全 文 ：高浓度 CO2培养条件下极大螺旋藻光抑制研究
夏建荣　高坤山
(汕头大学海洋生物广东省重点实验室 ,汕头　 515063; 中国科学院水生生物研究所 , 武汉　 430072)
摘要: 以极大螺旋藻作为实验材料 ,研究了不同 CO2浓度培养对螺旋藻光抑制和恢复的影
响 ,结果表明由光抑制导致的光合速率下降 ,高浓度 CO2比低浓度 CO2培养程度小 ,在高浓
度 CO2条件下培养的极大螺旋藻 ,虽然在强光下也表现出光抑制 ,但与低浓度 CO2相比 ,光
合速率下降得较慢。这种现象在强光与弱光培养均存在 ,但强光培养时更明显。光抑制后的恢
复实验表明 ,不同 CO2浓度培养的极大螺旋藻 ,光系统Ⅱ光化学活性 ( Fv /Fm)在弱光下恢复
较好 ,高光强、高浓度 CO2培养的藻 ,恢复速度稍快 ;而在黑暗中 ,几乎没有恢复 ;在弱光和含
氯霉素的条件下 Fv /Fm均下降。由此可见 ,高 CO2浓度可减轻极大螺旋藻的光抑制 ,但对其
光抑制后的恢复影响不大。
关键词: 极大螺旋藻 ; CO2;光抑制 ;恢复
中图分类号: Q949. 2　　文献标识码: A　　文章编号: 1000-3207( 2002) 01-0014-005
螺旋藻作为一种高蛋白的保健食品 ,常常被作为大量培养的对象 ,但当人们把实验室
培养的产量与户外培养的产量相比较时发现 ,户外培养的产量明显减少 ,一个可能的解释
是由于野外环境中光强有时远远大于螺旋藻的饱和光强 ,产生了光抑制现象 [1 ]。作者在实
验室的极大螺旋藻培养研究中发现 ,在较高光强下 ,通入高浓度 CO2对极大螺旋藻的生
长和光合作用有较大的促进作用 [ 2]。但在高浓度 CO2培养条件下 ,极大螺旋藻的光抑制
和恢复的研究还未见报道。本文对高浓度 CO2培养条件下极大螺旋藻的光抑制及其恢复
现象进行了研究 ,探讨了高浓度 CO2对极大螺旋藻光敏感性的影响。
1　材料与方法
1. 1　藻种　极大螺旋藻 ( Spirul ina max ima Setch et Gardn )藻种由中国科学院典型培养
物保藏委员会淡水藻种库提供。 0. 5% CO2由汕头气体厂提供。
1. 2　极大螺旋藻培养　极大螺旋藻的培养采用 Zarrouk s培养基 ,在温度 30℃ ,低光
( 100μmolm- 2s- 1 )或高光强 ( 400μmolm- 2 s- 1 )、光照周期 12∶ 12的条件下进行 ,高光与
低光条件下 ,分别通低浓度 CO2 (空气 )、高浓度 CO2 (含 0. 5% CO2的空气 ) ,流量为 0. 3—
0. 4L· min- 1。
　　收稿日期 ; 1999-12-10;修订日期: 2001-05-20
　　基金项目:国家杰出青年基金 ( 39625002) ;国家自然科学基金重点项目 ( 39830060) ;中国科学院淡水生态与生物
技术国家重点实验室基金资助
　　作者简介:夏建荣 ( 1968— ) ,男 ,浙江省海宁市人 ;博士 ;从事藻类生理生化方面的研究
第 2 6卷第 1期
2 0 0 2年 1月
水 生 生 物 学 报　
　 　 　 　 ACT A HYDROBIO LOGICA SIN ICA　 　 　 　　
Vol. 26, No. 1
Jan . , 2 0 0 2
1. 3　光抑制实验　将培养至对数期的极大螺旋藻过滤收获 ,用新鲜培养基稀释至一定浓
度 (叶绿素浓度 25μg· mL- 1 ) ,将 15mL藻液放入反应槽 ,水浴控温 30℃ ,用碘钨灯照光 ,
光强为 2000μmol· m- 2s- 1 ,并加磁力搅拌 ,在不同时间吸取一定量藻液 ,用新鲜培养液稀
释 10倍 (叶绿素浓度为 2. 5μg· mL- 1 ) ,用氧电极法测定光合放氧量 (光强 600
μmo l· m- 2s- 1 ,温度 30℃ )。暗适应 10min后 ,用植物效率仪 ( PEA, Hansatech, U. K)测
定 Fv /Fm值 ,每组实验设置三个重复。
1. 4　光抑制后恢复实验　按 1. 3光抑制实验 ,经高光强照射 60min后 ,将加入新鲜培养
液稀释 10倍后的藻液分别放置在 1)黑暗中 ; 2)弱光下 (光强为 60μmo l· m- 2s- 1 ) ; 3)在
弱光下 (光强为 60μmol· m- 2s- 1 )。 藻液中加入氯霉素 ( 100μg· m L- 1 ) ,放置过程中用磁
力搅拌器搅动 ,温度控制在 30℃ ,每隔一定时间用植物效率仪测定 Fv /Fm值。
2　结果
2. 1　高光强下 ( 2000μmol· m- 2s- 1 ) ,光合放氧随时间的变化
低光强下 ,分别通高、低浓度 CO2培养的极大螺旋藻 ,暴露在 2000μmo l· m- 2 s- 1光强
下 ,光合放氧量变化如图 1A所示 ,随暴露时间的延长 ,光合放氧量明显减少。暴露 75min
后 ,高、低浓度 CO2培养的极大螺旋藻 ,其光合放氧量分别为初始时的 62%和 53% (图
1B) ,两者有显著差异 ( t-test , P < 0. 05) ;高光强下培养的极大螺旋藻 ,暴露在相同时间
下 ,其光合放氧量分别为初始时的 58%和 75% ,两者差异显著 ( t-test , P < 0. 05)。
图 1　高光强下不同 CO2浓度培养极大螺旋藻光合放氧的变化 ( A:低光强
B:高光强 , 0. 5% CO2(▲ ) , 0. 035% CO2 (● ) )
Fig. 1　 Pho tosyn th etic O2 evolu tion as a fu nct ion of ex posure time to high
PFD in Spirul ina maxima g row n in dif ferent CO2 concent rat ion ( A: grow n
in low ligh t intensi ti es B: grow n in high light intensi ti es )
2. 2　高光强下 ( 2000μmol· m- 2s- 1 ) , Fv /Fm值随时间的变化
两种不同培养条件下生长的极大螺旋藻 ,当暴露在高光强下时 ,其光系统Ⅱ光化学活
性 ( Fv /Fm)都明显下降 (图 2) ,在 75min时 ,在低光强下 ,低、高 CO2浓度培养的极大螺旋
藻 ,其 Fv /Fm值分别为初始的 54. 6% 、 56. 4%。 而在高光强下 ,低、高 CO2浓度培养的极
大螺旋藻 ,其 Fv /Fm值分别为初始的 54. 5% 、 55. 1% ,两种情况下均无明显差异 ( t-test ,
151期 　　　　　　　夏建荣等:高浓度 CO2培养条件下极大螺旋藻光抑制研究　　　　　　　　　
P> 0. 05) ,但高浓度 CO2培养的极大螺旋藻其 Fv /Fm的下降速度较慢。
图 2　不同 CO2浓度培养的极大螺旋藻在高光强下 Fv / Fm值随时间的变化 ( A:低光
强生长 B:高光强下生长 , 0. 5% CO2(▲ ) , 0. 035% CO2 (● ) )
Fig. 2　 Fv /Fm as a fu nction of exposu re tim e to high PFD in Spirul ina maxima
grow n in dif ferent CO2 concent ration ( A: g rown in low ligh t inten siti es B: g row n in
high light intensi ti es )
2. 3　不同条件下 ,光抑制后的恢复过程
两种不同培养条件下生长的极大螺旋藻 ,暴露在高光强下 60min后 ,恢复的实验结
果如图 3所示 ,低光强下 ,低、高 CO2浓度下生长的极大螺旋藻 ,暴露在弱光下 1h, Fv /Fm
值分别恢复到初始时的 83%、 84% ;在黑暗中两者几乎都没有恢复 ;在弱光下 ,含氯霉素
的培养液中 Fv /Fm反而下降。高光强下 ,低、高 CO2浓度下生长的极大螺旋藻 ,表现了与
低光强下培养相似的恢复特征 ;在弱光下 ,高浓度 CO2培养的恢复速度稍快 ,但无明显差
异 ,表明了高浓度 CO2培养对极大螺旋藻的光抑制后的恢复影响不大。
图 3　光抑制后恢复过程中 Fv /Fm的变化 ( A:低光强下生长 B:高光强下生长 ; 0. 5% CO2 (▲■● ) ,
0. 035% CO 2(△□○ ) ,弱光下恢复 (▲△ ) ,黑暗中恢复 (■□ ) ,弱光+ 氯霉素下恢复 (○● ) )
Fig. 3　 Fv /Fm du ring recovery f rom photoinhibi tion of Sp irul ina m axima in di ff eren t condi tions ( A: g row n in low
ligh t in tensit ies, B: g row n in high ligh t in tensi ties; 0. 5% CO 2(▲■● ) , 0. 035% CO2(△□○ ) ,
dim light (▲△ ) , dark nes s(■□ ) , dim ligh t+ chlo ramph enicol (●○ ) )
16　　　　　　　　　　　　水　　生　　生　　物　　学　　报　　　　　　　　　　 26卷
3　讨论
极大螺旋藻暴露在高光强下 ,其光合速率明显下降 ,表现了与其它植物类似的光抑制
现象 [ 3, 4] ,主要是由于光合系统吸收了超过光合作用所能利用的光能而引起 PSII过量激
发。不同植物对高光强的反应是不同的 ,有的比较敏感 ,有的不敏感 ,这取决于 D1蛋白在
高光强下的降解程度。从图 1、 2可以看出 ,以高浓度 CO2培养的螺旋藻 ,暴露在 2000
μmo l· m- 2s- 1光强下 75min,其光合速率的降低明显地比低 CO2浓度培养的要慢。表明
高浓度 CO2培养的极大螺旋藻对高光强的耐受力得到了明显的增强。适应了高浓度 CO2
培养的螺旋藻细胞体内可能有抑制 D1蛋白降解速度的机制。 Pow les发现在光抑制过程
中叶绿素可变荧光出现部分丧失。本研究中在高光强下 Fv /Fm值明显下降 ,表明光系统
Ⅱ受到伤害 ,然而 ,不管低浓度 CO2还是高浓度 CO2培养的极大螺旋藻 ,在强光照射
75min后的 Fv /Fm与初始 Fv /Fm的比率已无显著差异 ,表明螺旋藻细胞体内存在一种
光保护机制。 Fv /Fm下降包含两重意思: PSII反应中心的光化学伤害和系统提高热耗散 ,
后者实际上是一种保护机制。
Greer和 Ohad、 Samuelsson等对高等植物与藻类的光抑制后的恢复进行了研究 ,发
现它们都具有一定的恢复能力 ,只是在不同条件下恢复能力不同 [ 5, 6]。本研究结果表明 ,不
管是高浓度还是低浓度 CO2培养 ,极大螺旋藻经光抑制后 ,在弱光下 1h后 , Fv /Fm值均
能恢复到原来的 85%左右 ,没有时滞期 ,但高浓度 CO2培养的极大螺旋藻的恢复速度稍
快 ;而在黑暗中几乎没有恢复 ;在弱光下加入氯霉素 (一种蛋白合成的抑制剂 ) ,其光系统
Ⅱ化学活性下降 ,甚至低于黑暗处理 ,与 Vonshak报道的钝顶螺旋藻光抑制后的恢复动
态相似 ,表明恢复过程是一个需要光能的、伴随蛋白合成的过程 ,而高浓度 CO2培养下的
极大螺旋藻蛋白的合成速度可能稍快。 Falk和 Samuelsson发现在衣藻受光抑制后 ,在弱
光下加入氯霉素后 ,仍有部分的恢复 [7 ] ,可见真核藻类与原核藻类可能存在不同的恢复机
制 ,对此有待于进一步的研究。
参考文献:
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171期 　　　　　　　夏建荣等:高浓度 CO2培养条件下极大螺旋藻光抑制研究　　　　　　　　　
STUDIES ON PHOTOINHIBITION OFSPIRULINA MAXIMA GROWN
IN HIGH CO2 CONCENTRATION
XIA Jian-rong and GAO Kun-shan
(Key laboratory of marine biology of Guangdong province, Shantou University, Shan tou 515063;
Insti tute of Hydrobiology, The Ch inese Academy of Sciences , Wuhan 430072)
Abstract: The photoinhibition and i ts recovery were studied in Spirulina maxima grown in
high CO2 concentration. S . maxima grown in high CO2 concentratio n showed phot oinhibi tion
when exposed to high PFD, but the decrease in net pho tosynthesi s was smaller compared t o
that grown in low CO2 . S. maxima grown in low CO2 concent ration appeared mo re sensitive
to the high PFD t reatment as compared wi th that grown in high CO2 concentration. The
recov ery of S . max ima grown in diff erent CO2 concentrations was very similar when placed u-
nder low PFD, w hile no recovery was observed in the dark or under the low PFD wi th the
presence of chloramphenicol.
Key words: Spirul ina maxima ; CO2 ; Photoinhibition; Recovery
中国科学技术信息研究所统计
1999年按被引频次和影响因子排序的前 20名生物学类期刊
名次 期刊名称 被引频次 名次 期刊名称 影响因子
1 植物学报 1639 1 植物学报 0. 809
2 植物生理学通讯 1132 2 遗传学报 0. 723
3 植物生理学报 741 3 植物生态学报 0. 620
4 生物化学与生物物理进展 646 4 植物生理学报 0. 604
5 遗传学报 644 5 实验生物学报 0. 556
6 植物生态学报 615 6 生物化学与生物物理学报 0. 464
7 生物化学与生物物理学报 461 7 生物工程学报 0. 452
8 昆虫学报 447 8 人类学学报 0. 446
9 动物学报 413 9 生物多样性 0. 415
10 植物分类学报 409 10 水生生物学报 0. 391
11 微生物学报 401 11 微生物学报 0. 381
12 云南植物研究 400 12 生物物理学报 0. 380
13 中国生物化学与分子生物学报 385 13 动物学报 0. 377
14 水生生物学报 378 14 中国生物化学与分子生物学报 0. 372
15 生理学报 355 15 植物生理学通迅 0. 365
16 生物工程学报 345 16 云南植物研究 0. 363
17 遗传 323 17 生理学报 0. 360
18 微生物学通报 300 18 细胞生物学杂志 0. 344
19 动物学研究 299 19 植物分类学报 0. 313
20 昆虫知识 295 20 动物学研究 0. 311
18　　　　　　　　　　　　水　　生　　生　　物　　学　　报　　　　　　　　　　 26卷