（生物医学工程专业论文）螺旋藻形态建成的分子机制及转座子调控模型.pdf

螺旋藻回复正常形态建成后，3 种光合色素的含量及波谱特性、生长速率， 以及蛋白质含量和氨基酸组成等均能恢复正常。从而使退化的藻种恢复其优良 性状，并重新应用于生产。_ 三、螺旋藻形态建成相关蛋白的研究 对6 株螺旋藻及其相应的直线形藻丝体，以及由直线形藻丝体回变成f 常 形态的藻丝体，所作的s d s p a 蕊结果表明：( 1 ) 6 株钝顶螺旋藻的电泳图谱 相似，但又存有明显的差异；( 2 ) 直线形藻丝体的蛋白质图谱与正常形态藻丝 体育明显不同，而回复正常形态建成后，蛋白质图谱又可完全恢复：( 3 ) 在6 组蛋白质电泳图谱中，所有弯曲形藻丝体都有8 7k d 的蛋白带，而昕有直线彤 藻丝体却都缺失8 7k d 这条带。研究表明8 7k d 蛋白很l 可能是一种存在于二细鼬 膜或胞壁中疏水性较大的膜蛋白或结构蛋白，它与形态建成密切梢关。 四、螺旋藻形态建成的d n a 调控研究r a p d 分析 建立了可用作r a p d 分析的螺旋藻基因组d n a 提取方法c t a b 提 取注+ 发现可用作r a p d 分析的螺旋藻基因组d n a 在2 15n m 附近吸收峰均 低于2 6 0n l t l 附近吸收峰这一光谱特征。 蝴1 0 8 条随机引物对s p d 技其直线形藻丝体 s p d t l ) 】，以及山s p d ( l ) 刚复正常形态建成的藻丝体 s p d ( l h ) 1 ，作了r a p d 分析。结果：( 1 ) 除1 9 条随机引物在3 个材料中均无扩增产物外，其余8 9 条随机引物在这3 个材料 中部能扩增出d n a 片段，有效引物占被试引物总数的1 7 6 ；( 2 ) 8 9 条引物 对s p d 、s p d ( l ) 和s p d ( l - - h ) 扩增出的总带数分别为2 9 7 、2 8 7 和2 9 7 ，每 条引物对上述3 个材料能扩增出的平均带数分别为3 3 4 、3 2 2 和33 4 。其中， s p d ( l ) 与s p d 、s p d ( l ) 与s p d l h ) 之日j 的共有带数均为2 7 7 ，差异带数 均为2 9 ；而s p d 和s p d ( l h ) 之间的共有带数为2 9 7 ，差异带数为o ；( 3 ) 1 7 条引物能在s p d ( l ) 与s p d 、s p d ( l ) 与s p d ( l h ) 之间扩增出差异条带，且 这两组的遗传距离均为0 0 5 3 ，而s p d 和s p d ( l h ) 之间的带型则无差异， 遗传距离为0 。上述结果首次表明，螺旋藻变直虽可因环境因子的变化而引起， 但却是d n a 发生变化的结果。同时，这种遗传突变又可在特殊条件下得以完 全恢复，使藻丝体完全回复其一常形态建成。从上述s p d ( l h ) 和s p d 的分 于遗传背景相同的结果办进步表明，退化藻种可在特殊条件下完全恢复原来 的优良性状，并重新应用于生产。产 五、螺旋藻形态建成的转座子调控模型 随过比较s p d 、s p d ( l ) 、s p d ( l h ) 、s p s 、s p - b 、s p y 、s p z 及其 超长突变体s p - z ( s l ) 、s p - f 及其变成波浪形的藻丝体s p - f ( u ) ，这l o 种藻丝 体总d n a 的异同性，首次表明螺旋藻中分子量约为1 0 3 0 - 1 2 0 0b p 的基因组外 d n a 片段与藻丝体的形态建成相关。 根据螺旋藻转座子的已知序列设计并合成了1 对2 0b p 的引物，以上述1 0 种藻丝体的总d n a 为模板作p c r 扩增发现，在这1 0 种藻丝体中均能扩增出 1 条约9 4 0b p 的d n a 片段。经序列测定表明这一扩增片段为9 4 6b p ，含1 个 可读框，且与f s 中一片段的序列完全相同。s o u t h e r n 杂交分析表明。螺旋藻 的基因组d n a 及基因组外d n a 都含有与扩增产物同源的片段。这些结果不 仅表明上述基因组外d n a 为转座子，而且表明转座子在螺旋藻中普遍存在。 它可存在于基因组上，也可以游离的形式存在于基因组外，它们的分子量大小 不同可能是由于转座子从基因组上隔离时不精确，而携带基因组上部分d n a 片段所致。、 综合上述实验结果， 我们首次提出了螺旋藻形态建成的转座子调控模型。 f 当螺旋藻转座子插入与形态建成相关的8 7k d 蛋白( 或相关蛋白) 的基因时，使 该基因失活，蛋白质不能合成，进而使藻丝体变成直线形：当在电离辐射等作 用下，转座子被激活，从8 7k d 蛋白( 或相关蛋白) 基因上脱落，使该基因恢复 f 常表达，从而使直线形藻丝体回复正常形态建成，k 关键词：螺旋藻；形态建成；转座子；分子机制：调控模型。 t h em o l e c u l a rm e c h a n i s m a n d t r a n s p o s o n - r e g u l a t i o n m o d e lf o r m o r p h o g e n e s i so f s p i r u l i n a a b s t r a c t 1 p o l y m o r p h o l o g i c v a r i a t i o na n d p r o p e r t i e sd e g e n e r a t i o no f s p i r u l i n a a s t u d yo fn o r m a lm o r p h o l o g i cc h a r a c t e r sa n dp o l y m o r p h o l o g i cv a r i a t i o no f s p i r u l i n ap l a t e n s i s ( s p - f s p - z ，s p b ，s p - s ，s p - y s p d ，s p - j ) i sp r e s e n t e d n l e r e s u l t sr e v e a l e d t h a t 鹊f o l l o w ：( 1 ) s p i r u l i n a ，t h o u g h i ti ss t a b l ei nn o r m a l m o r p h o l o g y , w o d d v a r i a t et oc u r v e ds h a p ea n de v e nl i n e a rs h a p ew h i c ha r ed i f f e r e n t f r o mn o r m a lm o r p h o l o g yw h e nt h ec h a n g e so fc u l t u r em e t h o d s ，t e m p e r a t u r e ，l i g h t i n t e n s i t y , p ha n d n u t r i e n t so rt r e a t e db ye l e c t r o i r r a d i a t i o na n dc h e m i c a lm u t a g e m m o r e o v e r , t h i sp o l y m o r p h o l o g i cv a r i a t i o ni sm u c hp o p u l a ri n 印i r u l i n a ；( 2 ) t h er a t i o o fm o r p h o l o g i cv a r i a t i o ni n 跏i r u l i n ai sf r o m1 0 4t o1 0 - 4 ，w h i c hi m p l i e di t sr a n d o m o c c u r r e n c e ；( 3 、n 地f o r m i n go fs t r a i g h ts h a p e s t a r t e df r o mt e r m i n a l so fc u r v e d f i l a m e n t s ，t h e nt h e s es t r a i g h tt e r m i n a l sg r e wu pt o l i n e a r f i l a m e n t s ( 4 ) c u r v e d f i l a m e n t sc a l li n t e r c o n v e r s e ，t h e ya l lc a nc h a n g ei n t ol i n e a rs h a p e s ，h o w e v e r , i ti s q u i t ed i f f i c u l t f o rl i n e a rf i l a m e n tt or e s t o r ec u r v e ds h a p e s ；( 5 ) t h ec h a n g ef r o m c u r v e ds h a p e st ol i n e a rs h a p e si sp o s s i b l yg e n e t i cm u t a t i o n ，w h e r e a si n t e r c o n v e r s i o n a m o n g c u r v e ds h a p e s w h i c hc a nn o tb eb e r i t a t e d 。a r em o s t l yc a u s e d b y t h ev a r i a t i o n a t p h y s i o l o g ya n db i o c h e m i s t r y , o n l yaf e wo f w h i c hb e l o n gt og e n e t i cm u t a t i o n a n dc a nh e r i ts t a b l yt ot h e i rp r o g e n i e s a sar e s u l t , t h ev a r i e t yo f 印i r u l i n aw o u i dd e g e n e r a t ea f t e rt h ev a r i a t i o no f s p i r u l i n af r o mn o r m a lm o r p h o l o g y , e s p e c i a l l yb e c a m et ol i n e a rs h a p ew h i c hw i t h s e r i o u s l yi n f l u e n c e do n i t sp h y s i o l o g i c a la n db i o c h e m i c a lc h a r a c t e r sa n de l i t et r a i t s ； ( 1 ) t h ec o n t e n t sa n da b s o r p t i o ns p e c t r ao f c h l o r o p h y l l s ，c a r o t e n o i d sa n dp h y c o b i l i n s d e m o n s t r a t es i g n i f i c a n tc h a n g e s ；( 2 ) mg r o w t hr a t e d r o p p e d2 1 - 4 4 ；( 3 ) t h e c o n t e n t so f p r o t e i nd r o p p e dt ob e l o w5 0 f r o m6 0 - 7 0 t h et o h a lc o n t e n to f a m i n o a c i d sa l s od e c r e a s ea n dl o s e b a l a n c e ；( 4 ) t h e y c a n e a s i l y b ec o n t a m i n a t e d b y 0 s c i l l a t o f i a , a n dt h ea l g a lf i l a m e n t sa r ed i m c u l tt ob eh a r v e s t e d 2 f i n d i n g s a n d s i g n i f i c a n c e o n r e t u r n i n g t on o r m a l m o r p h o l o g e n e s i s o f s p 洲b l a b a s e do nt h ef i n d i n gt h a tl i n e a rf i l a m e n tc a nr e t r a n s i t et oc u r v e ds h a p ew h i c hi s s i m i l a rt oo r i g i n a ln o r m a lf i l a m e n tb y ”c o y - r a y ( o 3 k g y ) t h er e s u l t ss h o wa c u l t u r e ( d j - m ) c o m p o u n d e dw i t hak i n do fm i n e r a lw a t e r ( d j w 1o f51 w a t e r s a m p l e s f r o m z h e j i a n g ，y u n n a na n dj i a n g s h up m v i n c e se n a b l el i n e a rf i l a m e n tr e t u r n t oc u r v e d s h a p e s i m i l a rt on o r m a lf i l a m e n t t h i s m a y a l s ob ear a n d o m o c c u r r e n c e ，t h er a t eo fr e v e r s em u t a t i o n i sa b o u t1 0 f u r t h e r m o r p h o l o g y c o m p a r a s i o nu n d e ro p t i c a lm i c r o s c o p e ，s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p ea n du l t r a t h i n s e c t i o n se l e c t r o nm i c r o s c o p cs h o wt h a te x t e r n a lm o r p h o l o g ya n di n t e m a ls t r u c t u r e c h a n g e de v i d e n t l ya f t e rc u r v e df i l a m e n t sb e c o m i n gi i n e a ro n e s t h e nt h e i re x t e r n a l m o r p h o l o g ya n di n t e r n a ls t r u c t u r ec a nr e c o v e rc o m p l e t e l ya f t e rt r e a t e db yy r a y s a n dd j m t 1 1 i sc o n f i r m e dl i n e a r e df i l a m e n t sc o u l dr e v e r s et on o r m a l m o r p h o l o g e n e s i si ns p e c i a l c o n d i t i o n s a tt h es a m et i m e ，t e m p e r a t u r eh a dl a r g e e f f e c to nn o r m a lm o r p h o g e n e s i so fs p i r u l i n a ，i ti sm o s tb e n e f i tt or c c o n s t r u c t u r e n o r m a lm o r p h o l o g y o f s p i r u l i n a a ta b o u t2 0 0 c a f t e rr e v e r s i n gt on o r m a lm o r p h o l o g e yo f s p i r u l i n a ，t h e c o n t e n t sa n ds p e c t r a c h a r a c t e r i s t i c so ft h r e ep h o t o p i g r a e n t s ，t h eg r o w t hr a t e ，t h ec o n t e n t so fp r o t e i na n d c o n s t i t u t i o no f a m i n oa c i d sa l lc a l lr e c o v e rt on o r m a l i t y t h ed e g e n e r a t e dv a r i e t i e so f s p i r u l i n ac a n h a v et 1 1 e j fe l i t et r a i t sa g a i na n dr e u s et om a s s p r o d u c t i o n 3 s t u d y0 1 1t h ep r o t e i nr e l a t e dt om o r p h o g e n e s i so f s p i r u l i n a am e t h o do fp r o t e i ne x t r a c t i o na n ds d s p a g ea n a l y s i so f 睁u l i n ai s c o n s t r u c t e d s d s p a g ea n a l y s i so f6s t r a i n ss p i r u l i n a t h e i rc o r r e s p o n s i v el i n e a r f i l a m e n t sa n dt h en o r m a lm o r p h o l o g i cf i l a m e n t sr e v e r s i n gf r o mi i n e a rf i l a m e n t s s h o w ：( 1 、n 地e l e c t r o p h o r e t o g r a m so fp r o t e i no f6s t r a i n ss p i r u l i n aa r es i m i l a rb u t s t i l lh a v e - e v i d e n td i f f e r e n c e s ；( 2 、p r o t e i nm a p so fl i n e a rf i l a m e n t sa r er e m a r k a b l y d i f f e r e n tf r o mt h o s eo fn o r m a lm o r p h o l o g y , b u tt h e yc a nr e v e r s ec o m p l e t e l ya f t e r r e v e r s i n gt on o r m a lm o r p h o l o g e n e s i s ；( 3 ) a m o n g6g r o u p so ff i l a m e n t s ，t h e r ei s a b a n da t8 7k d af r o ma l lc u r v e df i l a m e n t sb u tn o ti n l i n e a rf i l a m e n t s d e t a i l e d r e s e a r c hd e m o n s t r a t e dt h a t8 7k d a p r o t e i ni sp r o b a b l yam e m b r a n ep r o t e i no ro t h e r c o n s t r u c t i v ep r o t e i ne x i s t e di nm e m b r a n eo re e l lw a l l t h u s t h e8 7k d ap r o t e i ni s s i g n i f i c a n t l yc o r r e l 砒e dw i 血m o r p h o g e n e s i so f 印i r u l i n a 4 r a p d a r i a l y s i s t h es t u d yo fd n a r e g u l a t i o ni nm o r p h o g e n e s i so f s p i r u l i n a am e t h o db yc t a bb u f f e rt oe x t r a c t g e n o m ed n a o fs p i r u l i n af o rt h e a n a l y s i so fr a p da m p l i f i c a t i o ni sc o n s t r u c t e d a n dt h ea b s o r p t i o ns p e c t r ao ft h e g e n o m ed n a s h o wt h a tt h ep e a k sn e a r b y2 1 5n r a r el o w e rt h a nt h o s en e a r b y2 6 0 n l 1 r a p d a n a l y s i so fs p - d ，l i n e a rf i l a m e n t s 【s p - d ( l ) 】a n df i l a m e n t sw i n ln o r m a l m o r p h o g e n e s i sr e c o v e r e df r o ms p d ( l ) w h i c hi sc a l l e d s p - d ( l h ) 】i sp r e s e n t e d w i t h1 0 8r a n d o mp r i m e r s ( 1 ) o ft h et o t a l p r i m e r st e s t e d , 8 9 ( 8 2 4 ) p r o d u c e d a m p l i f i e db a n d s ，w h i l e1 9p r o d u c e dn ob a n d ；( 2 ) 8 9r a n d o mp r i m e r sp r o d u c e dt o t a l o f2 9 7 ，2 8 7a n d2 9 7a m p l i f i e db a n d sr e s p e c t i v e l y , g i v i n ga na v e r a g ef r e q u e n c yo f 3 3 4 3 2 2a n d3 3 4r a p db a n d sp e rp r i m e rc o r r e s p o n s i v e l y 2 7 7b a n d sa r es 锄e b e t w e e ns p - d ( l ) a n ds p - do rb e t w e e ns p - d ( l ) a n d s p - d ( l h ) ，w h e r e a s2 9 b a n d s a r ed i f f e r e n t 2 9 7b a n d sa r es a n l eb e t w e e n s p - d a n d s p - d ( l h 1 ，a n dn o p o l y m o r p h i cb a n d ；( 2 ) 1 7l x i r 雎r sc a nb ea m p l i f i e dp o l y m o r p h i cb a n d sb e t w e e ns p d ( l ) a n ds p do rs p - d ( l h ) t h eg e n e t i cr e l a t i o n s h i pb o t h a l e0 0 5 3 ，w h e r e a sn o d i f f e r e n c eb e t w e e n s p d a n ds p d ( l h ) ，a n dt h eg e n e t i cr e l a t i o n s h i p i s0 t h i ss t u d ys h o w st h ef i r s tt i m et h a tt h ev a r i a t i o nt o1 i n e a rs h a p eo fs p i r u l i n ai s c a u s e db yd n am u t a t i o nt h o u g hi tc a nb ec a u s e db ye n v i r o n m e n tc h a n g e s t h i s g e n e t i c m u t a t i o nc a nr e c o v e rc o m p l e t e l yi nc e r t a i n s p e c i a l c o n d i t i o n sa n dt h e f i l a m e n t sc a na l s or e v e r s en o r m a lm o r p h o g e n e s i s i na d d i t i o n ，t h er e s u l tt h a tt h e m o l e c u l a rg e n e t i cb a c k g r o u n do f s p - d ( l - - h ) a n ds p da r es a m ea l s os h o w s t h a t d e g e n e r a n tv a r i e t i e so fs p i r u l i n am a yt o t a l l yr e c o v e ro r i g i n a l e l i t et r a i t si nc e r t a i n s p e c i a lc o n d i t i o n sa n d c a nb er e u s e di np r o d u c t i o n 5 t r a n s p o s o n - r e g u l a t i o nm o d e l f o rm o r p h o g e n e s i so f 印i r u l i n a t h et o t a ld n a c o m p a r a t i o no f10p o p u l a t i o no fs p i r u l i n ai n c l u d e ds p - d ，s p d ( l ) ，s p - d ( l h ) ，s p - s ，s p ，b ，s p ys p - z a n di t ss u p e r - l o n gm u t a n ts p z ( s l ) ，s p fa n di t su n d u l a n tm u t a n t s p - f ( u ) s h o wt h e f i r s tt i m et h a t10 3 0 - 12 0 0 b p e x t r a c h r o m o s o m a ld n ai si nr e l a t i o nt om o r p h o g e n e s i so f t h ef i l a m e n t s ap a i ro f2 0b pp r i m e r sa r ed e s i g n e da n ds y n t h e s i z e db a s e do nt h ek n o w n s e q u e n c e s o ft r a n s p o s a b l e e l e m e n t s ( f s ) o fs p i r u l i n a u s i n gt o t a l d n ao f1 0 f i l a m e n t sa s t e m p l a t ed n a ，p c ra m p l i f i c a t i o n s h o wa a p p r o x i m a t e 9 4 0 b p f r a g m e n t s e q u e n c i n gd e m o n s t r a t e dt h a tt h ea m p l i f i e df r a g m e n ti s9 4 6b p ，c o n t a i n e d 1 o r ew a ss i m i l a rw i t haf r a g m e n ts e q u e n c eo ff s t h ed e t a i l e da n a l y s i so f s o u t h e r nb l o t t i n gs h o wt h a tb o t hg e n o m ed n aa n de x t r a c h r o m o s o m a ld n ah a v e h o m o l o g o u sf r a g m e n t sw i t ht h e 9 4 6b pf r a g m e n t t h i ss t u d yd e m o n s t r a t e st h a t t r a n s p o s a b l ee l e m e n t se x i s tn o to n l yi ne x t r a c h r o m o s o m a ld n a ，b u t a l s op o p u l a l yi n g e n o m ed n a o f s p i r u l i n a t h ed i f f e r e n c eo fm o l e c u l a rw e i g h tm a yb ec a u s e db y t r a n s p o s a b l ee l e m e n tu n e x a c ti s o l a t i o nf r o mt h eg e n o m el e a d i n gt oc o u n e c t w i t h p a r t o fg e n o m ed n a f r a g m e n t t r a n s p o s o nr e g u l a t i o nm o d e lo fs p i r u l i n am o r p h o g e n e s i si sp r e s e n t e da tt h e f i r s tt i m eb a s e do nt h ec o m p r e h e n s i v ea n dr e l a t e dr e s u l t s ：a f t e rt r a n s p o s o ne n t r a p s g e n ew h i c h e n c o d e8 7k d p r o t e i n c o r r e l a t e d 、丽t l lm o r p h o g e n e s i s t h eg e n ei n a c t i v a t e 。 t h u st h ep r o t e i nc a nn o tb es y n t h e s i z e d ，t h ef i l a m e n t sb e c o m el i n e a rs h a p e s o nt h e c o n t r a r y , t r a n s p o s o n sr e l e a s ef r o mt h eg e n ee n c o d i n g8 7k dp r o t e i nw h e n a c t i v a t e d b y e l e c t r o i r r a d i a t i o no ro t h e rf a c t o r s t h e r e f o r e t h ef u n c t i o n a lg e n ec a ne x p r e s s a n d p r o d u c e t h e8 7k d p r o t e i n ，t h e l i n e a rf i l a m e n t sr e c o v e rt on o r m a l m o r p h o g e n e s i s 1 k e yw o r d s ：s p i r u l i n a ；m o r p h o g e n e s i s ；t r a n s p o s a b l ee l e m e n t s ( t r a n s p o s o n ) ； m o l e c u l a r m e c h a n i s m ；r e g u l a t i o nm o d e l 致谢 本论文的研究和撰写工作都是在我尊敬的导师钱凯先教授的悉心指导下完 成的。几年来，恩师平和的为人、渊博的知识、敏锐的科学思想、实事求是的 科学态度、严谨的治学作风、执著的事业心、言传身教和为人师表等无不给我 留下深刻的印象，这一切都使学生铭记在心、受益匪浅，并将永远激励着我不 断进取! 感谢中国科学院植物研究所顾天青研究员、中国农业大学毛炎麟教授及云 南施普瑞蓝藻公司馈赠本研究中的部分藻种! 感谢中国科学院植物研究所黄巨富研究员、李佳格研究员、汪道涌硕士( 现 在南京铁道医学院) 和董志刚硕士，给予精神鼓励和工作上的大力支持! 感谢本所崔海瑞博士、李晋楠博士、吴刚博士、叶庆富博士、张世民博士、 吴殿星博士、谢建坤博士、王忠华博士、徐兵硕士、陈善福硕士、谢小波硕士 和蔡志强硕士等在本研究实验过程中给予的强有力支持和帮助! 感谢浙江大学农业生物环境工程研究所程丽琴博士、动物科学学院周继勇 博士、d r s a t e e s hk u m a r 和沈行燕硕士，中国农业科学院生物技术中心张中林 博士、农业与生物技术学院彭锁堂博士，在本论文研究过程中给予的大力支持! 感谢本所张勤争教授、奚海福副教授、谢学民教授、赵玉芳副教授、辐照 中心傅俊杰付教授、孙志明实验师和赵小俊同志在实验中给予大力帮助! 感谢本所陈子元院士、徐步进教授、孙锦荷教授、舒庆尧教授、沈伟桥书 记，以及所有教职工给予本研究在实验设计、技术和条件等方面的大力支持! 感谢浙江大学研究生处领导及生命科学学院研究生科闵水珠科长给予的热 情指导与帮助i 感谢浙江大学农业与生物技术学院和浙江大学生命科学学院的领导对我学 习和工作的支持和帮助! 感谢师母储老师给予我学习、生活和工作上的关心和大力支持! 感谢师兄弟、师姐妹们的关心和支持! 特别感谢吾妻王冬云硕士多年来对我工作的理解、支持和帮助! 感谢活泼、可爱的小女儿汪凡越，给我无限的欢乐和富有创造性的启发! 感谢我的岳父、岳母、兄弟姐妹及亲朋好友，给予我无限的关怀和照顾! 最后，特别感谢我父母及所有老师的养育之恩，是他们教会了我如何作人， 傲一个诚实、善良、正直、对国家和人民有用的人! 蕾【匕黛舅r n - r 囊0 蕾鼍b 一匕戚长喇，i 听o 氏掌 本研究的创新性 l 、首次发现并确证直线形藻丝体能在特殊条件下完全回复其正常形态建成及 d n a 的正常状态，并重新应用于生产； 2 、首次发现与藻丝体形态建成相关的蛋白一一- - 8 7 k d 蛋白； 3 、首次发现并确证藻丝体变直及回复正常形态建成是d n a 水平调控的结果 4 、首次比较了不同螺旋藻品系和形态之间原核基因组外d n a 的差异，以及 螺旋藻中转座子与形态建成的相关性，并提出了螺旋藻形态建成的转座子 调控模型； 5 、首次通过核辐射技术及相关生物技术构建了超长钝顶螺旋藻等新品系，并 以其为材料研究了螺旋藻正常形态变异及重建的动态过程。 第一部分 文献综述 第一章螺旋藻及其形态建成的研究进展 一、概述 螺旋藻( s p i r u l i n a ) 系蓝藻门( c y a n o p h y t a ) 、颤藻目( o s c i l l a t o r i a l e s ) 、颤藻科 ( o s c i l l a t o d a c e a e ) 的一个属，是最早出现的光合生物之一，在地球上已有3 5 亿年 的生存历史1 。目前已发现这个属在世界上有钝顶螺旋藻( s p i r u l i n ap l a t e n s i s ) 、 极大螺旋藻( s p i r u l i n am a x i m a ) 、巨型螺旋藻( s p i r u l i n am a j a r ) 、盐泽螺旋藻 ( s p i r u l i n as u b s a l s a ) 和椭圆螺旋藻( s p i r u l i n aa s 咖r m i s ) 等3 8 个种，其中多数为淡 水和成水种类，仅有4 种分布于海洋中州。当前国内外研究得较深入，并已应 用于大规模生产的主要为钝顶螺旋藻和极大螺旋藻两个种7 1 。 1 9 6 5 年螺旋藻作为一种高营养天然食品在非洲的乍得湖和墨西哥的塔克斯 科科湖被再次发现，是当今螺旋藻科研和开发的开端 4 , g , 9 1 。在基本弄清自然条件 下螺旋藻的生长繁殖规律及生态特性，证明螺旋藻喜温( 3 0 3 5 c ) 和耐碱( p h 8 5 。 1 1 ) 等基础上，1 9 6 6 年法国巴斯德研究所的c z a r r o u k s 博士0 i 研究成功了螺旋 藻的培养液配方，为螺旋藻实验室研究和走向大规模工厂化养殖奠定了基础。 近3 5 年来，国内外对螺旋藻的分类【2 6 i 、形态 1 - 15 l 、生态分布【3 6 i 、生理生化特性 2 1 6 - 2 9 1 、营养价值【6 7 1 、生长条件和特性 6 , 7 , 3 0 - 3 6 l 、大规模工厂化培养技术 3 7 - 1 0 l 、开 发应用 4 1 , 4 2 1 ，以及毒理学1 2 , 6 】、药理学1 6 , 4 3 , 4 4 , 】、遗传学1 4 5 - 4 7 1 和育种学1 4 8 - 5 6 1 等进行了一 系列研究。 螺旋藻不仅富含优质高蛋i 刍( 6 0 7 0 ) ，而且富含多糖、b 一胡萝h 素和t 一亚麻酸等多种生物活性物质，对癌症、艾滋病、肝炎、糖尿病和高血脂等多 种疾病有明显的预防和辅助治疗作用，而被联合国粮农组织和世界卫生组织分 别誉为“2 1 世纪最理想的食品”和“人类2 l 世纪的最佳保健品” 6 , 7 1 。近十多年 来，国内外已形成了大规模的螺旋藻产业，螺旋藻的应用己从营养食品扩大到 医药保健品、饲料、系列化妆品、精细化工产品、环境治理和新能源开发等方 面，展示了其广阔的应用前景。螺旋藻已成为全球开发规模最大、应用领域最 广的经济微藻f 6 7 j 0 1 。 目前螺旋藻的基础研究正在向纵深发展，因为随着螺旋藻应用开发领域的 不断扩大和产业化水平的日益提高，在生产实际中遇到的问题也越来越多，这 些问题的解决追切需要基础理论的指导i t 3 , 3 9 , 4 0 。蓝藻是类具植物型放氧光合作 用的原核生物，具有类似于革兰氏阴性细菌独特的遗传结构，因而是一种研究 分子遗传学的理想材料，近年来被广泛应用于光合作用、固氮作用、叶绿体起 源、植物进化、形态建成及抗逆机理等重大生物学问题的研究h ”1 。 二、螺旋藻的形态及其建成的研究进展 螺旋藻是由许多圆柱状细胞连结而成的单列丝状微藻。生长良好时，藻丝 体( f i l a m e n t s ) 呈墨绿色。在显微镜下，藻丝体呈疏松或紧密的有规则的螺旋形 ( h e l i c i t y ) 或波浪形( u n d u l y o n ) ，两端钝圆、无分枝、无异形细胞；偶尔在成熟 的藻丝体或自然断裂的短的藻丝体中可见到褪色的特化细胞，这是其裂殖的现 象i “6 1 。 螺旋藻分布很广，大小和形态不尽相同。多数藻丝体的螺旋比较规律、均 匀，但也有中间紧凑而两端稀疏的；有些藻丝体的螺距短而紧密；有些则很松 驰，整条藻丝体不过2 4 个螺旋、甚至呈直线状。藻丝体大小也有差别，细胞 直径可从3 5 到1 11 i m ，螺旋宽度可从2 0 到1 0 0u m 不等1 6 1 。这不仅因地区不 同而有差异，有时在同一水体中的同一种螺旋藻也不尽相同。如f l o r e n c e r i c h ( 1 9 3 1 ) 在观察肯尼亚一个盐湖中的钝项螺旋藻时，可见到多种形态同时存 在。这表明螺旋藻形态具有多形性( p o l y m o r p h o l o g y ) 6 1 。 在透射电镜下，螺旋藻的胞壁可呈显出