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(海洋生物学专业论文)南极红酵母rhodotorula+spnj298质膜流动性及其低温适应性研究.pdf.pdf 免费下载
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南极红酵母r h o d o t o r u l as p n j 2 9 8 质膜流动性及其低温适应性研究南极红酵母r h o d o t o r u l as p n j 2 9 8 质膜流动性及其低温适应性的研究摘要南极是地球上最冷的地区,低温是极地最基本的特征。南极海冰生物存在着一系列适应该生境生存所需的复杂的生理和新陈代谢特征,具备适应南极极端环境的生命系统。南极的低温环境对那些通过生成某种调控物质而保持细胞膜脂质流动性的菌株进行了自然选择,因此南极微生物抵御极端环境的生理机能是与其独特的细胞质膜结构和功能密不可分的。并且南极微生物不仅种类独特,而且还含有很多有潜力可开发的生物活性物质。酵母作为单细胞,易于操作,可以直接在细胞水平上对刺激做出应答,使其成为研究极端环境生物学的良好模式生物。对南极酵母细胞质膜中与维持膜流动性密切相关的生化成分的分析,及其通过生化成分组成的改变来调节膜的流动性的研究,将有助于对揭示南极微生物的适应机制。南极红酵母n j 2 9 8 在长期的进化过程中已形成了对极端环境的适应机制,类胡萝i - 素在对抗低温中具有重要作用。本研究以南极红酵母n j 2 9 8 为材料,对其所产类胡萝h 索进行初步鉴定,对类胡萝b 素在低温下维持质膜的流动性及抗氧化系统中的作用进行研究。研究结果概括如下。( 1 ) 应用薄层层析、紫外、红外、高效液相色谱及液质联用分析对南极酵母n j 2 9 8 类胡萝h 素主要成分进行综合研究。初步确定虾青素为南极酵母n j 2 9 8 类胡萝b 素的主要成分。对虾青素定量分析结果显示:南极酵母n j 2 9 8 中总类胡萝卜素含量为11 2 6 “。g - 1 干菌体,其中虾青素含量为8 7 6 ,达9 8 6 g g 。( 2 ) 应用传统的鉴定方法和分子生物学鉴定技术,根据形态特征、生理生化特征及i t s 序列的系统发育分析,将南极酵母n j 2 9 8 归入红酵母属( r h o d o t o r u l a ) ,暂定名南极红酵母n j 2 9 8 ,r h o d o t o r u l as p n j 2 9 8 。南极红酵母r h o d o t o r u l as p n j 2 9 8 质膜流动性及其低温适应性研究( 3 ) 对水双相分离法分离南极红酵母n j 2 9 8 质膜进行研究,并对不同温度下膜脂肪酸、类胡萝卜素及蛋白进行研究。研究得出,水双相分离南极红酵母n j 2 9 8质膜条件为:聚合物浓度6 0 和4m m o l l 。1k c l 盐的两相分配体系,分离三次可得到相对纯度在7 8 左右的质膜。对不同培养温度的南极红酵母n j 2 9 8 质膜成分进行分析得出,南极红酵母n 2 9 8 质膜在3 不饱和脂肪酸( c 1 8 :2 ) 和短链脂肪酸( c 1 0 :0 ) 含量增加,这在增加质膜流动性方面具有重要作用;虾青素含量明显增加,其可能是细胞在生长温度剧烈变化时调节膜流动性的辅助因子;质膜蛋白含量增加,并且低温诱导新出现了一条分子量大约为9 4 7k d a 的蛋白多肽,低温可诱导蛋白这具有维持质膜稳定性及质膜功能的作用。膜结构是一个动态平衡体系,随外界温度变化内部成分进行适应性调整。质膜组分的变化致使南极红酵母n j 2 9 8 细胞在低温环境下能够维持质膜正常流动,细胞能够行使正常功能,这是其低温适应机制的一个重要方面。( 4 ) 不同温度( - 3 、0 、8 ) 对南极红酵母n j 2 9 8 抗氧化系统的影响研究结果显示,在一3 南极红酵母n j 2 9 8 类胡萝b 素含量增加,s o d 酶活力下降,c a t和p o d 酶活力升高,m d a 含量没有明显变化,而对h 2 0 2 的抗性增加。这表明,在较高温度类胡萝卜素含量较低时,活性氧由活力较高的s o d 来清除;在一3 低温时,低温环境使菌体内自由基产生增加,抗氧化酶系统的活性降低,而这时南极红酵母n j 2 9 8 细胞内类胡萝h 素大量积累,可替代s o d 行使主要抗氧化功能,且随着类胡萝b 素的增加清除活性氧的能力也增强,足以抵御活性氧的伤害。据此可以得出以下结论:低温时,南极红酵母n j 2 9 8 类胡萝b 素积累,在积累过程中,虽然s o d 酶活力下降,但类胡萝b 素替代s o d 酶行使主要的抗氧化功能,并使南极红酵母n j 2 9 8 清除活性氧的能力增强。总之,在低温下南极红酵母n j 2 9 8 通过酶促和非酶促抗氧化系统维持细胞代谢平衡,保护膜系统,这是其低温适应机制的一个方面。( 5 ) 对南极红酵母n j 2 9 8 最佳生理条件的单因素试验表明,该菌对营养要求简单,能利用多种碳、氮源,乙酸钠、蛋白胨是合成虾青素的最佳碳、氮源;p n值在6 8 范围内均可生长,最适p h 值为7 5 ;在o 1 5 之间,南极红酵母n j 2 9 8均可以生长,但是低温更有利于虾青素的积累。南极红酵母r h o d o t o r u l as p n j 2 9 8 质膜流动性及其低温适应性研究因此培养条件优化结果为:海水培养基( g l 1 ) ( 乙酸钠2 ;蛋白胨5 ;n a c l0 2 ;k i - 1 2 p 0 40 0 1 ;m g s o , 7 h 2 00 0 2 ) ,1t o o l l - lz n 2 + ,p h7 5 ,接种量1 0 ,5 ,1 0 0r r a i n l 振荡培养4d ,在这种培养条件下可获得生物量为4 0 9g l “,虾青素含量为19 0 8 “g 百1 ,产量为78 0 4 t tg l ”。综上所述,本研究通过对南极红酵母n j 2 9 8 质膜流动性和抗氧化系统的研究,初步从这两个方面探讨了该菌株的低温适应机制,为南极微生物的极端环境适应性奠定了基础。南极红酵母n j 2 9 8 类胡萝卜素在其低温适应机制中具有重要作用,而且在生物活性物质应用领域有着广阔的应用前景,该菌株可能是天然虾青素新的潜在来源。关键词:南极红酵母;低温适应性;质膜流动性;抗氧化系统;虾青素南极红酵母r h o d o t o r u l as p n j 2 9 8 质膜流动性及其低温适应性研究s t u d yo fp l a s m am e m b r a n ef l u i d i t ya n di t sc o l d a d a p t a t i o no f a n t a r c t i cy e a s tr h d o t o r u l as o n j 2 9 8a b s t r a c tn l es o u t hp o l ei so n eo ft h ec o l d e s ta r e a so rt h ee a r t h j u s tb e c a u s eo fs p e c i a lp h y s i o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c ,s e ai c em i c r o o r g a n i s m sp l a yaf u n d a m e n t a lr o l ei np o l a re c o s y s t e m s a p a r tf r o mt h e i re c o l o g i c a li m p o r t a n c e ,t h em i c r o o r g a n i s m sf o u n di ns e ai c eh a v eb e c o m et h ef o c u sf o rn o v e lb i o t e c h n o l o g y , p o t e n t i a ls o u r c eo ft h en e w - s t y l eb i o l o g i c a la c t i v es u b s t a n c e s , a sw e l la st h eb a s i cr e s e a r c ho nl i f ef o r m sd i v e r s i t y d e t a i l e du n d e r s t a n d i n go fe a r l ye v e n t sa s c e l l sr e s p o n dt oe n v i r o n m e n t a ls t r e s sr e q u i r e sf o c u so nt h ep l a s m am e m b r a n e u n d e ra n t a r c t i ce x t r e m ec o n d i t i o n ,m a i n t e n a n c eo fa no p t i m u mm e m b r a n ef l u i d i t yb e c a m eac r u c i a lc h a l l e n g ef o rm i c r o o r g a n i s m si ns u r v i v a la tl o wt e m p e r a t u r e t h ec o m p o s i t i o n so fp l a s m am e m b r a n eh a da l li m p o r t a n tr o l ei nf i n et u n i n gt h er e g u l a t i o no fm e m b r a n ef l u i d i t y s t r u c t u r a la n df u n c t i o n a ld i f f e r e n c e sb e t w e e nv a r i o u sm e m b r a n e - b o u n dc o m p a r t m e n t sw i t h i nac e l lc a nb es t u d i e dt h r o u g hs e p a r a t i o no ft h e i ra s s o c i a t e dm e m b r a n e sa n ds u b s e q u e n ti n v e s t i g a t i o no fp u r i f i e df r a c t i o n s t h e s ei n v e s t i g a t i o n si n c l u d e :a n a l y s i so fp r o t e i nc o m p o s i t i o n , m e a s u r i n ga c t i v i t yo fm e m b r a n e - b o u n de n z y m e s ,m e a s u r e m e n t so fl i p i db i l a y e rf l u i d i t y ,o ra n a l y s e so fm e m b r a n el i p i dc o m p o s i t i o n c o n s e q u e n t l y ,i s o l a t i o no f p u r i f i e dm e m b r a n ef r a c t i o u sh a sf o u n db r o a da p p l i c a t i o ni nm a n yd i v e r s ef i e l d so f i n v e s t i g a t i o n t h ep l a s m am e m b r a n eo fau n i c e l h f l a rm i c r o o r g a n i s mp o s s e s s e sa l lt h en e c e s s a r yc o m p o n e n t sa l l o w i n gi tt os e n s ea n dr e s p o n d 幻s i g n a l si ni t ss u r r o u n d i n ge n v i r o n m e n t a n t a r c t i cy e a s tp r o v i d e da na t t r a c t i v em o d e lf o rs t u d i e so nb i o l o g i c a la s p e c t so fc o l da d a p t a t i o n o u rr e s e a r c hw a sd e v e l o p e di nt h e s ef i v ea r e a sb yu s i n ga n t a r t i ey e a s tn j 2 9 8a st e s t i n gs t r a i n :a n a l y z e dt h em a i nc o m p o s i t i o no fc a r o t e n o i d s ,i d e n t i f i c a t i o no fa n t a r t i c南极红酵母r h o d o t o r u l as p n j 2 9 8 质膜流动性及其低温适应性研究y e a s tn j 2 9 8 ,p r e p a r e da n da n a l y z e di t sp l a s m am e m b r a n e sf l u i d i t ya td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e ,s t u d i e dt h ea n f i o x i d a n ts y s t e m ,a n dt h eo p t i m u mf e r m e n t a t i o nc o n d i t i o n s ,( 1 ) a n t a r t i cy e a s tn j 2 9 8c o u l dp r o d u c ec a r o t e n o i d sw h i c hw a si s o l a t e df r o ma n t a r c t i cs e ai c e t h em a i nc o m p o s i t i o no fc a r o t e n o i d si n s t r a i nr h o d o t o r u l as p n j 2 9 8w a sa n a l y z e db yt l c ,u v - 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3 r 矗s p n j 2 9 8c a r o t e n o i d sp l a y e da na n t i o x i d a n tr o l ew h i c hs u b s t i t u t e df o rs o d a n di n c r e a s e dt h ea n t i o x i d a n ta b i l i t yo f a n t a r c t i cy e a s tr h o d o t o r u l as p n j 2 9 8 ( 5 ) t h eo p t i m u mf e r m e n t a t i o nc o n d i t i o n sw e r es t u d i e di nt h es t r a i nr h s p n j 2 9 8 t h ec a r o t e n o i d so fr h s p n j 2 9 8w e r ea c c u m u l a t e da tt h ee n do fe x p o n e n t i a lp h a s ea n dt h es t a t i o n a r yp h a s e r h s p n j 2 9 8w a sa b l et oa s s i m i l a t em a n yc a r b o n s ,n i t r o g e ns o u r c e s ,a n dt h eb e s tc a r b o na n dn i t r o g e ns o u r c e sw e r es o d i u ma c e t a t ea n dp e p t o n e ,r e s p e c t i v e l y i nr a n g eo f0 1 5 r h s p n j 2 9 8c o u l dg r o w , a n dt h em o s ts u i t a b l et e m p e r a t u r e w a s l 0 ,b u t a t l o w t e m p e r a t u r ec o n d u c e d t oc a r o t e n o i d sa c c u m u l a t i n g t h eo p t i m u mp hw a s7 5 1 t o o l 。l 。1z n 2 + a d d e di n t ot h em e d i aw o u l dl e a dt oi n c r e a s i n ga s t a x a n t h i nc o n t e n to r h s p n j 2 9 8 s om a x i m u ma s t a x a n t h i np r o d u c t i o nw a so b t a i n e dw h e nr h s p n j 2 9 8w a sg r o w na t5 i ns e a w a t e rm e d i u mc o n t a i n i n g ( g l 。1 ) :( s o d i u ma c e t a t e2 ;p e p t o n e5 ;n a c lo 2 ;k h 2 p 0 40 0 1 ;m g s 0 4 7 h 2 00 0 2 ) ,1 弘t o o l l 。1z n 2 + ,p h7 5 ,i n o c u a t i o n1 0 x i i南极红酵母r h o d o t o r u l as p n j 2 9 8 质膜流动性及其低温适应性研究,s h a k ef r e q u e n c y1 0 0r m i n l ,4d t h ec e l lb i o m a s s ,a s t a x a n t h i nc o n t e n d a n dy i e l do fr 矗s p n j 2 9 8c o u l dr e a c h4 0 9g l ,19 0 8pg g - 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2 0 ) 和高盐度环境( 海水中的盐度一般为3 4 0 - - 3 5 ,海冰中的盐囊和盐通道的盐度可达普通海水的5 倍) ,变化极大的光照辐射,形成了一个酷寒、高盐度和强辐射的自然环境。南极地区除了短暂的夏季,仅少部分地区冰雪融化以外,绝大部分地区常年被冰雪所覆盖。原来人们普遍认为,极地海洋就是一个冰雪覆盖的白色沙漠,没有生命。但事实并非如此,在冰雪下面,低温度和低光照环境下,有许多纵横交错充满高浓度海水的盐囊,里面生活着成群的植物、动物和细菌。已有的资料表明,南极地区不仅含有丰富的脊椎及无脊椎动物,而且也含有极其丰富的微生物资源( b r o w n ;2 0 0 1 ) 。美国科学家e k e l o f 等( 1 9 1 0 ) 在南极一个冰湖中发现至少有28 0 0 岁的藻类和细菌。到目前为止,仅澳大利亚南极微生物保藏中心( a c a m ) 就保存了3 5 0 余种( 株) 。南极微生物,包括细菌、酵母、丝状真菌南极红酵母p o w d o t l a s p n ,2 9 3 质膜流动性及其低温适应性研究及病毒等,不但在有机物质的矿化过程中起重要作用,在湖泊、海洋的食物链等生态系统中本身也是许多原生动物、浮游动物和底栖动物的食物,因而在极区生态与环境系统,及物质的生物地球循环中扮演重要角色。低温是南极极端环境的一个主要特征,即使在短暂的夏季,南极大陆周边及环绕的海洋圈气温也只有- 1 0 5 ( 林学政等,2 0 0 3 ) 。在南大洋南部,水温常年在0 以下,南极海冰的温度从一5 0 到- 2 ( v i n c e n t ,1 9 8 8 ) 。南大洋有最大的冰覆盖面积,lm 厚的冰夏天为6 0 0 万k m 2 ,冬天可以达到20 0 0 万k m 2( z w a l l ye t 口j ,1 9 7 9 ) ,比整个南极大陆的面积还要大( 13 2 0 万k m 2 ) ,4 0 肌l9 0 0k m 宽的条带围绕在南极大陆周围,这巨大的海冰条带能存在几个月,为微生物的生长提供了一个动态环境( b r i e d e y 耐,2 0 0 2 ) 。海冰是南极物理环境的重要组成部分,它能有效的降低到达南极的光线强度和数量,降低热和气的交换以及同水体的混合。海冰为南极微生物的生长提供了合适的栖息地,南极微生物的生长环境与海冰密切相连,可分布于冰层的所有部分,或者是集中于冰层的某一部分,包括冰雪界面、海冰内部、海冰边缘或冰水界面等。在海冰的形成过程中,海水中的生物从海水中析出结合到冰中( g a r r i s o n甜,1 9 8 6 ;s t o c c k c r ,2 0 0 0 ) 。许多种类能够抵御这种变化,形成明显的海冰生物群落( g a r r i s o n 甜耐,1 9 8 6 ;s c h o f i d d 甜可,1 9 9 5 ) 。在海冰的形成、冰体的生长和海冰融化的季节性周期中,南极微生物经受了温度、光照辐射和盐度巨大的梯度变化。在海冰形成过程中,生长的冰晶排出盐分,盐分形成卤水进入盐囊和盐通道系统( k o t t m e h 甜讲,1 9 8 8 ) ,温度降低,则容积下降和卤水相应的被进一步浓缩。南极微生物必须能够适应盐度范围从浓缩达到5 倍海水的盐度到冰融化时的极度稀释的变化,同时,还必须适应温度从+ 2 一- 1 5 的变化,甚至在海冰顶层的盐囊中达到弓o 或更低( s c h n a c k - s c h m ,2 0 0 1 ) 。1 2 低温对南极微生物的伤害低温可以通过各种途径影响微生物的生命活动,如对膜的损伤、降低细胞的生化反应速率、影响某些细胞组分的稳定性,以及冷冻所造成的破裂作用等。2南极红酵母r h o d o t o r u l a 印n j 2 9 8 质膜流动性及其低温适应性研究1 2 1 改变细胞膜组成的稳定性细胞质膜作为细胞与外界环境的屏障,对膜的损伤是生物体对低温反应的最好的解释。细胞膜是由流动的脂类双分子层组成的,里面镶嵌有蛋白,负责运输、磷酸化、光吸收和细胞的其他一些功能。细胞膜的流动性是膜蛋白质发挥功能的先决条件。膜结构是一个动态平衡体系,随外界温度变化内部成分进行适应性调整。生物体正常生理活动时需要液晶相的膜状态,当温度降低到一定程度时,膜脂由液晶态变为凝胶态,随着外界温度的变化,双分子层在“液晶态”和“凝胶态”之问转换。细胞膜中脂肪的凝固温度与脂肪酸的组成密切相关,脂肪酸的饱和度对膜的流动性影响非常大,较小的脂肪酸组成变化就能引起较大的相变温度变化。膜脂相交会导致原生质流动停止,膜结合酶活力降低和膜透性增大,引起胞内离子渗漏、失去平衡,继而使细胞代谢失调,有毒的中间代谢物积累,最终导致生物体细胞受害。生物体细胞质膜系统在低温下的损伤,还与活性氧引起的膜脂过氧化和蛋白质破坏等有关。膜脂过氧化作用,是指发生在细胞膜上不饱和脂肪酸双键上的一系列自由基反应,它是由非脂性自由基( 0 2 - ,o h ) 对类脂中不饱和脂肪酸引发而产生的。1 2 2 改变生化反应速率低温使生物体的一些生物酶类的活性降低,使体内代谢速率下降,影响正常的代谢。例如海冰中铵的水平可以达到1 5 0i xm o l l 1 ,而普通海水中图2 2 南极酵母n j 2 9 8 类胡萝b 素紫外可见光谱f i g , 2 2u v - v i s i b l ea b s o r p t i o ns p e o r ao f a n t a r c t i cy e a s tn j 2 9 8c a r o t e n o i d一,。皱数w w _ m b h _ “。图2 3 南极酵母n j 2 9 8 类胡萝h 素红外光谱f i g 2 3f t - i rs p e c t r ao f a n t a r c t i cy e a s tn j 2 9 8c a r o t e n o i d q v89鼍蛊趔米毯ji苞8llle卣瞢毒翳南极红酵母r h o d o t o r u l as p n j 2 9 8 质膜流动性及其低温适应性研究表2 1 南极酵母n j 2 9 8 类胡萝b 素红外光谱分析结果t a b 2 1f t - 1 rs p e o w ar e s u l t so f a n t a r c t i cy e a s tn j 2 9 8c a r o t e n o i d吸收波数w a v c n u m b e r ( c m 1 )振动方式或官能团v i b r a t i o n9 0 0 - - 6 5 011 0 0 - - 9 0 0l3 0 0 一1 1 0 015 0 0 - - 13 5 0l6 7 0 l5 0 019 0 0 - , i6 0 031 0 0 也7 0 036 0 0 - 32 0 0c = c ,共轭二烯c h 键振动c c 键振动c h 2 、c h 3c = c 键振动c = o 键振动c _ i 键振动d _ h 键振动2 2 4 南极酵母n j 2 9 8 类胡萝卜素的高效液相色谱分析结果南极酵母n j 2 9 8 总类胡萝h 素样品高效液相色谱分析结果,见图2 4 。最高峰a 为南极酵母n j 2 9 8 类胡萝b 素的主要成分,保留时间为5 1 8r a i n ,与虾青素标准品的保留时间一致。这表明虾青素可能是南极酵母n j 2 9 8 类胡萝h 素的主要成分。据类胡萝卜素质量浓度( l g f 1 f - ( a 1 , 3 ( e ) 计算公式得出,南极酵母n j 2 9 8 中总类胡萝卜素含量为11 2 6pg g - 1 干细胞,以标样为基准计算峰面积,得出南极酵母n j 2 9 8 中虾青素( 峰a ) 含量占总类胡萝b 素含量的8 7 6 ,达9 8 6 肛g g 。2 2 5 南极酵母n j 2 9 8 类胡萝i 、素液质联用分析结果对南极酵母n j 2 9 8 类胡萝卜素液质联用分析结果,见图2 5 。南极酵母n j 2 9 8类胡萝卜素在正离子模式下质谱中产生强的m z5 9 7 5 峰,与虾青素标准品质谱具有一致的特征质谱图。据l c m s 分析结果,通过与标准品对比,结合以上吸收峰试验及保留时间,参考文献数据( c a r e de ta l ,1 9 9 9 ;l a e k e re ta l ,1 9 9 9 ) ,可以初步确定虾青素是南极酵母n j 2 9 8 类胡萝卜素的主要成分。南极红酵母r l u 廊t o r u l as p n j 2 9 8 质膜流动性及其低温适应性研究时间t i m e ( 妇)图2 4 南极酵母n j 2 9 8 类胡萝p 素h p l c 图谱f i g 2 4c h r o m a t o g r a m s o f t o t a lc a r o t e n o i d s f r o m a n t a r c t i c y e a s t n j 2 9 8 b y h p l ca n a l y s i s瓷v磬耋坦删南极红酵母r h o d o t o r u l as p n j 2 9 8 质膜流动性及其低温适应性研究时间t i m e ( 口妇)质荷比毗质荷比船z图2 5 南极酵母n j 2 9 8 类胡萝h 素l c m s 图谱f i g 2 5c h r o m a t o g r a m so f p u r
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