光強對兩種硅藻光合作用、碳酸酐酶和RubisCO活性的影響

曾曉鵬 夏建榮

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光強對兩種硅藻光合作用、碳酸酐酶和RubisCO活性的影響

曾曉鵬 夏建榮

(廣州大學環境科學與工程學院, 廣州 510006)

為研究海洋浮游硅藻光合固碳能力與光強的關系, 以三角褐指藻和威氏海鏈藻為實驗材料, 測定了不同光強培養下三角褐指藻和威氏海鏈藻生長、光合特性、碳酸酐酶和核酮糖-1, 5-二磷酸羧化/氧化酶活性(RubisCO)的變化, 結果顯示高光強促進兩種硅藻的生長, 但對威氏海鏈藻的影響更明顯。高光強導致兩種硅藻葉綠素、含量、光系統Ⅱ的最大光化學效率和實際光化學效率明顯下降, 非光化學淬滅系數明顯升高, 但對光化學淬滅系數并沒有明顯影響。在高光下威氏海鏈藻和三角褐指藻胞內外碳酸酐酶活性明顯升高。在高光強下培養的威氏海鏈藻RubisCO活性明顯高于低光下培養, 但三角褐指藻正好相反, 不管高光還是低光培養威氏海鏈藻RubisCO活性始終高于三角褐指藻。以上結果表明不同硅藻對光強變化的響應存在差異, 它們可以通過調節光合生理特征、光合固碳關鍵酶和CO2供應以適應光強的變化。

光強; 三角褐指藻; 威氏海鏈藻; 光合作用; 碳酸酐酶; 核酮糖-1, 5-二磷酸羧化酶/氧化酶

海洋浮游硅藻是海洋浮游植物的重要類群, 其每年固定的CO2超過1×1012kg, 相當于海洋初級生產力的40%[1]。海洋硅藻利用核酮糖-1, 5-二磷酸羧化酶/氧化酶(Ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase- oxygenase, RubisCO)固定CO2, 其RubisCO的1/2(CO2)約為28—40 μmol/L[2, 3], 是目前海洋環境中CO2濃度的3—4倍[4]。盡管RubisCO對CO2的親和力比較低, 但海洋浮游硅藻仍具有較高的光合效率, 這主要得益于細胞內部存在的CO2濃縮機制(CO2Concentrating Mechanism,CCM), 包括生物物理型和生物化學型兩種機制[5], 前者主要通過HCO3–的主動轉運和碳酸酐酶(Carbonic anhydrase, CA)的作用使得CO2在細胞內得以濃縮, 后者主要通過類似高等植物的C4代謝途徑來實現。正是由于CCM的調控作用導致固碳位點RubisCO周圍的CO2濃度增加, 從而增強光合固碳效率。硅藻CCM的運行需要能量, 特別是無機碳的轉運是一個主動運輸的過程, 這個過程需要ATP的參與[6]。而光是植物重要的能量來源, 已有的研究表明光能通過增加三角褐指藻PtCA1基因的轉錄, 促進其表達, 從而提高CCM效率[7]。在萊茵衣藻()和聚球藻(sp. PPC6803)的研究中也證實CCM活性的變化并不完全依賴于外界的無機碳濃度, 也跟光強有關[6]。

海洋浮游硅藻中的三角褐指藻()和威氏海鏈藻()存在類似高等植物的C4途徑, 但三角褐指藻中的C4代謝途徑在CO2的固定過程中并不起作用, 僅是有助于細胞內pH的穩定和耗散多余的光能[8, 9]。兩者對光的響應與適應可能存在較大的差異。本文利用威氏海鏈藻和三角褐指藻作為實驗材料, 研究了光合生理、碳酸酐酶和RubisCO活性對光強的響應, 針對C4代謝途徑在硅藻中的不同作用比較其光合作用、碳酸酐酶和RubisCO活性對光響應的異同, 探討碳酸酐酶和RubisCO在光合作用中的作用, 揭示其對環境中光變化的適應能力。

1 材料與方法

三角褐指藻(Bohlin)和威氏海鏈藻((Grun.) Fryxell et Hasle)分別取自中國科學院海洋研究所和廈門大學近海海洋環境科學國家重點實驗室。藻種擴大培養采用f/2加富的自然海水, 光強為200 μmol photons/(m2·s), 溫度(20±1)℃, 光暗周期12h︰12h, 通過濾空氣, 培養至對數期用于正式實驗, 分別設置高光強[200 μmol photons/(m2·s)]和低光強[50 μmol photons/(m2·s)], 其他控制條件同上。培養開始時三角褐指藻細胞起始密度約為1.25×106/mL, 威氏海鏈藻細胞起始密度約為5.00×104/mL。

1.1 生長曲線測定

在培養過程中, 每天定時取藻液通過血球細胞計數板在顯微鏡下進行計數。

根據Guillard 的單細胞藻種群生長公式[10], 計算得到藻細胞生長率(/d)。

式中,0為藻細胞初始密度,N為藻種群生長達到對數末期的藻細胞密度,表示培養至對數末期時的天數。

1.2 葉綠素含量測定

用90%丙酮, 在4℃下置于黑暗中抽提12h, 然后離心取上清液, 用分光光度計分別在630 nm和664 nm處測其吸光度, 并通過以下公式計算葉綠素含量(mg/L)[11]。

Chl.=11.47×664–0.40×630

Chl.=24.36×630–3.73×664

1.3 葉綠素熒光參數的測定

葉綠素熒光參數的測定參考余錦蘭等的方法[12], 用便攜式調制葉綠素熒光儀(PAM-2100, Walz, Germany)進行測定。

1.4 CA活性測定

采用Wilbur-Anderson電量法測定胞內、外碳酸酐酶活性[13, 14]。碳酸酐酶活性的計算公式為:= 10×(0/–1), 其中0為反應體系中未加藻細胞時pH下降所需的時間,為反應體系中加藻細胞時pH下降(pH8.3到7.3)所需的時間。胞外和總碳酸酐酶活性分別通過測定整個細胞和細胞經超聲破碎后的碳酸酐酶活性獲得。碳酸酐酶活性單位(以單位細胞計)為EU/cell。胞內碳酸酐酶活性=總碳酸酐酶

活性?胞外碳酸酐酶活性。

1.5 RubisCO活性測定

RubisCO活性測定參考李合生等的方法[15]。

1.6 光合作用光響應曲線(P-I曲線)

離心收集對數期的藻細胞重新懸于新鮮的f/2加富的海水中, 用恒溫水浴槽控制溫度在20℃, 通過調節光源與反應槽之間的距離來調節光照強度。光合放氧速率用生物氧測定儀(5300A, YSI, US)測定, 用以下公式對P-I曲線進行非線性擬合[16]:

mtanmdkm

其中為光照強度,為光照強度時所對應的光合速率,m為光飽和最大光合速率,是光合作用在光限制部分的初始斜率, 表示光合效率,d為暗呼吸速率,k光合作用光飽和點。

1.7 數據處理

以上實驗設置3個重復, 實驗數據以平均值±標準偏差表示, 數據利用軟件Origin8.5.1進行檢驗分析, 以<0.05作為顯著差異水平。

2 結果

2.1 光強對三角褐指藻和威氏海鏈藻生長的影響

三角褐指藻不管在高光還是低光均能較快地進入對數生長期, 穩定期藻細胞密度較為接近。在整個生長過程中威氏海鏈藻在高光強下能更快進入對數生長期(圖1)。與低光強培養相比, 在高光強下培養的三角褐指藻和威氏海鏈藻細胞生長速率分別提高了2.2%和24.7% (圖2)。

2.2 光強對三角褐指藻和威氏海鏈藻葉綠素含量的影響

從圖3可以看出, 在高光強下培養的三角褐指藻葉綠素含量比低光強下培養的分別降低了60.4%和53.4% (<0.05)。在高光強下培養的威氏海鏈藻葉綠素含量比低光下培養的分別降低了18.4%和28.0%。不管在高光還是在低光下培養, 威氏海鏈藻葉綠素含量均明顯高于三角褐指藻(<0.05)。

2.3 光強對三角褐指藻和威氏海鏈藻葉綠素熒光參數的影響

如圖4所示, 與高光強培養相比, 低光強下三角褐指藻和威氏海鏈藻F/F、Yield明顯升高(<0.05), qN明顯下降(<0.05), 但qP無明顯變化(>0.05)。在高光強下三角褐指藻和威氏海鏈藻的F/F值分別下降了27.3%和29.8, 三角褐指藻和威氏海鏈藻低光強的Yield值分別是高光強下的1.4倍和1.7倍, 在高光強下三角褐指藻和威氏海鏈藻qN比低光強下分別上升了45.7%和44.8%。

2.4 光強對三角褐指藻和威氏海鏈藻碳酸酐酶活性的影響

如圖5所示, 高光強對三角褐指藻和威氏海鏈藻的胞內、外CA活性均有明顯的影響(<0.05)。三角褐指藻胞內、外CA活性, 在高光強下比低光強下分別上升32.1%和24.4%。威氏海鏈藻在高光強下的胞內、外CA活性分別是低光強下的2.4倍和1.9倍。威氏海鏈藻在高、低光強下胞、內外CA活性的變化比三角褐指藻更加明顯。

2.5 光強對三角褐指藻和威氏海鏈藻RubisCO活性的影響

如圖6所示, 在高光強下威氏海鏈藻的RubisCO活性比低光下升高51.7% (<0.05), 但三角褐指藻表現了相反的趨勢, 高光強下的RubisCO活性與低光強相比下降了32.7% (<0.05)。在高、低光強培養下威氏海鏈藻的RubisCO活性比三角褐指藻的分別高5.8倍和2倍(<0.05)。

2.6 光強對三角褐指藻和威氏海鏈藻光合作用光響應曲線(P-I曲線)的影響

從圖7和表1中可以看出, 在高光強培養下三角褐指藻m、d、k均明顯升高(<0.05), 在高光強下培養藻的m、d、k分別是低光強下的1.7、2.5和1.4倍, 但無顯著變化(>0.05)。威氏海鏈藻在高、低光強下m、k、均無顯著差異(>0.05), 但高光強下暗呼吸速率明顯高于低光強(<0.05)。在高、低光強培養下三角褐指藻m、d、值均高于威氏海鏈藻(<0.05),k明顯減小(<0.05)。

表1 在不同光強培養下三角褐指藻和威氏海鏈藻P-I曲線參數

注: 光飽和光合速率(P):μmol O2/(mg Chl.·h); 光合效率():μmol O2/(mg Chl.·h)/μmol/(m2·s); 暗呼吸速率(d):μmol O2/(mg Chl.·h); 光飽和點(k): μmol/(m2·s); *表示與低光強相比存在顯著差異(<0.05)

Note: *represents significant difference (<0.05) between the low light and high light

3 討論

3.1 光強對三角褐指藻和威氏海鏈藻生長和光合作用的影響

光是植物生長的重要影響因子, 光照的強弱對藻細胞的生長有著明顯的影響。杜曉鳳等的研究表明高光有利于提高微綠球藻()細胞的密度[17]。在適宜的光強范圍內, 中肋骨條藻()的生長隨著光強的升高而明顯增加[18]。本研究結果顯示, 高光強能明顯促進三角褐指藻和威氏海鏈藻的生長, 但對威氏海鏈藻的影響更明顯, 表明兩者對光的耐受能力具有一定差異, 威氏海鏈藻生長對光更敏感, 這與不同光強培養下三角褐指藻與威氏海鏈藻的光合作用光飽和點大小有關, 在本研究中三角褐指藻所采用的光強均高于飽和光強, 而威氏海鏈藻采用的低光強明顯低于飽和光強(表1)。在低光強下葉綠素含量明顯增加是一種常見的植物對光的響應, 這與大型海藻在不同光強下培養的結果相似[19]。植物在適應不同光強變化過程中為了獲得較高的光合作用效率, 需要在低光強下加大光能的捕獲, 在高光強下提高光合速率[20], 這與高光強下兩種硅藻具有較高的光飽和光合速率(m)也是一致的。在高、低光強下威氏海鏈藻的葉綠素含量變化遠小于三角褐指藻, 表明威氏海鏈藻葉綠素對光的敏感性較弱。

當光強增加時, 銅銹微囊藻(Kütz)和綠色微囊藻(Lemm)的v/m降低[21]。本研究結果顯示, 高光下威氏海鏈藻和三角褐指藻的v/m變化也與之相似的, 結合本研究設置的高光強范圍, 并未達到光抑制的光強(P-I曲線), 可見高光強下藻細胞的最大光化學轉化效率(v/m)和實際光化學轉化效率(Yield)的下降并不是光抑制引起的, 可能是由于高光強導致葉綠素含量減少和光系統II反應中心數量減少所致。qP是反映PSⅡ進行光化學反應的能力[22], 在高光下威氏海鏈藻和三角褐指藻qP值并沒有明顯變化表明高低光強下用于光化學反應的能量并沒有明顯差別。但在高光下三角褐指藻和威氏海鏈藻的qN值均升高, 表明高光能夠促進藻細胞PSⅡ的天線色素將過量的光能以熱能的形式耗散, 對細胞起到保護作用。在高、低光下威氏海鏈藻的qN值均高于三角褐指藻, 證實了生物化學型的CCM機制更有利于熱能的耗散[9]。而在高光強培養下三角褐指藻與威氏海鏈藻光飽和光合速率(m)增強導致呼吸作用的底物增加, 同時在高光強下呼吸作用有關的酶活性增強可能是導致高光下呼吸速率明顯增加的原因。

3.2 光強對三角褐指藻和威氏海鏈藻CA與RubisCO活性的影響

CA是CCM機制的重要組成部分, 在CO2和HCO3–相互轉化的可逆反應中起催化作用, 可以調控細胞內CO2濃度, 防止CO2向外泄漏, 對調控細胞CCM機制具有重要作用。有研究表明, 光強增加導致CA活性增強[23, 24]; 高光強對銅銹微囊藻胞外CA活性也有明顯的誘導作用[25], 本研究的結果與其相似。在高光強下胞外CA活性的增加有利于細胞內CO2積累; 同時胞內CA活性的增加, 有利于調控細胞內CO2濃度的變化以適應RubisCO更高效地固碳, 促進光合速率的提高。在高等植物中, 光合作用對光的響應與RubisCO對光的響應是密切相關的[26]。光能創造有利條件在葉綠體基質中激活RubisCO并驅動ATP的合成[27], 所以RubisCO活性與光強的變化密切相關。Machler和Nosberger的研究發現隨光強的增加小麥葉片中RubisCO活性也隨之增加[28]。但本研究結果顯示三角褐指藻與威氏海鏈藻RubisCO活性變化對光強的響應存在相反的趨勢。當生長光強低于飽和光強時, 核酮糖-1, 5-二磷酸(RuBP)的再生能力會受到限制[29]。在本研究中所使用的光強均高于三角褐指藻的飽和光強, 可見不管在高光還是低光下三角褐指藻的RuBP再生能力并沒受到影響。相反對于威氏海鏈藻來說, 實驗中設置的低光強明顯低于其光飽和點, 而高光強則高于光飽和點, 在低光強下其RuBP的再生能力會受到限制。同時威氏海鏈藻生物物理型CCM和生物化學型CCM同時起作用, 而三角褐指藻僅是生物物理型CCM起作用[5]。不同CCM機制導致細胞內RubisCO固碳位點周圍CO2濃度的差異和RuBP再生能力的限制可能是兩者在不同光強下RubisCO活性存在差異的原因?？傊诟?、低光強下三角褐指藻和威氏海鏈藻CA和RubisCO活性的變化也顯示了它們對光的適應與響應的差異。

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綜上所述，隨著目前經濟社會的變化，房地產企業投資的風險逐漸引起了投資者的注意，對投資風險的防范同時變成了重中之重，本文總結了房地產項目投資各階段可能存在的風險因素，并提出具體防范措施方案，最大限度地預防、降低、回避、轉移房地產項目投資風險。

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EFFECTS OF LIGHT INTENSITIES ON PHOTOSYNTHESIS, CARBONIC ANHYDRASE AND RUBISCO ACTIVITY IN TWO DIATOMS

Zeng Xiao-peng and Xia Jian-Rong

(School of Environmental Science and Engineering, Guangzhou University, Guangzhou 510006, China)

Marine planktonic diatoms play an important role in marine primary productivity and the carbon fixation is closely related to light intensity. In the present study, we investigated the growth rate, photosynthetic characteristics, carbonic anhydrase activity, and ribulose 1, 5-bisphosphate carboxylase/oxidase (RubisCO) activity ofandunder different light intensities (high or low light). The results showed that high light intensity promote the growth of the two diatoms, which was more obvious in. High light intensity attenuated the levels of chlorophyll,content,v/mand Yield but increased qN. High light intensity has no effect on qP. High light also enhanced the intracellular and extracellular carbonic anhydrase activities in both diatoms. Interestingly, in, low light increased ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase activitycompared to high light; however, the opposite result was observed in. Rubisco activity inishigher than that inin.both low and high light. These results suggest that the two diatoms are differently responded to the light intensity and that they can accordingly adjust their photosynthetic characteristics, carbonic anhydrase and RubisCO activity to accommodate the varied light intensity.

Light intensity;;; Photosynthesis; Carbonic anhydrase; RubisCO

10.7541/2015.48

Q142

A

1000-3207(2015)02-00368-07

2014-03-26;

2014-06-11

國家自然科學基金(No:41376156); 廣東省自然科學基金(S2012010009853); 廣東省高層次人才項目; 廣東省高等院?？萍紕撔马椖?2012KJCX0086)資助

曾曉鵬(1985—), 男, 廣東揭陽人; 在讀碩士研究生; 主要從事藻類生理生態學研究。E-mail: lzxp123@126.com

夏建榮(1968—), 男, 博士, 教授; 主要從事藻類生理生態學研究。E-mail: jrxia@gzhu.edu.cn