（遗传学专业论文）北极微藻在不同uvb辐射强度下的生物学效应变化研究.pdf

华中农业大学2 0 0 9 届硕士学位论文 摘要 北极微藻是北极水生生态系统中初级生产力的重要承担者之一，在北极水生生 态系统中具有重要的生态地位。本研究以2 0 0 6 年夏季从北极黄河站采集的微藻( 小 球藻和脆杆藻) 株材料，通过研究其对u v - b 响应，探讨u v - b 辐射强度对北极微 藻的影响机制以及北极微藻对u v - b 辐射的适应机制，以期为北极微藻的深入研究 和开发应用提供科学依据。主要研究结果如下： 1 研究设计了u v - b 辐射强度为2 2 1 a w c m 2 、4 5 1 t w c m 2 、7 0 i - t w c m 23 个处理， 以不含u v - b 光谱的白炽灯( o ) 为对照，比较分析了不同u v - b 辐射强度对小球藻 ( 淡水藻) 生长的影响。比生长速率测定显示，各处理组比生长速率分别由紫外培 养初的o 2 4d 1 降低到1 2 h 后的o 1 7d 、o 1 1d 一、0 0 8d ，表明实验涉及的3 个u v - b 辐射强度对小球藻的生长均有明显抑制，且随着紫外线辐射强度增强生长抑制也越 严重。 2 小球藻的形态和超微结构研究。透射电子显微镜观察结果显示，高强度 ( 9 5 t w c m 2 ) 的紫外线辐射对小球藻叶绿体、高尔基体、线粒体等破环严重，说明 u v b 会对细胞器膜结构造成严重伤害。 3 设计了u v - b 辐射强度为2 2 p w c m 2 、4 5 1 x w c m 2 、7 0 p w c m 23 个处理，以不 含u v - b 光谱的白炽灯( 0 ) 为对照，比较分析了不同u v - b 辐射强度对小球藻叶绿 素a 、类胡萝卜素和丙二醛等含量及超氧化物歧化酶活性的影响。结果显示：与对 照组相比，u v - b 处理以后，小球藻叶绿素a 和类胡萝卜素含量分别下降了1 2 ， 2 2 ，3 1 和8 6 7 ，4 4 6 7 ，7 1 6 7 ；丙二醛含量分别增加了4 1 0 、9 9 3 、2 9 4 3 n m o l g ( f w ) 。而超氧化物歧化酶活性除了2 2 1 t w c m 2 处理组与对照基本一致外， 4 5 p , w c m 2 和7 0 “w c m 2 处理组比对照的超氧化物歧化酶活性分别提高了2 1 3 和 7 4 6 。 4 探讨了u v - b 照射对微藻的生物学效应。7 6 i - t w c m 2 的u v b 对小球藻细胞 1 2 d 持续辐射结果显示，小球藻超氧化物歧化酶和过氧化氢酶活性及活性氧成分、 丙二醛含量均在培养的4 d 达到最大，而对照组指标则基本不变或变化不大；小球 藻脂肪酸含量上升，为对照的1 2 4 ；小球藻细胞内的可溶性蛋白含量有所下降， 只相当于对照的8 0 。4 5 1 上w c m 2 和7 6 1 a w c m 2 的u v - b 辐射强度1 2 h 处理小球藻结 果显示：4 5 1 a w c m 2 u v b 处理小球藻，其叶绿素a 和类胡萝卜素含量在4 小时后达 最高值，分别为1 2 8 1 0 2 r a g c e l l 和4 5 1 0 1 2 m g c e l l ，此后其含量下降。7 6 1 , t w c m 2 的u v - b 处理，其色素含量呈显著下降趋势。小球藻的丙二醛含量和超氧阴离子自 由基含量在两个u v b 强度处理下显著升高，且辐射强度越强，含量升高越显著。 两u v b 强度处理下，辐射组h 2 0 2 含量呈显著升高，8 1 2 小时之间的过氧化氢 ( h 2 0 2 ) 含量升幅异常显著，其检测值在1 2 小时达最高点，对照组则变化不大。 4 5 p w c m 2 和7 6 1 t w c m 2 的u v - b 辐射对脆杆藻的短期生长亦具显著影响。脆杆藻表 北极微藻在不同u v - b 辐射强度下的生物学效应变化研究 现了与小球藻类似的生理生化反应。辐射1 2 h 后，小球藻脂肪酸组成发生了显著的 改变，小球藻总多不饱和脂肪酸含量降低，总饱和脂肪酸含量增加。在辐射后，小 球藻增加了c 1 6 ：0 和c 1 8 ：3 两种脂肪酸。 综上所述，施加一定辐射强度的u v - b 后，北极微藻在形态结构、生化组成及 生长特征上发生了变化，这也在某种程度上反映了其对北极u v - b 强辐射极端环境 的适应性。 关键词：u v b 辐射；北极；小球藻；脆杆藻；生理生化反应 u 华中农业大学2 0 0 9 届硕士学位论文 a b s t r a c t m i c r o a l g a ep l a y sa l li m p o r t a n tr o l e a sap r i m a r yp r o d u c e ri na r c t i ch y d r o l o g y s y s t e m t w or e p r e s e n t a t i v ea l g a es p e c i e sw e r ec o l l e c t e di ns u m m e ro f2 0 0 6f r o my e l l o w r i v e rs t a t i o nl o c a t i n gi nt h ea r c t i ca n de m p l o y e di np r e s e n tr e s e a r c h t h er e s u l t sa r ea s f o l l o w 1 e f f e c t so fu v - bo nt h eg r o w t ho fc h l o r e l l as p w a si n v e s t i g a t e du n d e ro ( c k ) ， 2 2 1 a w c m 2 ，4 5 i t w c m za n d7 0 i - t w c m zu v - bi n t e n s i t i e s u v - bi n h i b i t e dg r o w t ho f c h l o r e l l as p s i g n i f i c a n t l y , t h eh i g h e ri n t e n s i t yo fu v - ba p p l i e dt h es t o n g e ri n h i b i t i o no f a l g a eg r o w t h 2 1 1 1 eu l t r a s t r u c t u r eo fc h l o r e l l as p w a si n v e s t i g a t e db yt e m c h l o r o p l a s t ，g o l g i ， m i t o c h o n d r i ao fc h l o r e l l as p w e r ed a m a g e ds e r i o u s l yu n d e r9 5 r t w c m 2u v bi r r a d i a t i o n 3 g r o w t ho fc h l o r e l l as p w a sm o n i t o r e du n d e r0 ( c k ) ，2 2 p w c m 2 ，4 5 i _ t w c m 2a n d 7 0 i t w c m 2u v - b 1 1 1 er e s u l t ss h o w e dt h a t ，c o m p a r e dw i t ht h ec o n t r o l ，w i t hi n c r e a s ei n u v - bi n t e n s i t yc o n t e n to fc h l o r o p h y l la ( c h l a ) c o r r e s p o n s i v e l yd e c r e a s e db y12 ，2 2 a n d31 ，a n dc o n t e n to fc a r o t e n o i d ( c a r ) d e c l i n e db y8 6 7 ，4 4 6 7 a n d7 1 6 7 ， r e s p e c t i v e l y i nc o n t r a s t ，m d ai n c r e a s e db y4 1o ，9 9 3a n d2 9 4 3n m o l g ( f w ) u n d e r u v bi n t e n s i t yo f4 5 i t w c m za n d7 0 1 x w c m z ，s u p e r o x i d e ( s o d ) d i s m u t a s ea c t i v i t y i n c r e a s e db y21 - 3 a n d7 4 6 ，r e s p e c t i v e l y 4 b i o l o g ye f f e c t so fu v - br a d i a t i o no nm i c r o a l g a ew e r ef u r t h e ri n v e s t i g a t e d t r e a t e d w i t h7 6 p w c m 2u v - bf o r12 d ，s o d ，c a t a l a s e ( c a t ) a n da c t i v eo x y g e ni n g r e d i e n to f c h l o r e l l as p c e l l si n c r e a s e dw i t hap e a ko n4 dw h i l et h ec o n t r o lm a i n t a i n dn e a r l y c o n s t a n t m e a n w h i l e ，c o n t e n to fc h l o r e l l as p f a ta c i dr a i s e db y12 4 a n dt h es o l u b l e p r o t e i nd r o p e dt o8 0 o ft h ec o n t r 0 1 t r e a t e dc h l o r e l l as p w i t h4 5 i t w c m zu v - bf o r12 h , c o n t e n t so fc h l aa n dc a rr e a c h e dt h em a x i m u ml e v e la t4 hw i t h12 8x10 。1 za n d 4 5 10 叫2 m g c e l l ，r e s p e c t i v e l y t h e i rc o n t e n t sd r o p e dh e r e a f t e r u n d e ru v - bi n t e n s i t yo f 7 6 p w c m 二，c o n t e n t so fc h l aa n dc a rs h o w e das i g n i f i c a n t l yd o w n w a r dt r e n d ，w h e r e a s m a l o n d i a l d e h y d c ( m d a ) a n ds u p e r o x i d ea n i o nr a d i c a l ( 0 2 ) e l e v a t e do b v i o u s l yw i t h p r o l o n g i n gt h eu v - br a d i a t i o na n dh 2 0 2w a sp r o m o t e dt or e a c hap e a ka t12 h ，b u tn o s o i g n i f i c a n tc h a n g e sd e t e c t e di nc o n t r 0 1 h o w e v e r , t h er e s p o n s eo ff r a g i l a r i as p t ot h e u v - bt r e a t m e n t sw a sn o ts u c ho b v i o u s o u rr e s u l t sa l s od e m o n s t r a t e dt h a tu v b ( 7 6 p t w c m 上) t r e a t e df o r12 hc h a n g e dt h ef a t t ya c i dc o m p o s i t i o no fc h l o r e l l as p t h er a t i o o ft o t a lp o l y u n s a t u r a t e df a t t ya c i d sd e c r e a s e dw h i l et h er a t i oo fs a t u r a t e df a t t ya c i d s i n c r e a s e d t h ef a t t ya c i d so f c l 6 ：0a n dc 18 ：3i n c r e a s e da sw e l l i nc o n c l u s i o n ，t h er e s p o n s eo fa r c t i cm i c r o a l g a ei nm o r p h o l o g y , u l t r a s t r u c t u r ea n d b i o c h e m i c a lc o m p o s i t i o n si sar e f l e c t i o no ft h ea c c l i m a t i o nt os t r o n gu v - be n v i r o n m e n t o ft h ea r c t i c 北极微藻柏i 不同u v - b 辐射强度下的生物学效戍变化研究 k e yw o r d s ：u v - br a d i a t i o n ；a r c t i c ；c h l o r e l l as p ；f r a g i l a r i as p ；p h y s i o l o g i c a la n d b i o c h e m i c a lr e s p o n s e 华中农业人学2 0 0 9 届硕士学位论文 缩略词表 英文缩写英文全称 中文意义 c a r c a r o t e n o i d s 类胡萝卜素 c a t c h l c h l a b c h l o r e l l as p g h 2 0 2 l 4 a s m d a m n 0 2 。 p y s s o d u v b c a t a l a s e c h l o r o p l a s t c h l o r o p h y l l a b c h l o r e l l as p e c i e s g o l g i h y d r o g e np e r o x i d e m y c o s p o r i n e - l i k ea m i n oa c i d s m a l o n d i a l d e h y d e m i t o c h o n d r i a n u c l e u s s u p e r o x i d ea n i o nr a d i c a l p y r e n o i d o s a s t a r c hg r a i n s s u p e r o x i d ed i s m u t a s c u i t r a v i o l e tb 过氧化氢酶 叶绿体 叶绿素a b 小球藻属 高尔基体 过氧化氢 三苯甲咪唑基氨基酸 丙二醛 线粒体 细胞核 超氧阴离子自由基 蛋白核 淀粉粒 超氧化物歧化酶 紫外线b f w f r e s hw e i g h t 鲜重 v 华中农业大学学位论文独创性声明及使用授权书 学位论文 是否保密 不如需保密，解密时间年 月日 、2 7 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华中农业大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料，指- , 9 教师对此进行了审定与我一同t 作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中做了明确的说明，并表示了谢意 研究生鲐彭7 、j 节 帆护7 年6 月，罗日 黼张扣、印锄靡) 签名日期秽口哆年乡月9 日签名日期：阳勺夕年占月。【夕日 注：请将本表直接装订在学位论文的扉页和目录之间 华中农业大学2 0 0 9 届硕i j 学位论文 1 前言 1 1 问题提出 由于臭氧减少导致到达地表的u v b 显著增加( m a d r o n i c he ta l ，1 9 9 8 ) ，这引 起人们以极大的努力去了解目前紫外线- b ( u v b ) 的作用，以及预测u v b 的增 强对海洋主要生产力的影响。已有研究表明，海洋藻类在u v - b 辐射增强后产生了 明显的生理变化以适应环境的变化：酶活改变，色素组成有所改变，产生新的具有 抗紫外辐射的活性物质等。但是对于极地藻类，由于其生活环境的特异，它们的反 应被认为是特殊种类的反应( k a r e n t ze ta l ，1 9 9 1 ) ，不能进行简单类推。 由于臭氧层的变薄，极地的u v b 水平高于温带、热带和亚热带纬度的。而极 地臭氧层变化则更为敏感，对极地的生态系统也将产生不可推测的影响。用极地分 纯的微藻，检测其对不同强度u v b 辐射的反应，将为深入利了解极地微型生物对 u v b 辐射的敏感程度，以及目前u v b 辐射下的极区水生态系统构建基础。独特的 生活环境，可能使北极微藻形成了许多普通微生物所没有的奇特特性，研究极端微 生物不仅对生命的极限、微生物的进化与分类等很有理论价值，而且对环境污染、 环境改造、开辟微生物新功能等应用研究，具有重要意义。 目前，国内北极微藻的研究工作还少见报道。开展北极微藻的实验室内培养研 究，这不仅可为基础研究提供新型的研究材料，而且还可以丰富我国现有的微生物 资源，以应用于人类的保健和疾病的治疗。 1 2 国内外研究进展 1 2 1 大气臭氧层空洞和紫外辐射 大气中的臭氧分布于1 0 5 0k m 大气层内，中心约在2 5 k m 的高空。臭氧层的平 均厚度大约为0 3 c m 。臭氧层在平流层中上层的大气中起了热源汇集的效应，阻断 了太阳光谱中3 9 0i l i l l 以下的紫外辐射。所以，尽管臭氧在大气中的含量很少，但 它对人类和生物的影响非常重要。若大气层中臭氧成分含量过低，太阳紫外辐射就 会过量到达地面。 自从1 9 8 5 年在南极发现臭氧层空洞以来，大气平流层臭氧层破坏已经成为人 们最为关心的全球问题之一( a n d e r s o n ，1 9 9 1 ) 。破毁臭氧层的主要原因是氟氯烃 化合物和哈龙等卤族化合物的大量使用( m o i n aa n dr o w l a n d ，1 9 7 4 ：w m o ，2 0 0 3 ) 。 北极微藻n ；不同u v - b 辐射强度下的生物学效应变化研究 近年来，这些物质对臭氧层的破坏速度大大加快，在南极和北极上空形成了臭 氧层空洞( r e xe ta l ，2 0 0 3 ) 。由于臭氧层的严重破坏，人们非常重视紫外线辐射 ( u v r ，2 0 0 4 0 0 n m ) 对生态系统可能造成的影响，以中间波长2 8 0 3 2 0 n m 的紫外 线u v b 辐射最为引人关注( b i s c h o f a n dh a n e l t ，2 0 0 4 ) 。u v b 的增强，会对生态 系统带来多方面的影响，如群落结构的改变，食物链的改变等( r o z e m a ，2 0 0 5 ) 。 1 2 2u v - b 增强对藻类的影响 1 2 2 1u v b 辐射增强对藻类细胞形态和生长效应的影响 紫外线辐射可导致细胞死亡，致死率随辐射时间的延长而加大，且一定剂量的 u v - b 辐射会对细胞内部结构造成损伤( y ue ta l ，2 0 0 5 ：李国才和宋立荣，2 0 0 2 ； 蒋霞敏等，2 0 0 3 ；耿予欢等，2 0 0 6 ) 。耿予欢等( 2 0 0 6 ) 研究发现：经7 0 9 w c m 2 u v - b 不同时间照射后，继续培养3 d 和6 d ，发现雪藻( c h l a m y d o m o n a sn i v a l i s ) 致死率 随着辐射时间的延长上升明显，紫外照射8 h 后到雪藻细胞致死率分别达到7 3 8 和8 0 7 。y u 等( 2 0 0 5 ) 以2 8 8 k j m 2 和5 7 6i o m 2 的u v _ b 处理小球藻细胞后， 发现细胞结构有较大的损伤，如类囊体结构溶解、液泡色素被漂白、细胞还出现了 质壁分离等。蒋霞敏等( 2 0 0 3 ) 也观察到经3 0w 紫外灯3 0c m 处紫外线照射5m i n 后的雨生红球藻细胞超微结构出现了受损情况。v a n 和h e s s e n ( 1 9 9 5 ) 报道，u v - b 辐射会损伤藻类鞭毛，削弱其辨向本能，影响其对环境的敏感性。l e s s e r ( 1 9 9 6