全 文 ： 极大螺旋藻高光合速率藻种的紫外诱变筛选1
杨生辉 1，祖廷勋 1，罗光宏 1，*，王丹霞 1，陈天仁 1，高自成 2
（1.河西学院凯源生物中心 甘肃省微藻工程技术研究中心，甘肃 张掖，734000；
2.张掖市科技局，甘肃 张掖，734000）
摘 要：目的：筛选高光合速率极大螺旋藻藻种。方法：结合自然分离筛选、超声波处理、紫外诱变和高
CO2条件胁迫等方法进行诱变筛选。结果：得到 3株极大螺旋藻突变株 KYZ1、KYZ2、KYZ3，通过藻丝形态、
生长量、CO2利用率、蛋白质、叶绿素等因素对比，并采用综合评分法，筛选出 1株优质藻株 KYZ2。结论：
与出发株相比具有藻丝长度均明显变长、藻丝个体大、生长速度快、光合速率高、蛋白质和叶绿素含量高
等优点，是一株具有工业养殖潜力的藻株。
关键词：极大螺旋藻；紫外诱变；突变藻株
中图分类号：Q949.2 文献标识码：B 文章编号：

Screening of Spirulina Maxima with high photosynthetic rate by UV-irradiation
Yang Shenghui, ZuTingxun, Luo Guanghong*,Wang Danxia,ChenTianren,Gao Zicheng
1.Kai-yuan Biotechnology Center Hexi University;Gansu Engineering Research Center for Microalgae,
Zhangye 734000, China; 2. Zhangye City Technology Bureau, Zhangye 734000, China)
Abstract: Purposes: A strain of Spirulina Maxima with high photosynthetic rate was screened.Methods: The
mutation screening was conducted by combination of selection spontaneously, ultrasonic treatment, UV-irradiation
and extremely high CO2 condition. Results: Three mutants (KYZ1, KYZ2 and KYZ3) of Spirulina Maxima were
obtained. Comparing of morphologic filaments, growth, availability of CO2, content of protein and chlorophyll
during these three mutants, finally, the KYZ2 was screened as the high quality strain. Conclusions: The results
showed KYZ2 was significantly longer and larger than Parent Strain, and of many other advantages such as faster
growth, high photosynthetic rate,higher content of protein and chlorophyll, which could be deserved to industrially
culture.
Key words: Spirulina Maxima; UV-irradiation; Mutation strain


螺旋藻(Spirulina)是一种螺旋状、不分枝的多细胞丝状微藻(Microalga)，藻体长 200-500μm,
宽 5-10μm，系蓝藻门(Cyanophyta)、段殖体目(Hormogonales)、颤藻科(Oscilatoriaceae)、螺旋
藻属(Spirulina)的古老低等原核生物[1]。它含有丰富蛋白质、不饱和脂肪酸和各种维生素等多种营
养成分，具有极高的营养保健价值。同时螺旋藻中还含有多种生物活性物质，具有增强机体免疫功能、
防治癌症、降低血脂、减肥等多种临床功效[2-4]。
20 世纪 90 年代初以来，螺旋藻已成为全球范围内产业开发最为成功的微藻[5]。目前螺旋藻的产
业化培养中应用的碳源主要是 NaHCO3，张峰等[6]的研究表明：CO2 替代 NaHCO3，不仅使碳源成本减少
58%、产量提高 20%，还可使铅、砷、汞等重金属元素含量远远低于利用 NaHCO3做碳源生产的螺旋藻
的重金属含量。对于生产而言，优良的螺旋藻藻种是关键。目前螺旋藻的诱变育种主要集中于耐低温、
富含某种功能成分等方面，尚未见对高光合速率螺旋藻藻种进行诱变育种的报道。本文探索采用超声

1基金项目：2104 年甘肃省农业领域知识产权优势企业培育项目（14OPIPG002)；甘肃省工程技术研究中心
专项（1009FTGG017）；河西学院科研创新与应用校长基金项目（XZ2011-08）；张掖市科技重大专项项
目（144JTCG254-08）；
作者简介：杨生辉（1976—），男，副教授，硕士，研究方向特色农产品加工及螺旋藻生产及其产品开发。
E-mail：15025888518@163.com
*通信作者：罗光宏（1965—），教授，硕士，研究方向植物资源利用与产业化开发。E-mail：
13993693452@163.com
2016-07-08
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网络出版时间：2016-07-08 14:04:21
网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2206.TS.20160708.1404.022.html

波处理极大螺旋藻，制备单细胞悬液，用紫外线对该单细胞体进行诱变，并利用高浓度 CO2进行胁迫
处理，筛选获得优良的高光合速率极大螺旋藻藻种。

1 材料与方法

1.1 材料
1.1.1 实验材料
极大螺旋藻(Spirulina maximaSetch. et Gardn)藻种：KY1，本实验室保存。
1.1.2 仪器
超声波处理器：SY-200 型，上海；紫外可见分光光度计(Lambda)：DR6000，美国哈希；实验喷
雾干燥机：SP-1500 型，上海顺义
1.1.3 培养基
液体培养基为本实验室改进型的 Zarrouk 培养基。试验培养基：改进型的 Zarrouk 培养基配方中
不添加 NaHCO3，其它成分不变。因 pH9.0-10.0 是螺旋藻最适生长 pH 值，而 pH 值低于 9.3 会影响 CO2
的吸收速率[7]，因此用 NaOH 调节 pH 值为 9.5。
1.2 方法
1.2.1 藻丝单丝筛选扩大培养
培养 7d 螺旋藻培养液，用培养基稀释 50 倍，在 40 倍体式显微镜下用挑针挑取健壮、长度较长、形
态规则的单株藻丝，放入含适量培养基的试管中培养 30d，培养条件：光照 3000 lx、温度 25-27℃、
光暗周期 14:10；再加入少量新鲜培养基，继续培养 15d。转入 250mL 三角瓶加入 50mL 新鲜培养基
培养 7d，再加入 50mL 新鲜培养基继续培养 7d，培养条件：光照 8000 lx、温度 30-32℃、光暗周期
14:10。筛选出生长速度较快的 1 株作紫外诱变的出发藻株。前期为单丝培养，强光容易造成藻体灼
伤死亡，选择弱光和中温，有利于生长繁殖；后期藻丝体数量增加，相互间有光遮蔽效应，选择较高
的光强和温度，更有利于生长。 
1.2.2 CO2胁迫预试验
培养好的藻液过滤，藻体用试验培养基清洗，接入 1000ml 三角瓶，加入 500ml 试验培养基，用
橡皮塞密封，于光照 8000 lx、温度 30-32℃、光暗周期 14:10 的条件下培养 10d。分别通入含 0.25、
0.5、0.75、1%CO2的空气（质量分数），通气频率 2s min-1（光周期），流量为 0.2-0.25Lmin-1，设置 3
个平行，根据藻体对 CO2的利用率，确定试验通入空气的 CO2含量。
1.2.3 单细胞液制备
取生长期 6-7 天的极大螺旋藻培养液 5ml，在冰浴条件下，利用 20 kHz、200W 的超声细胞破碎
仪处理藻体，使藻丝体断裂。超声波处理 1s、2s、4s、8s、10s，显微镜观察处理效果。使藻丝体断裂
成 1-3 个细胞长度的藻丝段为最佳。
1.2.4 紫外诱变
取超声处理最好的一组，用培养基调节螺旋藻细胞密度为 106-107cfu/ml，将 8 ml 单细胞悬液置于
无菌直径 10mm 培养皿中，厚度约 1mm，用紫外灯进行 UV—C 辐照，照射时间分别为 0、30、60、
90、120 、150s，紫外灯功率为 20W，样品与紫外灯的距离为 20 cm。
1.2.5 突变藻株筛选
将 UV 辐照后的藻悬液在暗处静置 24h，加入 10 倍体积试验培养基，移入 250ml 三角瓶，用橡
皮塞密封，根据预试验结果通入含 1%CO2的空气，通气频率 2s min-1（光周期），流量为 0.2-0.25Lmin-1，
于光照 8000 lx、温度 30-32℃、光暗周期 14:10 的条件下培养，隔日显微镜观察一次；挑选形态和长
度恢复较快的单株藻丝段于试管中加适量试验培养基，并通入预试验确定的含 CO2的空气，通气频率
2s h -1（光周期），流量为 0.1-0.15Lmin-1，于光照 3000 lx、温度 25-27℃、光暗周期 14:10 的条件下培
养。在此条件下进行反复筛选，根据生长期内平均生长速率挑选高光合速率的突变藻株。
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1.2.6 突变藻株培养
筛选出的藻株，移入 1000ml 三角瓶，加入 500ml 试验培养基，用橡皮塞密封，根据预试验结果
通入含 CO2的空气，通气频率 2s min-1（光周期），流量为 0.2-0.25Lmin-1，于光照 8000 lx、温度 30-32℃、
光暗周期 14:10 的条件下培养 10d。同时以出发藻株做对比试验。
1.2.7 CO2用量计算
CO2用量（g）=通气频率×流量×通气时间×通入空气中 CO2含量×1.977gL-1（CO2密度）
1.3 测定项目和方法
1.3.1 形态特征观测
镜检观察测定突变株藻体长、螺旋宽、螺距、藻丝宽、螺旋数，每个参数测定 50 条藻丝。
1.3.2 生长量的测定
取突变藻株培养液 3mL，紫外可见分光光度计测定 560nm 处吸光度(OD560)。
1.3.3 CO2利用率的测定
根据李夜光[8]等人测定螺旋藻对的 CO2利用率测定的方法，按下面公式计算 CO2的利用率。
0.47(%) 1000.27g
BC
Q
 
C 代表 CO2的利用率，B 代表螺旋藻干生物量，Qg 代表提供的 CO2的量，0.47 表示螺旋藻含碳
量，0.27 表示 CO2含碳量。
1.3.4 蛋白质的测定
GB 50095-2010 食品安全国家标准 食品中蛋白质的测定第一法。
1.3.5 叶绿素的测定
将突变株和出发株用带盖的 5L 广口瓶（装液量 4L），按 1.2.6 条件培养 10d，用 300 目尼龙网
过滤清洗采收，利用 SP-1500 型实验喷雾干燥机干燥成粉，干燥条件:进风温度 150℃、出风温度 60℃。
称取 3.0 g 螺旋藻粉，在 45℃避光条件下烘干 1.5 h， 然后置干燥器中冷却至室温，精确称取 0.050 g
藻粉样品于 50 mL 的具塞玻璃刻度试管中，加入 20 mL 浸提液（ 85%丙酮:95%乙醇（V/V）=1:1），
34℃恒温避光浸提 6 h，每隔 2h 搅动 3-5 min，静置后沉淀 30 min，浸出浸提液于 25 mL 的棕色容量
瓶中，用浸提液定容于刻度线，并记录定容液的体积数（mL）。以浸提液作空白，用带塞的 1cm 的玻
璃比色皿在 652nm 测定吸光度值，根据公式计算叶绿素的含量。
652 100034.5/
AC mg L （ ） / 1000m
Cg
W
g V N  叶绿素含量（ ）
C 代表测定液中叶绿素含量，A652代表 652nm 处的吸光度值，V 色素提取丙酮和乙醇混合液的体积，
N 代表测定叶绿素时稀释倍数，W 代表样品的质量。
1.3.6 综合评价
参照胡海燕等[9]的综合评价方法，以螺旋藻的蛋白质含量和生长速率为评价指标，权重系数分
别设为 0. 6 和 0. 4，综合评分 M = 0. 6 × 蛋白质含量× 100 / 蛋白质含量最大值 + 0. 4 × 生长速率
× 100 / 生长速率最大值，对突变株进行综合评价。
1.3.7 对突变藻株进行传代稳定性分析
将确定的优良突变藻株接入新鲜试验培养基，按 1.2.6 方法连续培养 10 代，对第 10 代藻株用
1.3.1 方法观测形态特征、用 1.3.2 测定其生长量、用 1.3.4 测定其蛋白质、用 1.3.5 测定叶绿素，与第
1 代突变株比较。
1.4 数据处理
文中数据采用 Excel 结合 SPSS 软件进行处理。

2 结果与分析
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2.1 CO2胁迫预实验结果
出发株按 1.2.2 方法培养，通入空气中 CO2含量不同，采收的干藻量和 CO2的利用率不同，结果
见表 1.
表 1 出发藻株 CO2胁迫预实验结果
Table 1 The result of extremely high CO2 condition on parent strain
通入空气 CO2的含量（%） CO2用量（g） 干藻量（g） CO2利用率（%）
0.25 0.35 0.197 98
0.5 0.7 0.362 95
0.75 1.05 0.332 55
1 1.4 0.241 30
由表 1 可知，通入空气中的 CO2含量为 0.25%时，CO2利用率最高，但收获的干藻量较少，可能
是 CO2 含量较少，不能满足藻体光合作用需要导致；随着空气中 CO2 的含量升高，收获的干藻量逐
渐增加，但 CO2的利用率降低；当空气中 CO2的含量达到 0.75%时，收获的干藻量和 CO2的利用率均
降低，可能是极大螺旋藻对高浓度 CO2 的培养环境的不适应造成的，为了得到在高 CO2 浓度条件下
高光合速率的突变藻株，因此选择试验 CO2浓度为 1% 。
2.2 超声处理对藻细胞的影响
采用超声波处理使螺旋藻藻丝体破碎成 1-3 个细胞的藻丝段，通过镜检不同处理时间的藻液发现，
以超声波处理 8s 效果最好，仅有少量细胞破碎；而超声波处理时间过短，螺旋藻丝状体仅断裂成稍
短的藻丝段；处理时间过长，螺旋藻细胞则完全破碎。因此超声波处理时间为 8s。
2.3 突变株形态特征
突变藻株经多次筛选和传代培养，获得了 3 株生长速度较快藻株，编号为 KYZ1、KYZ2、KYZ3。
按 1.3.1 方法镜检观察，发现藻丝形态发生变异：藻丝长度变化明显、藻丝宽度和螺旋数量增加，测
定结果见表 2。而较大形体使螺旋藻藻丝体更易被过滤采收，因此藻丝体变长是理想特征之一。
表 2 出发藻种和突变藻种主要形态特征比较
Table.2 Comparison of the main morphologic characteristics between the parent strain and mutants
藻株 藻体长μm 螺旋宽μm 螺距μm 藻丝宽μm 螺旋数 个／根
出发藻株 350.12±17.14 40.23±1.12 62.37±1.53 6.58±0.11 8±3
突变藻株 KYZ1 429.31±26.15 45.14±1.35 72.65±1.49 7.25±0.16 12±4
突变藻株 KYZ2 452.47±23.02 49.75±1.42 78.24±1.57 7.75±0.13 14±4
突变藻株 KYZ3 478.83±25.18 50.35±1.46 74.15±1.59 7.35±0.17 15±5
2.4 突变藻株与出发藻株生长速度比较
突变株与出发株相比，不但形态有明显差异，生长速度也发生了明细变化，用试验培养基，通入
含 1% CO2的空气，按 1.2.6 方法培养 10d，用 1.3.2 方法每 2d 测定 OD560，结果见图 1。
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图 1 出发藻株和突变株在试验培养基条件下的生长曲线
Fig. 1 The growth curves of parent strain and mutant on the culture medium condition
3 株突变藻株生长速度明显快于出发藻株， KYZ3 生长速度最快，KYZ1 和 KYZ2 生长速度接近，
生长高峰出现在第 6 天以后。
出发株用普通培养基，在光照 8000 lx、温度 30-32℃、光暗周期 14:10 的条件下培养，其生长速
度高于试验培养基条件下，对比结果见图 2。

图 2 出发株在普通培养和试验培养基基条件下生长曲线对比
Fig.2 Comparison of the growth curves of parent strain on the common condition and culture medium condition.
由图 1 和图 2 试验结果表明，3 株突变株在高浓度 CO2条件下生长较快，出发株则对高浓度 CO2
条件不适应，生长较慢。
2.4 突变藻株与出发藻株 CO2利用率比较
将突变藻株和出发藻株按 1.2.6 方法培养至 10d 采收烘干，根据采收的干藻量和 CO2的用量，用
1.3.3 中公式计算 CO2利用率，结果见表 3。




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表 3 突变藻株与出发藻株 CO2 利用率比较
Table.3 Comparison of the availability of CO2 between mutants and the parent strain
藻株 CO2用量（g） 干藻量（g） CO2利用率（%）
出发藻株 1.4 0.241±0.021 30
突变藻株 KYZ1 1.4 0.63±0.035 78
突变藻株 KYZ2 1.4 0.65±0.032 81
突变藻株 KYZ3 1.4 0.69±0.037 86
由表 3 可知，所有突变株中 CO2利用率比出发株平均高 52%左右，其中最高的是 KYZ3，比出发
藻株高出 56%。
2.5 突变藻株与出发藻株蛋白质含量和叶绿素含量比较
将采收烘干的藻粉用 1.3.4 和 1.3.5 测定其蛋白质和叶绿素，结果见表 4。
表 4 突变藻株与出发藻株蛋白质含量和叶绿素含量比较
Table.4 Comparison of the content of protein and chlorophyll between mutants and the parent strain
藻株 蛋白质含量（g/100g） 增幅（%） 叶绿素含量（g/kg） 增幅（%）
出发藻株 58.3±3.2 6.5±0.3
突变藻株 KYZ1 58.8±3.5 0.9 7.3±0.4 12.3
突变藻株 KYZ2 65.9±4.8. 13 8.1±0.4 24.6
突变藻株 KYZ3 54.5±3.1 -6.5 6.7±0.5 3
由表 4 可知，所有突变株中蛋白质含量比出发株平均高 2.5%左右，其中最高的是 KYZ2，比出发
藻株高出 13%，含量最低的 KYZ3 比出发藻株低 6.5%；叶绿素含量出发株平均高 13.3%左右，其中
最高的是 KYZ2，比出发藻株高出 24.6%。
出发株应用普通培养基，在光照 8000 lx、温度 30-32℃、光暗周期 14:10 的条件下培养培养，烘
干后的藻粉其蛋白质和叶绿素含量分别为 61.2、7.9，高于试验培养基条件下。
2.6 综合评价
综合评分法是当评价指标无法用统一的量纲进行定量分析时使用的一种分析方法。评分时以各指
标的最大值为参照将数据进行归一化，再给每个指标一个权重，权重的大小根据各指标在总体中的贡
献比重给定[10]。用 1.3.6 方法对突变株进行综合评分，结果见表 5。
表 5 突变株综合评分情况
Table.5 The result of composite grade method of mutants
藻株 蛋白质含量（g/100g） 生长速率/［g·( L·d)－ 1］ 综合评分
突变藻株 KYZ1 58.8 0.126 90
突变藻株 KYZ2 65.9. 0.132 98.3
突变藻株 KYZ3 54.5 0.138 89.6
由表 5 的结果可以看出，突变藻株 KYZ2 的生长速率、蛋白质含量和综合评分最高，分别为 0. 132
g/( L·d) 、65.9% 、98.3。因此，突变藻株 KYZ2 可以作为工业化培养的藻株。
2.7 优良突变株传代稳定性分析
突变藻株的稳定性分析见表 6 和图 3。对优良突变株 KYZ2 经过 10 代的传代培养，藻体形态保
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持稳定，第 1 代和第 10 代生长曲线未发生明显变化，蛋白质和叶绿素含量下降对比不显著，表明这
是 1 株性状稳定的突变株。
表 6 突变藻株主要形态特征稳定性测试
Table 6 The stability test of main morphologic characteristics on mutants
藻株 藻体长μm 螺旋宽μm 螺距μm 藻丝宽μm 螺旋数（个／根）
突变藻株 KYZ2(第 1 代) 452.47±23.02 49.75±1.42 78.24±1.57 7.75±0.13 14±4
突变藻株 KYZ2（第 10 代） 450.89±22.65 48.98±1.33 79.07±1.42 7.68±0.11 14±5

图 3 突变株 KYZ2 第 1 代与第 10 代生长曲线比较
Fig. 3 Comparison of the growth curves between the mutant strain KYZ2 1generation and 10 generation
表 7 突变藻株第 1 代与第 10 代蛋白质含量和叶绿素含量比较
Table 7. Comparison of the content of protein and chlorophyll between the mutant strain 1 generation and 10 generation.
藻株 蛋白质含量（g/100g） 增幅（%） 叶绿素含量（g/kg） 增幅（%）
突变藻株 KYZ2（第 1 代） 65.9±4.8. 8.1±0.4
突变藻株KYZ2（第10代） 65.1±5.3 -1.2% 7.9±0.4 -2.5%

3 讨 论

螺旋藻生产中藻种混杂退化、生长慢、单位面积产量低、质量不稳定、采收困难等问题，已严重
阻碍螺旋藻产业的发展[10]。目前国内外学者采用驯化、自然选择、物理或化学诱变、基因工程等方法
已筛选出一些新品系[11]。紫外线诱变是一种有效的育种方法[12]，紫外诱变技术以其简便快捷和效果显
著，备受诱变育种研究者的青睐[13]。陈新美等[14]用紫外线诱变钝顶螺旋藻，结果表明，与出发株相比，
藻丝长度均明显变长，螺旋数超过 40 个，形体较大，易于采收；王妮等[15]通过紫外线诱变筛选出 2
株耐低温钝顶螺旋藻藻种；李建宏等[16]成功利用紫外诱变获得优良稳定钝顶螺旋藻突变株。
本文通过超声波处理后，利用紫外诱变和高 CO2条件胁迫，筛选出的 3 株极大螺旋藻藻株 KYZ1、
KYZ2、KYZ3，利用试验培养基培养 10d 后的藻细胞生长量（OD560）平均比通过单细胞分离的出发
株 KY1 高出约 173%，CO2利用率高 52%，这与陈明明等[17]的研究结果紫外诱变育种技术可以提高微
藻的生长速率、耐受 CO2 浓度以及固定 CO2 效率及叶丽[18]的研究结果三角褐指藻藻经紫外辐射处理
后生长速率提高相符；在这 3 株藻中， KYZ3 的生长速率提高的最多，但其蛋白质含量低于出发株，
与刘晓娟[19]的研究结果采用紫外诱变的方法筛选微绿球藻突变株，蛋白质含量有所下降相符； KYZ2
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的蛋白质含量提高，与叶丽等[20]的研究结果紫外诱变的突变株与出发株相比可以提高绿藻蛋白质及梁
译之等[21]的研究结果利用单细胞分离技术和紫外诱变技术，筛选获得海水小球藻(Chtorella sp.)和盐生
杜氏藻，胞内蛋白含量分别高于对照组 18.2%和 14.5%的结果相符。引起这些变化的原因尚需继续研
究。出发株在普通培养基下培养，其生长速度、蛋白质和叶绿素含量与在试验培养基条件下差别显著，
说明出发株不适应高浓度 CO2 条件、光合速率低，而 3 株突变株与出发株相比是适应高浓度 CO2 条
件、光合速率高的藻株。
适合固定高浓度 CO2 的微藻，其最适宜生长的 CO2浓度约在 10%~20%[22]。Yun 等[23]在利用渐增
CO2浓度法来提高小球藻对 CO2的耐受性的研究中所获得的最大 CO2固定速率为 0.936 g/d·L； Sung
等[24]分离出最大 CO2固定速率达 1.859 g/d·L 的小球藻藻种 KR-1；Kodama 等[25]从海水中分离出最
高可耐受 60%CO2浓度的海滩绿球藻(Chlorococcum littorale)；黄云[26]釆用 60Co -Y 射线核诱变和高浓
度 CO2 梯度驯化的方法提高了蛋白核小球藻对高浓度 CO2 的适应性，提高了诱变藻种的生物质产量
和固碳效率，微藻的生物质产量提高了 115%达到 2.41g/L，对 15%高浓度 CO2固定速率和效率分别达
到 1.538 g/L/d 和 32.7%；杨闯[27]通过紫外诱变选育的方法，筛选出耐受 20%浓度 CO2的小球藻藻株。
可以看出提高经济微藻的 CO2的耐受性和固定速率还有很大的提升空间。夏建荣等[28]研究认为高浓度
CO2可减轻极大螺旋藻的光抑制，提高强光条件下其光合速率。因此在后续的工作中采取新的方法进
行藻种选育，提高螺旋藻对 CO2的耐受性、固定速率和光合速率是亟需解决的问题，也是螺旋藻藻种
选育的方向。

4 结 论

本试验通过比较出发株和突变株的主要生长性能和品质( 藻丝形态、生长量、CO2 利用率、蛋白
质和叶绿素含量) ，并采用综合评分法，从 3 株突变株中筛选出 1 株优质藻株 KYZ2。此突变藻株主
要具生长速度快、光合速率高、蛋白质和叶绿素含量高、藻丝个体大等优点，是一株具有工业化养殖
潜力的藻株。

参考文献：
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