全 文 ：武汉植物学研究 2001, 19 (5) : 403～ 408
J ourna l of W uhan B otan ica l Resea rch
几种因素诱导鱼腥藻 7120 短藻丝体的形成Ξ
欧阳叶新1, 2　施定基3　胡鸿钧1　梁承邺2
(1. 中国科学院武汉植物研究所, 武汉　430074; 2. 中国科学院华南植物研究所, 广州　510650;
3. 中国科学院植物研究所, 北京　100093)
摘　要: 丝状蓝藻鱼腥藻 7120 (A nabaena sp. PCC 7120) 中可成功表达外源基因, 但其转化
和表达效率不高, 改变细胞的生理状态可能会影响外源基因的转化和表达效率。将鱼腥藻
7120 营养藻丝体通过几种因素诱导形成短藻丝体 (具有 25 个左右细胞) , 并对其光合活性进
行了测定。结果表明: 红光和高温对鱼腥藻 7120 短藻丝体较为有效, 且红光诱导在 48 h 时,
短藻丝体细胞数占总细胞数的比例达到 85% ; DCM U 单独诱导效果不明显, 适当浓度的
DCM U + 红光诱导时诱导效率略有增加; 高温以 45℃诱导 12 h 比例最高, 约达 87% ; 高温
45℃诱导时, 对数生长后期的鱼腥藻 7120 较易形成短藻丝体。光合活性测定结果显示, 诱导
形成的短藻丝体光合放氧速率比正常营养藻丝体的低, 这种具有光合放氧能力的短藻丝体显
示出作为表达外源基因受体的可能性。
关键词: 鱼腥藻 7120; 红光; 高温; 藻殖段; DCM U
　　中图分类号: Q 949. 22　文献标识码: A 　文章编号: 10002470X (2001) 0520403206
Formation of Short F ilam en ts of A nabaena sp. PCC 7120
Induced by Severa l Factors
OU YAN G Ye2X in1, 2, SH I D ing2J i3, HU Hong2Jun1, L IAN G Cheng2Ye2
(1. W uhan Institu te of B otany , T he Ch inese A cad emy of S ciences, W uhan　430074, Ch ina;
2. S ou th Ch ina Institu te of B otany , T he Ch inese A cad emy of S ciences, Guangzhou　510650, Ch ina;
3. Institu te of B otany , T he Ch inese A cad emy of S ciences, Beijing　100093, Ch ina)
Abstract: Fo reign genes can be successfu lly exp ressed in the filam en tou s b lue2
green algae A nabaena sp. PCC 7120 (A . 7120) a t low levels. Changes in the
physio logica l condit ion s of A . 7120 m ay affect exp ression of heterogenou s
genes in A . 7120. W e described here that severa l st ress facto rs induced the
fo rm at ion of sho rt f ilam en ts (ca. 25 cells) from vegeta t ive filam en ts of A .
7120. T he data show ed that red ligh t and h igh temperatu re are eff icien t to in2Ξ 收稿日期: 2000212213, 修回日期: 2001204229。基金项目: 得到国家海洋 863 项目资助 (N o. 819204211) 和中国科学院武汉植物研究所所长基金及所长特
别基金支持。本工作在中国科学院植物研究所光合作用中心完成。
作者简介: 欧阳叶新 (1965- ) , 男, 博士, 主要从事遗传学和藻类分子生物学研究。
duce the fo rm at ion of sho rt f ilam en ts; and after 48 h of red ligh t induct ion, the
ra t io of the cell num bers of sho rt f ilam en ts (CN SF ) to the to ta l cell num bers of
vegeta t ive filam en ts (CN T ) is up to 85%. M eanw h ile, DCM U is no t eff icien t
to induce the fo rm at ion of sho rt f ilam en ts, bu t the ra t io of CN SF to CN T in2
duced by red ligh t supp lem en ted w ith adequate concen tra t ion of DCM U in
m edium BG211 can be increased sligh t ly. H igh temperatu re a t 45℃ t rea tm en t
after 12 h can genera te the h ighest ra t io of CN SF to CN T abou t 87%. Fu rther2
mo re, the exponen t ia l m id2 o r telo2phase grow th of A . 7120 vegeta t ive fila2
m en tou s cells a t 45℃ can easily fo rm the sho rt f ilam en ts. T he pho to syn thet ic
analysis show ed that the pho to syn thet ic ra tes of oxygen evo lu t ion in sho rt f ila2
m en ts are low er than tho se in no rm al vegeta t ive filam en ts. It show ed po ten t ia l
u se of these A . 7120 sho rt f ilam en ts w ith pho to syn thet ic act ivit ies as recip ien t
cells fo r exp ressing fo reign genes.
Key words: A nabaena sp. PCC 7120; R ed ligh t; H igh temperatu re; Ho rmogo2
n ia; DCM U 〔32(3, 42 dich lo rophenyl) 21, 12dim en thylu rea〕
鱼腥藻 7120 (A nabaena sp. PCC 7120) 是一种不分枝的丝状蓝藻, 通常由上百个细
胞构成一种念珠状结构, 曾称之为念珠藻 7120 (N ostoc sp. PCC 7120) , 后因有学者认为
该藻不能象念珠藻那样形成藻殖段而改名为鱼腥藻 7120 沿用至今[1 ]。藻殖段是丝状蓝藻
遇不良环境时形成的一种短藻丝体 (典型的由 25 个左右细胞构成[2 ]) , 是丝状蓝藻的一种
繁殖方式。鱼腥藻 7120 作为一种模式生物, 在光合作用、固氮作用、异形胞发育及外源基
因表达等方面取得许多有意义的结果[2 ]。其细胞之间排列紧密, 细胞外有胶质鞘[1 ] , 可能
影响外源基因的导入; 细胞数目多也可能导致外源基因转化和表达细胞比例相应降低,
因此我们在原来工作的基础[3 5 ]上, 尝试改变宿主细胞生理状态来改善外源基因表达效
率。蓝藻对光质、光强和温度等外界环境因子较敏感, 红光和高温诱导可引起蓝藻结构和
生理等一系列变化[6 10 ] , DCM U 〔32(3, 42 dich lo rophenyl) 21, 12dim en thylu rea〕是一种光
合作用阻断剂, 可影响蓝藻光合作用[11 ]。笔者采用其它丝状蓝藻藻殖段诱导方法, 诱导了
鱼腥藻 7120 形成具有光合活性的由约 25 个细胞构成的短藻丝体, 分析了其光合活性, 为
用作外源基因转化的受体, 探索改善外源基因在蓝藻细胞的转化和表达效率的途径奠定
了基础。
1　材料和方法
111　实验材料
蓝藻鱼腥藻 7120 (A nabaena sp. PCC 7120)来自法国巴斯德研究所, 选用BG211 (无
氮) 液体培养基[1 ] , 置于 Gallenkamp 型光照恒温振荡培养箱中培养, 转速为 130 röm in,
温度为 (28±2)℃, 连续光照强度为 150 Λmo lõm - 2õs- 1。选取对数生长期的鱼腥藻 7120
转入新鲜BG211 液体培养基中, 培养 2～ 3 d 后分别按下述方法进行诱导。细胞计数采用
血细胞计数法进行。
112　几种因素对鱼腥藻 7120 短藻丝体的诱导
112. 1　红光　参照文献[ 11 ] (略作改动) , 离心 (3 000 röm in, 3～ 5 m in)收集鱼腥藻 7120,
用BG211 培养基洗涤数次, 然后重悬于 100 mL 新鲜培养基中, 130 röm in 液体振荡培养,
404 武 汉 植 物 学 研 究　　　　　　　　　　　　　　　　第 19 卷　　
红光照射 (10 Λmo lõm - 2õs- 1)。每隔 12 h 取样, 观察、计数, 计算短藻丝体细胞数占细胞总
数的百分比例。短藻丝体细胞数以低于 20～ 25 个细胞构成的短藻丝体 (与其它丝状蓝藻
形成的藻殖段长度类似)进行计数。
1. 2. 2　DCM U　参照文献[ 11 ]。将洗涤后的新鲜藻液中加入不同浓度的DCM U (5、10、
20 Λmo löL ) , 每隔 12 h 取样, 观察、计数, 计算短藻丝体细胞数占细胞总数的百分比例。
1. 2. 3　红光+ DCM U　将洗涤后的新鲜藻液在用红光 (10 Λmo lõm - 2õs- 1) 诱导的同时,
加入不同浓度的DCM U (5、10、20 Λmo löL ) , 每隔 12 h 取样, 观察、计数, 计算短藻丝体细
胞数占细胞总数的百分比例。
1. 2. 4　高温诱导　参照文献[ 9, 10 ]。将洗涤后的新鲜藻液于恒温水浴 (30℃、36℃、40℃、
42℃和 45℃)中诱导。每隔 2 h 取样, 观察、计数, 计算短藻丝体细胞数占细胞总数的百分
比例。
1. 2. 5　光合放氧活性测定　参照文献[ 4 ]。用英国产H an sT ech DW ö1 型氧电极测定。
2　结果和讨论
2. 1　红光和DCM U 对鱼腥藻 7120 短藻丝体形成的影响
采用红光、红光+ DCM U 诱导处理, 得到的短藻丝体占总藻丝体的比例如图 1。结果
表明, 红光、红光+ DCM U 和DCM U 诱导后均能形成短藻丝体, 但比例不同, 前两者显著
高于后者, 并且前二者在 48 h 诱导效果最佳, 此时其比例分别达到 84% 和 89%。另外, 从
图中可以看出单独用红光处理比单独用DCM U 处理效果好, 并且红光处理在 48 h 时达
到最大值, 而DCM U 处理则表现为平缓上升, 在 96 h 内仅达 20% 左右。用红光处理时加
入DCM U , 一定程度上可以提高诱导分化短藻丝体的比例。
CN SF: 短藻丝体细胞数; CN T: 细胞总数
CN SF: T he cell num bers of the sho rt filam en ts;
CN T: T he to tal of the cell num bers
图 1　红光和DCM U 对鱼腥藻 7120 短藻丝体
形成的影响
F ig11　T he effects of red ligh t andöo r DCM U on the
fo rm ation of A nabaena sp. PCC7120 sho rt filam en ts
CN SF: 短藻丝体细胞数; CN T: 细胞总数
CN SF: T he cell num bers of the sho rt filam en ts;
CN T: T he to tal of the cell num bers
图 2　不同温度处理对鱼腥藻 7120 短藻丝体
形成的影响
F ig12　T he effect of differen t temperatu res on the
fo rm ation of A nabaena sp. PCC7120 sho rt filam en ts
504　第 5 期　　　　　　　　　欧阳叶新等: 几种因素诱导鱼腥藻 7120 短藻丝体的形成
　　这一结果表明, 红光对于鱼腥藻 7120 短藻丝体的形成具有较好的作用, 而光合电子
传递链的阻断剂DCM U 的效果不如红光明显。这说明尽管鱼腥藻 7120 不能形成藻殖段,
但采用其它丝状蓝藻藻殖段光质诱导方法, 也可以有效地诱导鱼腥藻 7120 形成短藻丝
体。并且这与在眉藻 (Ca loth rix )中观察到的红光和DCM U 具有一致的作用类似[8, 12 ] , 但
与红光和DCM U 的等同作用尚有区别, 造成这种差异的原因尚不清楚。在眉藻中, 红光
和DCM U 主要是通过对电子传递的影响而起作用, 其细胞膜上具有感受红光的光信号
受体[12 ] , 由此推论红光对电子传递的影响可能与光信号受体有关, 而DCM U 则主要是阻
断光系统 II向光系统 I 的电子传递[8, 12 ]。因此, 在鱼腥藻 7120 中红光和DCM U 均能增加
短藻丝体的比例, 但这两种作用程度可能有差别, 其中红光的作用更明显。
2. 2　温度
图 2 显示选用 6 种不同温度对鱼腥藻 7120 的诱导情况, 结果表明高温以 45℃处理,
在 2～ 6 h 内形成的短藻丝体细胞数占总藻丝体细胞数的比例最高, 约为 85% ; 36～ 45℃
间, 在前 6 h 内随温度升高, 短藻丝体分化比例越高, 并且 36℃处理时, 其短藻丝体分化比
例变化不大。另外, 长时间过高温度 (高于 45℃, 如达到 47℃) 的处理, 使鱼腥藻 7120 发
黄死亡。由此看来, 45℃左右的温度可能是鱼腥藻 7120 的最适高温胁迫温度, 在 45℃以
下的温度范围内, 随着温度的升高, 短藻丝体分化比例增加, 说明适宜的高温处理, 对鱼腥
藻 7120 的短藻丝体的诱导, 与红光一样较为有效。
有报道温度可诱导丝状蓝藻藻殖段的分化[9, 10, 13 ]。在 45℃下经过 6～ 10 h 培养后, 可
形成大量的藻殖段。本研究采用高温 (45℃, 6 h) 诱导处理鱼腥藻 7120, 得到了分化比例
较高的短藻丝体, 与文献[ 9, 10 ]报道结果一致, 这说明尽管鱼腥藻 7120 不能形成藻殖段,
但采用其它丝状蓝藻藻殖段高温诱导方法也可使鱼腥藻 7120 形成短藻丝体。
取培养不同时间的鱼腥藻 7120 (不同藻龄) , 光照 70 Λmo lõm - 2õs- 1下用 45℃加热处
理, 每隔 1 h 取样观察, 镜检并计数。图 3 显示了 45℃下鱼腥藻不同生长期对诱导短藻丝
体形成的影响。结果表明: 生长期越长 (13 d 以内) , 随着高温处理时间增加, 获得的短藻
丝体细胞数占总藻丝体细胞数的比例越大, 以 13 d 的藻液培养物在 45℃下诱导形成短藻
丝体的比例最高, 2 h 后便大量增加, 在 6 h 内约可达到 88%。当藻龄达到 15 d 时, 自然形
成 (未经高温诱导) 的短藻丝体数目大大增加, 高温诱导时, 短藻丝体数增幅不如生长了
13 d 时的增幅大, 并且 4 h 高温处理后, 鱼腥藻 7120 细胞有部分死亡。这可能是因为藻龄
过大, 藻体细胞进入生长静止期后经高温处理时, 其自身对外界环境的响应能力降低, 引
起藻细胞部分死亡。相比之下, 藻龄越小 (在 1～ 13 d 内) , 得到较高比例短藻丝体则需要
较长时间的高温处理, 并且藻龄越小, 高温诱导短藻丝体形成的比率增加较为缓慢。以上
结果表明适当的藻龄有助于高温诱导鱼腥藻 7120 短藻丝体的形成。
迄今, 有关藻龄对丝状蓝藻藻殖段分化形成短藻丝体的影响报道不多[14 ] , 而高温诱
导下藻龄对藻殖段分化形成短藻丝体的影响尚未见报道。本工作研究了高温诱导下鱼腥
藻 7120 的藻龄对短藻丝体形成的条件, 重复性较好。鱼腥藻 7120 的藻龄达到 15 d 时, 自
然形成 (未经高温诱导)的短藻丝体数目大大增加, 意味着鱼腥藻 7120 的藻细胞进入静止
相时, 自然分化形成短藻丝体的能力增加, 这一结果与文献[ 13 ]推论处于静止相的藻细胞
中可能合成了一种未知的化学物质抑制短藻丝体的分化的结果相左。这可能是藻种差异、
604 武 汉 植 物 学 研 究　　　　　　　　　　　　　　　　第 19 卷　　
或可能存在多种机制控制短藻丝体分化所致, 详细机制有待于更深入的研究。
2. 3　短藻丝体的光合放氧活性
选取高温和红光诱导形成的短藻丝体 (SF2H T , SF2RL ) 和正常的营养藻丝体 (CK) ,
在 25℃下, 测定了不同光照强度下的净光合放氧情况, 结果 (见图 4)表明: 在不同光强下,
短藻丝体 SF2H T 和 SF2RL 的光合放氧活性均比CK 低。在 600 Λmo lõm - 2õs- 1下, SF2
RL , SF2H T 的光合放氧活性分别为 CK 的 6215% 和 5215% 左右, 当光强增加至
1 350 Λmo lõm - 2õs- 1 时, SF2RL 和 SF2H T 的光合放氧活性大约为 CK 的 8017% 和
7518%。同时, 在光强大于 600 Λmo lõm - 2õs- 1时, 都表现出光抑制现象, 而诱导产生的短
藻丝体 SF2RL 和 SF2H T 在该光强下光抑制程度不如CK, 说明 SF2RL 和 SF2H T 的抗光
损伤能力比CK 强。另外, 从图 1 中还可以看出: SF2RL 和 SF2H T 的光饱和点与CK 的差
不多, CO 2 补偿点也比CK 细胞的高一些。这些特性与N aC l 胁迫下的鱼腥藻 7120 的特性
类似[15 ] , 说明红光和高温对鱼腥藻 7120 光合活性的影响可能和N aC l 胁迫具有类似的机
制, 因此均属于胁迫诱导影响所致。但是, 高温和红光对光合活性的影响是否有区别尚待
进一步证实。
CN SF: 短藻丝体细胞数; CN T: 细胞总数
CN SF: T he cell num bers of the sho rt filam en ts;
CN T: T he to tal of the cell num bers
图 3　鱼腥藻 7120 藻龄对短藻丝体形成的影响 (45℃)
F ig13　T he effect of differen t cu ltu re ages on
the fo rm ation of A nabaena sp. PCC 7120
sho rt filam en ts at 45℃
　
图 4　红光和高温诱导的鱼腥藻 7120 短藻丝体在
不同光强下测定的净光合速率
F ig14　N et pho to syn thetic rates in the
A nabaena sp. PCC 7120 sho rt filam en ts induced by
red ligh t (SF2RL ) and h igh temperatu re (SF2H T )
under differen t pho ton flux density (PFD )
　　上述方法诱导形成的短藻丝体仍具有光合活性, 且在正常培养条件下能生长成营养
藻丝体 (数据未显示) , 暗示短藻丝体用作受体细胞来表达外源基因的可能性, 为改变外源
基因在丝状蓝藻中的表达效率奠定基础。
3　结论
对诱导鱼腥藻 7120 短藻丝体形成因素的研究结果表明: 利用红光和高温可诱导处理
丝状蓝藻鱼腥藻 7120 产生短藻丝体, 红光和高温对鱼腥藻 7120 短藻丝体较为有效, 但
704　第 5 期　　　　　　　　　欧阳叶新等: 几种因素诱导鱼腥藻 7120 短藻丝体的形成
DCM U 单独诱导效果不明显; 适当浓度的DCM U + 红光诱导时诱导效率略有增加; 高温
以 45℃诱导 12 h 比例最高, 约达 87%。另外, 高温 45℃诱导时, 对数中后期的鱼腥藻
7120 细胞较容易形成短藻丝体。通过上述方法诱导形成的短藻丝体, 虽然光合活性降低,
但仍具有光合活性, 表明短藻丝体可用作受体细胞来表达外源基因, 或许可以为改变外源
基因在丝状蓝藻中的表达效率提供新的途径。
致谢: 武汉大学生命科学学院遗传系的黄开耀同学参与了部分工作, 特此致谢。
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