的 表现出相似的日动态变
化趋势。在雨后接近中午的强光条件下。 会
出现一定程度的下降，表现出光抑制现象 ，但当环境
中的光变弱或夜晚时会及时恢复，并且阴生地木耳
的 一直较高，这同 Hamerlynck等 对阳生
和阴生苔藓的研究结果类似。在雨后的晴朗天气
下，阳生地木耳由于所受到的太阳光的辐射较强。其
光系统受抑制 的时间会更长一些。在雨后的阴天
条件下，阳生和阴生地木耳的 ， ，，m一直保持在较
高水平，日变化不明显。
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156 武 汉 植 物 学 研 究 第 24卷
— · Sun．acclimated N commltle
_0_Shade．acclimated ．Ⅳ．commtllle
雨 后有云 雨后阴天
8：00 I2：00 l6：00 20：00 24：00
2．2 光合作用对光强的响应
在较低的光强下，阴生地木耳具有较高的净光合
作用速率；随着光强的增强，阳生和阴生地木耳净光
合速率之间的差异逐渐缩小(见图2)。阳生地木耳
的光饱和点(I )明显高于阴生地木耳(ANOVA，P<
0．05)；而P—I曲线的初始斜率( )和暗呼吸( )则
明显低于阴生地木耳(ANOVA，P<0．05) 阳生地
木耳的最大光合作用速率(Pm)比阴生地木耳的低
19％，但二者之问的差异并不显著(见表1)。Tuba
图2 阳生和阴生地木耳光合 CO 固定对光强的响应
Fig．2 Photosynthetic CO2 assimilation as a function
of irradiance for sun and shade acclimated
cD，舢 ， (mPMgJlt8±SD，n：3)
表 1 阳生和阴生地木耳光 P-I曲线参数
Table 1 Parameters for P．I curves of sun an d shade
acclimated ^ cD，m ，le
Parameters S un‘a cc
m
lim a
w
ted Sh
Ⅳ．
ad。
∞
- ac
，，l，
cl imated
．’ m signifcant atP=0．0l level(ANOVA)．
图 1 阳生和阴生地木耳环境
光强、温度和 PSⅡ光化学效率
(Fv／Fm)的日变化
Fig．1 Diurnal photosynthetic photon
flUX density (PPFD)。ternperature
and F ，Fm for sun an d shade N．
oDr"眦 rte．Datt points for ／j lm ar
meal8±SD (n≥6)
等 ¨在对一种耐干旱苔藓的研究中也发现，在水分
充足的情况下，适应高光环境苔藓的光饱和最大光
合 CO：固定速率比适应弱光环境的低。另外 ，阳生
和阴生地 木 耳的光 补偿 点相 似 ( )，约 为
10 I~mol·m一·s～。如此低的光补偿点，可让它们在
雨后较低光强下具有较高的光合速率，以累积较多
的物质进行生长和其他代谢活动。
2．3 光抑制及暗恢复
光抑制时间对阳生和阴生地木耳 的暗恢复
程度有明显影响，暗恢复过程明显依赖于蛋白质的
合成(见图3)。光复活后的阳生和阴生地木耳暴露
在 1 ooo～1 200 i~mol·m～·s 的太阳光下仅 15 min
后就检测不到 ，但此时仍能检测到光合 CO
的固定。在 1 ooo～1 200 mo卜m～ ·s 太阳光下
处理50和90 min，然后置于暗处恢复7 h，阳生和
80
70
，
60
岂50
麦40
30
20
10
0
地木耳在阳光下暴露 50和90 min后，在有(+CMP)和无(一
CMP)氯霉素下，暗恢复7 h后的
FuHy recovered comT~．rge were e】cp∞ed to full sun li lt at the
moon of a sunny day for 50 and 90 min respectively an d tIIen I’eco．
vered in the dark with(+)or without(一)chloramphenicol(CMP)
for7 h
图 3 光抑制时间和氯霉素对阴生和
阳生地木耳暗恢复的影响
(meal~±SD．n=10)
Fig．3 Efects of exposure time and chloramphenicol
on the dark recovery ofphotoinh／bited 8un and
shade acclimated cD，u，ll‘
㈣瑚啪枷0 ∞：2 0
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阴生地 木耳 的 Fv／Fm可分 别恢复 为处理前 的
70．7％和62．4％、41％和31％，阳生地木耳的恢复
程度明显高于阴生地木耳。蛋白合成抑制剂氯霉素
(CMP)对经照光 50 rain的样品的暗恢复过程产生
了明显抑制(ANOVA，P<0．05)，显示暗恢复过程
依赖于蛋白质的合成。但 CMP对光照90 rain样品
暗恢复的抑制并不明显，可能是由于较长时间的强
光作用导致了大部分光系统受到了不可恢复的损
伤。本结果显示，地木耳在雨后持续无云的正午阳
光直射下，光系统会受到较严重的损伤。但是，地木
耳可以较快地速度失水，迅速失去活性，这可在一定
程度上避免高光对其光系统的损伤。
2．4 阳生和阴生地木耳的光呼吸
在2％0 条件下，阳生和阴生地木耳的净光合
速率虽然有一定的升高，但升高幅度不大，均未超过
5％(见图4)，且同在21％02条件下的净光合速率无
显著差异(ANOVA，P>0．05)，表明阳生和阴生地木
耳均无明显的光呼吸作用。在蓝藻中曾报道有光呼
吸的存在，但蓝藻中同时存在CCM机制，胞内存在较
高的 CO：，这在一定程度上也抑制了光呼吸的发
生 引¨。在某些高等植物特别是一些 c，植物中，光呼
吸释放的CO：量可以占到光合作用 c()2固定量的
20％一27％，光呼吸在减轻光抑制和光氧化伤害及减
缓叶绿素的降解方面有一定作用【1引。在测定过程
中，地木耳的 CO：补偿点较低，要小于 1～lO ·
L～，同高等植物的c．植物相似[】引，显示其可能存在
CCM机制，这可能是其光呼吸不明显的原因之一。
薹 恤21％O,
圈 4 阳生和阴生地木耳在21％和 2％ 0
浓度下的光台作用(mesHis±SD。n=4)
Fig．4 Photosynthesis of sun and shade acclimated
eo~ n@at 21％ and 2％ 02 levels
2．S 阳生和阴生地木耳群体吸收光谱、色素含量
和生物量
阳生地木耳群体及其甲醇抽提物在类胡萝 卜素
吸收区和紫外区都有较高的光吸收(图5：A，B)；而阴
生地木耳在叶绿索及藻胆蛋白的吸收区有较高的光
吸收。阴生地木耳在570 nm(来自于藻红蛋白)处有
明显的吸收峰，阳生地木耳则没有。100％和30％甲
醇抽提物(图5：C)的光谱扫描结果显示他们之间各
色素比例和含量存在较明显差异。测定结果表明(表
2)，阳生地木耳单位干重或单位面积的叶绿素和紫外
吸收色素(MAAs)的含量均显著低于阴生地木耳，但
阳生地木耳具有较高的类胡萝 卜素含量及较高的类
胡萝卜素和叶绿素的比值。另外阴生地木耳群体单
位面积的干重要明显高于阳生地木耳。
l 2
1．0
0．8
8 0．6
O 4
O2
0．0
图 5 阳生和阴生地木耳群体 (A)、100％甲醇
抽提物(B)和 3o％甲醇抽提物紫外区(C)的吸收光谱
Fi 5 Absorption spot21Tuln ofwhole colony(A)．
100％(B)and 30％ (C)methanol extractions for sun
and shade acclimated com．mune
表2 阳生和阴生地木耳色素和片状群体单位面积的千重
Table 2 Pigment contents and biomaas
of sun and shade|『、『．￡Ⅺ，r，l，ll，le
· aIe signifcant atP 0．05 leve1．·· are signifcant atP 0．Ol
level(ANOVA)．
3 讨论
阴生和阳生地木耳所处的光环境有着明显的区
别(图1)，并且它们所处环境的干湿周期也存在差
异，阴生环境由于不受阳光直射，在雨后的温度会较
低，因而环境中水分蒸发较慢，地木耳群体内的水分
可以保持较长时间。由于遮光作用，光强不会太高。
不会造成很强的光抑制 ，这就导致阴生地木耳进行
光合作用和其他生理活动的时间较长，可从环境中
吸收更多的营养物质以获得较高的生物量和合成较
多的储藏物质(如 MAAs)(表 2)。生活在不同光水
平环境中的地木耳外观有明显差别 ，低光环境中的
地木耳群体肥厚，呈较深的蓝绿色，表明积累了较多
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的胶质和藻胆蛋白；而高光环境中的群体较薄，呈黄
绿色，表明类胡萝 卜素的比例较高。
生境中的光水平，明显影响了地木耳光捕获和
对高光伤害的保护能力(图 2，图 3)。处于低光环
境中的地木耳叶绿素含量较高，从而导致其对低光
的利用效率较高。阳生地木耳具有较高的光饱和
点、类胡萝 b素含量、类胡萝 b素与叶绿素的比值，
而这对于避免高光伤害是非常有效的 J。虽然阳
生地木耳表现出了较强的避免高光损伤的能力，但
是在人为条件下吸水恢复活性后，暴露在晴朗无云
的正午太阳光下 15 min后就检测不到 Fv／Fm的活
性，表明其 PSⅡ中的电子传递链完全被抑制。可是
此时仍能检测到光合 CO 的固定，表明暗反应仍在
继续，但其速率仅为对照的 10％ 一20％。在照光
50 min后，即使在暗处恢复 7 h，Fv／Fm也仅恢复为
对照的7l％。但是在自然状态下，如雨后晴朗无云
的条件下，光强也 可以达到甚至超过 1200 I~mol·
m一·s (图 1)，但其 值一直都保持在 0．2
以上，在下午和傍晚时都能恢复到最大值。在光抑
制后的恢复过程中，无论是高光还是低光环境中生
长的地木耳都必需依赖新蛋白质的合成(图3)。在
光抑制及恢复中，D1蛋白起着关键作用，光抑制的
发生同Dl蛋白的破坏有关，恢复过程同其降解和
重新合成有关 。光在 Dl蛋白的降解和合成中都
是必需 的 引¨，所 以光抑 制 的恢 复 在弱 光下 最
快 19,20]。
在雨后，当地木耳仍保持湿润状态时，强太阳光
持续时问不会很长，且有问歇的弱光(图 1)，对地木
耳光抑制产生后的恢复过程是较为有利的，也是在
自然状态下地木耳受抑制较小且能够迅速恢复的原
因之一。不过，以下几点对于高光环境中地木耳有
效避免高光伤害是有一定作用的：首先，地木耳含
有较高的类胡萝 卜素，且对紫外有较强的吸收；其
次，它可以较快速失水，在持续的强太阳辐射来临之
前失去水分，进人对于外界环境因子不敏感的失活
状态；再者，地木耳群体在失水过程中收缩，直接减
少受光面积，这对于避免强光伤害也有重要作用。
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