全 文 ：武汉植物学研究 2002, 20 (5) : 399～ 402
J ourna l of W uhan B otan ica l Resea rch
丝藻光合作用无机碳利用研究Ξ
夏建荣1　高坤山1, 2
(1. 汕头大学海洋生物研究所, 汕头　515063; 2. 中国科学院水生生物研究所, 武汉　430072)
摘　要: 丝藻 pH 补偿点为 912, 表明其具有较低的CO 2 补偿点; 不同 pH 值下丝藻光合作用放氧速率明显大于理
论上从HCO -3 脱水来的 CO 2 供应速率, 表明其具有利用 HCO -3 的能力; 未检测到丝藻有胞外碳酸酐酶活性, 胞内
碳酸酐酶的活性随培养液中 CO 2 浓度的升高而降低。
关键词: 丝藻; 碳酸酐酶; 无机碳; 光合作用
　　中图分类号: Q 949. 21　　　　　文献标识码: A 　　　　　文章编号: 10002470X (2002) 0520399204
Stud ies on Photosyn thetic Inorgan ic Carbon
Util iza tion of U loth r ix sp.
X IA J ian2Rong1, GAO Kun2Shan1, 2
(1. M arine B iology Institu te, S han tou U n iversity , Shan tou　515063, Ch ina;
2. Institu te of H y d robiology , T he Ch inese A cad emy of S ciences, W uhan　430072, Ch ina)
Abstract: Pho to syn thet ic ino rgan ic carbon u t iliza t ion of U loth rix sp. had been invest iga ted. T he
resu lts show ed that pH compen sat ion po in t of U loth rix sp. w as 912, w h ich suggested low er CO 2
compen sat ion po in t in U loth rix sp. Pho to syn thet ic O 2 evo lu t ion w as h igher than theo ret ica l CO 2
supp ly ra te from HCO -3 dehydrat ion in differen t pH , w h ich imp lied U loth rix sp. can u t ilize
HCO -3 . Ex tracellu lar CA act ivity of U loth rix sp. w as no t found, bu t in t racellu lar CA act ivity
w as decreased w ith increased CO 2 levels.
Key words: U loth rix sp. ; CA act ivity; Ino rgan ic carbon; Pho to syn thesis
　　一般认为绿藻光合固碳途径类似高等C3 植物,
但它们中有很多单细胞种类又具有利用HCO -3 的
能力, 常见的如莱因衣藻、蛋白核小球藻和斜生栅
藻[1 3 ] , 这些藻细胞内积累的无机碳浓度有时甚至
明显高于外界无机碳浓度, 此种机制被称为无机碳
的浓缩机制或无机碳泵[4 ]。在高浓度 CO 2 条件下,
它们的生理状态有明显变化, 对CO 2的亲和力降低,
CO 2补偿点升高, 碳酸酐酶 (CA 酶) 活性降低[5, 6 ]。
另外研究也有表明, 单细胞绿藻利用 HCO -3 是一
个需 要 能 量 的 过 程, 转 运 1 mo l HCO -3 需 要
1 mo l A T P [7, 8 ]。以上有关单细胞绿藻无机碳利用的
研究已很多, 而有关丝状绿藻无机碳利用的报道很
少。本实验采用丝状绿藻2丝藻 (U loth rix sp. ) 为实
验材料, 研究了其光合作用无机碳的利用机制和可
能途径。
1　材料与方法
1. 1　实验材料
丝藻 (U loth rix sp. ) 取自中国科学院水生生物
研究所典型物保藏中心淡水藻种库。
1. 2　实验材料的培养
① 将藻种扩大培养至对数期, 接种入含
B risto l’s 培养液的培养瓶中, 通过滤空气, 光照度
200 Λmo lõm - 2õs- 1, 光暗周期= 12÷ 12, 温度 25℃,
培养至对数期收获, 用于以下 113、114 和 115 的实Ξ 收稿日期: 2001212224, 修回日期: 2002209205。基金项目: 国家自然科学基金资助项目 (39830060)。
　　　作者简介: 夏建荣 (1968- ) , 男, 浙江海宁人, 博士, 讲师, 主要从事藻类生理生态学研究。
验。②将藻种扩大培养至对数期, 接种入 3 个含改
良B risto l’s 培 养 液 ( 含 2 mmo löL N aHCO 3 和
20 mmo löL T ris) 的培养瓶中, 用N aOH 或 HC l 调
整 pH 值分别为 712、812 和 910, 采用半连续培养。
照光期, 每隔一定时间添加N aHCO 3, 使培养液中
可溶性无机碳 (D IC) 浓度变化小于 10% , 培养过程
中 pH 值保持稳定。根据 pH 值和D IC 浓度估算培
养液中 CO 2 浓度。培养温度为 25℃, 光照度为
200 Λmo lõm - 2õs- 1, 光暗周期= 12÷ 12, 培养 6～ 7 d
后收获, 用于测定碳酸酐酶活性。
1. 3　pH 值补偿点测定 (pH 2drif t 实验)
将一定量上述 112 ①中培养的丝藻分别置于 2
个含新鲜B risto l’s 培养液的三角瓶中, 其中一瓶为
对照, 另一瓶中加入 EZ 使其浓度达到 100 ΛgömL ,
封闭, 在光照度 200 Λmo lõm - 2õs- 1, 温度 25℃下, 连
续光照培养, 每隔一定时间测定培养液的 pH 值, 至
pH 值达到稳定为止。
1. 4　不同 pH 值对丝藻光合速率的影响
用 T ris 作为缓冲剂, 调整反应槽中新鲜
B risto l’s 培养液的 pH 值分别为 715、810、815 和
910。加入一定量的丝藻, 枯竭培养液和藻细胞内的
无机碳, 然后加入N aHCO 3 使反应槽中培养液的
D IC 浓度达到 1 mmo löL , 在光照度 400 Λmo lõm - 2õ
s
- 1
, 温度 25℃条件下, 用氧电极测定光合放氧量,
实验设置 3 个重复。
1. 5　AZ 和 EZ 对丝藻光合速率的影响
用 T ris 作为缓冲剂, 调整反应槽中新鲜
B risto l’s 培养液的 pH 值为 810, 分别加入 A Z 和
EZ, 使其浓度达到 100 ΛgömL , 而对照组则不加
A Z 和 EZ。加入一定量的丝藻, 光强为 400 Λmo lõ
m
- 2õs- 1, 温度控制在 25℃, 用氧电极测定光合放氧
量, 实验设置 3 个重复。
1. 6　不同浓度CO 2 对丝藻碳酸酐酶活性的影响
采用N im er 等的方法[9 ] , 测定实验 112 ②中培
养的丝藻的胞外 (细胞没有被破碎) 和总 (细胞被破
碎)碳酸酐酶活性。
碳酸酐酶活性 (E. U õm g- 1 ch l) = 10× (T 1ö
T 0- 1) , 其中 T 1 和 T 0 分别表示未含或含检测物的
缓冲液中, pH 值从 813 下降到 713 所需的时间。胞
内碳酸酐酶活性= 总碳酸酐酶活性- 胞外碳酸酐
酶活性。叶绿素含量测定采用L ich ten thaler等的方
法[10 ]。
1. 7　HCO -3 脱水产生CO 2 的理论速率的计算
参照M iller 和 Co lm an 的方法, 计算不同 pH
值下非催化HCO -3 脱水产生CO 2 的速率[11 ]。
2　结果与讨论
随着时间的延长, 两种不同处理的丝藻培养液
中 pH 值均明显升高 (图 1) , 分别在光照 12 h 和
15 h时达到稳定, 含 EZ 的培养液中的最终 pH 值约
为 812, 不含 EZ 的培养液中的pH 值约为 912。在封
闭系统中 (密封的三角瓶) , 光合作用的CO 2 利用是
导致培养液中pH 值升高的主要原因。pH 值达到的
图 1　EZ 对丝藻 pH 值补偿点的影响
F ig11　Effect of EZ on pH compensation
po in t of U loth rix sp.
稳定点, 实际上间接地反映了丝藻生长的CO 2 补偿
点, R aven 等发现用 pH 2drif t 实验测得的L em anea
m am illosa 和 B a trachosp erm um sp. CO 2 补偿点与
用红外气体分析的方法测得的结果相似[12 ]。低的
CO 2 补偿点常被认为藻类能利用 HCO -3 的标志,
M aberly 等的研究发现, 一般在 pH 2drif t 实验中能
利用HCO -3 的藻类的最终 pH 值大于 9[13 ]。为了进
一步证实丝藻能否利用HCO -3 , 我们测定了不同pH
值下丝藻的光合作用速率, 根据光合作用放氧速率
与理论上从HCO -3 脱水产生CO 2 速率确定其是否
能 利 用 HCO -3 。 有 人 已 用 这 种 方 法 确 定 了
Coccoch loris p en iocy stis 和 P osid on ia austra lis 的
HCO -3 的利用[11, 14 ]。本实验结果表明 (图 2) , 随 pH
值的升高, 特别是当 pH 值大于 810 时丝藻的光合
速率明显下降。在 pH 715～ 910 范围内, 理论上从
HCO -3 脱水产生的 CO 2 供应速率分别为 01066、
01024、01011、01006 Λmo l CO 2õmL - 1õ m in - 1, 而丝
藻光合作用氧气的释放速率分别为 1104、1102、
0163、0115 Λmo l O 2õ mL - 1õm in - 1, 后者是前者的
15～ 60 倍, 可见仅从 HCO -3 脱水产生的 CO 2 作为
光合作用无机碳的惟一来源是无法解释丝藻光合作
004 武 汉 植 物 学 研 究　　　　　　　　　　　　　　　　 　第 20 卷　　
用有如此高的光合放氧速率的, 说明丝藻具有利用
HCO -3 的能力。
图 2　不同 pH 值下丝藻实际的放氧速率与
HCO -3 转化为CO 2 的理论速率
F ig12　O bserved rates of pho to syn thet ic oxygen evo lu t ion
by U loth rix sp. and the theo retical ra tes of CO 2 supp ly
derived from dehydration of HCO -3 in differen t pH
A Z 和 EZ 对丝藻光合速率的影响如图 3 所示,
在 pH 810 条件下, 与对照组相比, 添加 EZ 的丝藻
光合速率下降 8014% , 两者差异明显 (P < 0105) ,
而添加A Z 的光合速率稍有下降, 两者没有明显差
异 (P > 0105) , 可见 EZ 对丝藻光合速率有明显的
抑制作用。A Z 和 EZ 均是碳酸酐酶的抑制剂, EZ 具
有膜渗透性, 能通过细胞膜进入细胞体内, 而A Z 则
不能[15, 16 ] , A Z 主要抑制胞外碳酸酐酶活性, 而 EZ
能同时抑制胞内外碳酸酐酶的活性。我们的研究结
果显示, 在加入A Z 的情况下, 其光合速率与对照组
相比没有明显的影响, 表明丝藻没有胞外碳酸酐酶
图 3　AZ 和 EZ 对丝藻光合速率的影响
F ig13　Effects of A Z and EZ on pho to syn thetic ra te
of U loth rix sp.
图 4　不同CO 2 浓度对丝藻胞内碳酸酐酶活性的影响
F ig14　Effect of elevated CO 2 concen tra t ion
on in tracellu lar CA activity of U loth rix sp.
活性, 这与我们后来测定的丝藻没有胞外碳酸酐酶
活性的结果一致。而EZ对光合速率的抑制, 主要是
由于EZ能透过细胞膜, 抑制细胞内HCO -3 向CO 2的
转变, 从而导致光合速率下降。由于光合速率受抑
制, 因而导致了在封闭系统中pH值补偿点的下降。
另外我们还发现丝藻胞内碳酸酐酶活性随着培
养液中 CO 2 浓度的升高而降低, 与低浓度 CO 2 (3Λmo löL ) 培养相比, 另外 2 种CO 2 浓度培养分别降
低约 40% 和 60%。这是因为碳酸酐酶是一种诱导
酶, 它在高浓度 CO 2 下培养时酶的表达常受到抑
制[17, 18 ]。碳酸酐酶的存在为丝藻利用HCO -3 提供了
必要的条件。我们的结果也显示, 丝藻细胞没有胞外
碳酸酐酶活性, 这表明丝藻利用HCO -3 并不是先在
胞外通过胞外碳酸酐酶的作用将 HCO -3 转变为
CO 2, 而是通过某种途径通过细胞膜后在胞内碳酸
酐酶的作用下转变成CO 2, 再被丝藻细胞光合作用
所利用。至于HCO -3 是如何通过细胞膜的, 还有待
进一步研究。
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