全 文 ：武汉植物学研究 2003, 21 (5) : 411～ 414
J ourna l of W uhan B otan ica l Resea rch
发菜 (N os toc f lagellif orm e)培养条件的研究
李运广, 胡征宇Ξ
(中国科学院水生生物研究所, 武汉　430072)
摘　要: 研究了光照强度、日供水次数、CO 2 浓度和培养基成分对发菜生长的影响。结果显示, 中度光强 (114 Λmo lõ
m
- 2õs- 1)下发菜生长最快; 发菜的生长基本同供水次数成正相关系; CO 2 浓度的升高并没有显著促进发菜生长, 低
光条件下 (57 Λmo lõm - 2õs- 1) , 高浓度的CO 2 (2 800 ΛL öL ) 抑制了发菜的生长; 用BG11 培养的发菜生物量的增长
显著高于用BG110 培养的; BG11 培养基中 K+ 和CO 32- 的缺失并没有显著影响发菜的生长。
关键词: 发菜; 光; 水; CO 2; BG11
　　中图分类号: Q 945　　　　　文献标识码: A 　　　　　文章编号: 10002470X (2003) 0520411204
Stud ies on the Cultiva tion of N os toc f lagellif orm e
L I Yun2Guang, HU Zheng2YuΞ
( Institue of H y d robiology , T he Ch inese A cad emy of S ciences, W uhan　430072, Ch ina)
Abstract: T he effects of ligh t in ten sit ies, w atering t im es per day, CO 2 concen tra t ion s and cu ltu re
m edium on the grow th of N ostoc f lag ellif orm e w ere studied. N . f lag ellif orm e grew best under
m iddle ligh t in ten sity (114 Λmo lõm - 2õs- 1). T he grow th of N . f lag ellif orm e w as po sit ively rela2
ted w ith w atering t im es per day. H igher CO 2 concen tra t ion (2 800 ΛL öL ) did no t sign if ican t ly ac2
celera te the grow th of N . f lag ellif orm e. U nder the ligh t in ten sity of 57 Λmo lõm - 2õ s- 1, the
grow th of N . f lag ellif orm e w as sign if ican t ly inh ib ited by h igher CO 2 concen tra t ion s. N . f lag elli2
f orm e grew bet ter w hen cu ltu red w ith BG11 m edium than that w ith BG110 m edium. T he lack of
K+ and CO 32- in BG11 m edium did no t sign if ican t ly affect the grow th of N . f lag ellif orm e in the
experim en t.
Key words: N ostoc f lag ellif orm e; L igh t;W ater; CO 2; Cu ltu re m edium
　　发菜 (N ostoc f lag ellif orm e Bo rn. et F lah. ) 为
分布于我国北部和西北部干旱地区的一种陆生经济
蓝藻, 具有一定的营养价值和保健作用, 又因其与发
财谐音, 为东南沿海地区人们和很多海外华人的节
日馈赠佳品, 是我国传统的出口物资之一。但其产量
很低, 完全依靠自然采集。近年来由于生态条件的恶
化, 发菜产区和发菜产量急剧减少。同时, 对发菜大
规模破坏性的搂采也严重破坏了草原生态系统, 现
在我国已经将发菜列入国家一类保护植物, 禁止发
菜的采集和贸易。
自 20 世纪 80 年代以来, 我国很多科技工作者
对发菜的人工栽培进行了研究, 虽然取得了一些进
展, 但一直没有获得发菜完全人工养殖的成功[1 4 ]。
最近, Gao 和 Ye [5 ]对液体培养基中培养发菜进行了
研究, 认为液体培养基中获得的发菜群体, 有可能作
为人工培养发菜的“种苗”。Q iu 和 Gao [6 ]对天然发Ξ 收稿日期: 2002211221, 修回日期: 2003207220。基金项目: 国家自然科学基金重点项目 (39830060)和面上项目 (30270036)。作者简介: 李运广 (1974- ) , 男, 博士研究生, 主要从事藻类生理生态学研究。通讯作者。
菜在实验室条件下培养后的光合特性和日产量的研
究表明: 在合适的外界条件下, 发菜具有较高的日产
量。我们以采集的发菜为材料, 从光照、水分供应、
CO 2 和培养基成分的角度对其生长条件进行了研
究, 以期能对发菜的人工栽培提供一些参考。
1　材料与方法
1. 1　材料
发菜 (N ostoc f lag ellif orm e) 于 1997 年冬采集
于内蒙古四子王旗, 实验时已在室温干燥保存 3 年。
1. 2　生长条件设置和生长测定
实验中的高、中和低光照强度分别设置为 220、
114 和 57 Λmo lõm - 2õs- 1。供水实验时, 每天供水次
数和时间分别设置为 1 (8÷ 00 或 16÷ 00 或 0÷ 00)、2
(8÷00、16÷00 或 0÷00、8÷00)和 3 次 (0÷00、8÷00、16÷
00) ; 供水时将 20 mL 培养液倒入培养皿中, 将铺有
发菜的网垫放入, 但勿将发菜浸入液面以下, 以免对
其产生伤害, 吸水 015 h, 然后在滤纸上轻轻摔打,
除去表面多余水分。在其他实验中, 未作特殊说明
的, 一律为日供水 3 次。
进行 CO 2 浓度对发菜生长影响的实验时, 高
CO 2 浓 度 设 为 2 800 ΛL öL , 以 大 气 CO 2 浓 度
(350 ΛL öL )作对照。
BG11 培养基参照 Stan ier 的配方[7 ] , BG110 为
不含N aNO 3 的BG11。在进行营养元素实验时, 以
等摩尔浓度的N aC l 替代N a2CO 3, 以N a2H PO 4 替
代 K2H PO 4 分别获得无CO 32- 和无 K+ 的BG11, 加
入双倍 K2H PO 4 获得 K+ 加倍的 BG11, 日供水 2
次。
实验时, 称取若干份发菜, 每份重约 0. 2 g, 先用
蒸馏水多次冲洗, 再用不同培养液洗 3～ 4 次, 以除
去表面尘埃和杂物。样品于 25℃, 60 Λmo lõm - 2õs- 1
光强下恢复 14 h, 以达到完全光合恢复[8 ] , 取出, 平
铺于约 15 cm 2 尼龙网垫上, 快速吹干, 在干燥器中
干燥 28 h 后称重作为初始重 (W i)。按照以上设定条
件, 置于CO 2 培养箱 (Conviron E7) 中培养, 光源为
日光灯 (24 h 光照) , 温度控制在 25℃。培养 13 d
后, 如上称重, 记为最终重 (W e)。增长率用如下公式
计算: 增长率 (% ) = (W e- W i)÷W i×100%。
1. 3　统计分析
用 SPSS 提供的单因素方差分析 (one2w ay
ANOVA ) 比较各不同处理下发菜生长的差异; 采用
T ukey’s honest ly sign if ican t d ifference 进行组间均
值的两两比较。
2　结果与讨论
2. 1　光强和日供水次数对发菜生长的影响
供水次数对发菜的生长有较明显的影响 (图
1)。在光强为 57、114 Λmo lõm - 2õs- 1, 大气CO 2 浓度
和BG11 培养条件下, 每天供水 1、2 和 3 次时, 培养
13 d 后, 发菜干重分别增长 13. 6%、14. 4%、24. 8%
和 14. 4%、25. 0%、30. 1% ; 220 Λmo lõm - 2õ s- 1 光
强, 每天供水 2 和 3 次时分别增长 19. 1% 和
2513%。统计分析表明, 除在 57 Λmo lõm - 2õs- 1下,
1 次和 2 次供水的发菜生长无明显差异外, 在其他
处理中, 发菜生物量的增长都随供水次数的增加而
显著升高。
发菜生长于干旱、半干旱地区, 水分是其生长的
主要限制因子。自然条件下, 雨水和露水是其生长所
需水分的主要来源, 因此其生长主要集中雨水较多
的夏季。本实验条件下, 发菜在每次供水后, 处于湿
相的时间约为 5 h, 其生长与供水次数成正相关系,
而与设计的供水时间无关。如每天 1 次供水时,
8÷00、16÷00 和 0÷00 的供水次数是相同的; 2 次供水
时, 8÷00、16÷00 供水和 8÷00、0÷00 供水的效果是相
同的 (数据未列出)。发菜的生长需要一定的水分, 但
过多的水分供应也会对其产生危害。在每日 3 次供
水时, 培养 13 d 后, 发菜部分胶鞘分解并粘连在一
起, 而供水 1 次和 2 次时则无此现象。在完全浸水,
或每天浸水 12 h、晾干 12 h 的情况下, 发菜的胶鞘
在一星期内都会发生分解, 释放出一些黄褐色的物
质粘连在尼龙网垫上。采集的天然发菜在液体中培
养时, 其胶鞘维持时间的长短同细菌的多少密切相
图 1　日供水次数和光照强度对
发菜生长的影响 (m eans±SD , n= 3)
F ig11　T he effects of w atering tim es per day
and ligh t in tensit ies on the grow th of
N ostoc f lag ellif orm e (m eans±SD , n= 3)
214 武 汉 植 物 学 研 究　　　　　　　　　　　　　　　　　第 21 卷　　
关[5 ]。在细菌得到有效控制的情况下, 发菜胶鞘可以
维持较长时间。另外, 在液体中培养时, 发菜虽然能
形成一定的群体, 但只是多根藻丝比较松散的聚集
在一起, 并同时分泌一些粘稠的物质到培养基中。我
们将液体培养的发菜群体接种在沙质土壤上, 保持
一定的干湿节律, 能够成活一段时间, 但最后也未能
形成天然头发状。发菜外被胶鞘的维持和形成可能
需要一个干2湿2干交替变化的过程, 而在这一过程
中, 湿相的时间长短和湿相的周期变化对发菜胶鞘
的维持和形成可能尤为重要。
光照强度对发菜生长也有明显影响。日供水 2
和 3 次时, 中度光强 (114 Λmo lõm - 2õs- 1) 下发菜干
重的增长显著高于在低光 (57Λmo lõm - 2õs- 1) 和高
光 (220 Λmo lõm - 2õs- 1) 下干重的增长 (图 1)。据测
定, 在完全吸水的情况下, 发菜的光补偿点和光饱和
点分别在 40 和 140 Λmo lõm - 2õs- 1左右。实验所设
置的低光是 57 Λmo lõm - 2õs- 1, 略高于补偿点, 此时
生长肯定较慢。而高光下, 发菜光系统在吸水恢复的
过程中可能会受到损伤[8 ] , 在失水过程中, 这种情况
可能也会发生。光系统受损势必会影响光合作用这
一重要生理过程, 从而影响发菜生长。当然, 在不同
光强下培养, 发菜会发生一些生理和生化变化, 以适
应各自的环境。这些调节的实现需要一定的能量和
时间来完成, 这也可能导致发菜在高光和低光下生
长较慢。
2. 2　光强和CO 2 对发菜生长的影响
CO 2浓度对发菜生长的影响和光强密切相关 (图
2)。在114和220 Λmo lõm - 2õs- 1光强下, 2 800 ΛL öL
图 2　光强和CO 2 浓度对发菜生长的影响
(m eans±SD , n= 3)
F ig12　T he effects of CO 2 concen tra t ions on
the grow th of N ostoc f lag ellif orm e
under differen t ligh t in tensit ies (m eans±SD , n= 3)
的CO 2 对发菜的生长没有明显促进, 说明在这两个
光强下, 大气CO 2 已基本可以使发菜光合作用达到
饱和。在 57 Λmo lõm - 2õ s- 1的光强下, 发菜在大气
CO 2 浓度下 ( 350 ΛL öL ) 增长了 24. 8% , 而在
2 800 ΛL öL CO 2 下仅增长了 1214% , 显著低于前
者, 这同Gao 和Yu 的结果一致[9 ]。高浓度CO 2 可以
为光合作用提供更多的底物, 并能在一定程度上抑
制植物的呼吸作用, 因此CO 2 的升高一般都会促进
植物的生长。但在低光下, 高浓度CO 2 却抑制了发
菜的生长。Q iu 和 Gao 报道, 在高 CO 2 (1 500 ΛL ö
L ) 下, 发菜 P2I 曲线的初始斜率 Α减小[10 ]。在光限
制部分, 光合活性和 Α成正比, Α的降低可能导致较
低的光合活性, 这可能是低光和高CO 2 条件下发菜
生物量增长较少的原因之一。当然, 生长是一个很复
杂的过程, 涉及发菜的各个代谢活动, 是各种代谢活
动的综合结果, 导致这一现象的原因还有待进一步
探讨。
2. 3　BG11 培养基成分的改变对发菜生长的影响
当改变BG11 培养基成分时, 发菜的生长也表
现出了一定的差异 (图 3)。钾离子在发菜吸水后的
光合恢复中有重要作用[11 ]。在本实验中, 钾离子的
缺失对发菜的生长并没有明显抑制; 相反的, 加倍的
钾反而不利于发菜的生长。钾是植物生长的一种重
要元素, 实验中, 发菜在缺钾时生长没有多大的变
化, 可能有以下原因: 其自身的“钾库”在培养期内足
以提供足量的钾; 另外, 当植物中 K+ 缺乏时,N a+ 也
可部分替代 K+ 作用。发菜浸没在水中时, 可以利用
HCO 3- [12 ] , 但去掉BG11 中的CO 32- 后, 发菜的生长
并 没 有 受 到 显 著 影 响; 这 进 一 步 说 明 了 在
114 Λmo lõm - 2õs- 1光强下, 大气中的CO 2足以为发
图 3　K+ 缺失 (BG11-K+ )、加倍 (BG11+ K+ )和CO 32-
缺失 (BG11-C)对发菜生长的影响 (m eans±SD , n= 3)
F ig13　T he effects of lack ingödoubling of K+ and
lack ing of CO 32- on the grow th of
N ostoc f lag ellif orm e (m eans±SD , n= 3)
314　第 5 期　　　　　　　　　　　　李运广等: 发菜 (N ostoc f lag ellif orm e)培养条件的研究
菜光合作用提供足够的“碳”源。
2. 4　无机氮源的供应对发菜生长的影响
无论是在高光、中光和低光, 还是在低CO 2 和
高 CO 2 条件下, 无机氮源 (N aNO 3) 的缺失都显著抑
制了发菜的生长 (图 4)。在高光和高CO 2 同时存在
的情况下, BG11 培养发菜和BG110 培养发菜生物
量的增长差别最大, 前者是后者的 4. 5 倍。虽然发菜
具有异形胞, 能够固氮, 但固氮是一个非常耗能的过
程, 如以一分子游离态的氮被固定为氨计算, 就要消
耗 16 分子的A T P。同地木耳 (N ostoc com m une) 相
比, 发菜的固氮活性要低得多, 特别是在经过一定的
干湿节律后, 更是要低得多[13 ]。过多的光合产物被
用来固氮、或者是不能为细胞的分裂和生长提供足
够的氮源都可能导致发菜在缺乏无机氮条件下生长
缓慢。
图 4　不同光强、CO 2 浓度下 (ΛL öL ) , 无机氮供给对
发菜生长的影响 (m eans±SD , n= 3)
F ig14　T he effects of supp ly of ino rgan ic n itrogen
on the grow th of N ostoc f lag ellif orm e at differen t ligh t
in tensit ies and CO 2 concen tra t ions (m eans±SD , n= 3)
从以上结果可知, 发菜较适宜的生长条件是: 发
菜光饱和点附近的光强、无机氮源的存在及合理的
水分供应。
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