螺旋藻和三角褐指藻的光生物学研究

摘要

人类活动导致的全球性环境变化(如阳光UV-B 辐射增加、CO2 浓度升高、海洋酸化及全球变暖等)，会影响水域初级生产者藻类的生理代谢，进而影响生态系统的各种过程及生态平衡。蓝藻，被认为是地球上最早出现的自养生物(距今大约33 至35 亿年前)，在其进化过程中经历了较强烈的太阳辐射，因此其对UVR 的伤害形成了全面和高效的抵御机制。
　　 而硅藻大约在1.5-2 亿年前的侏罗纪才形成，这时候地球已形成较厚的臭氧层，因此，硅藻可能不会花费过量的能量消耗在抵御UV 辐射方面，两种藻在耐受阳光辐射机制方面可能存在较大差异。为此，本文选择经济价值高的原核蓝藻螺旋藻和真核的水产饵料硅藻三角褐指藻为研究材料，探讨了其对阳光紫外辐射(UVR)的响应及其机制。
　　 在室外阳光辐射与水温较高(30±2°C)条件下，室内长期保种(439)与室外养殖(D-0083)的两个钝顶螺旋藻[Arthrospira (Spirulina) platensis]品系的螺旋结构，主要受高强度PAR 的影响。两个品系的形态变化模式差异较大，螺旋较紧凑(螺距小)的D-0083 变得更加紧密，而螺旋较松的439 品系螺距变大(变松散)。在太阳模拟辐射与低温(15 和22°C)条件下，UVR能够使得藻丝断裂，而在较高温度(30°C)下，UVR 对其螺旋结构影响都不大，藻丝基本无断裂。另外，UVR 对螺旋藻DNA 产生损伤，这种损伤在低温条件下较大。D-0083 品系螺旋结构的转向(重要形态特征之一)，在室外高PAR 下能从右旋变左旋，UV-A 或UV-A+B可加速螺旋转向的变化。这种螺旋转向在低光条件下可逆转。而在439 品系没有发现这种转向的变化。
　　 三角褐指藻，其生长速率受到UVR 的抑制。将室内培养的细胞转移到室外阳光辐射条件下，前2 天生长缓慢，4 天后生长速率增大并趋于稳定。藻细胞对强光和UV 的耐受能力被阳光辐射诱导。UVR 的存在能增强这种耐受能力，但对细胞紫外吸收物质含量无显著影响。将适应高光与紫外的细胞，再次转移到弱光(15％阳光辐射)下或滤除PAR(只有UVR)条件下时，细胞抵御UVR 和高PAR 的能力迅速下降。加入蛋白质抑制剂(氯霉素)显著降低了细胞耐受强光和UVR 的能力，显示了D1、D2 蛋白新合成所起的作用。在提高海水中pCO2(800 ppmv)、改变其碳酸盐系统的条件下，该藻的无机碳浓缩机制(CCM)被下调，光合作用对CO2 的亲和力下降；但其生长没有受到显著影响。在室外半连续培养条件下，CO2 加富对其生长也没有促进作用；但CO2 升高/pH 值下降降低了其碱性磷酸酶(催化有机磷利用)的活性，显示了海洋酸化在磷限制条件下的负面影响。
　　 比较原核的螺旋藻与真核三角褐指藻对UVR 的响应与适应机制，可以看出，阳光UVR均能降低其光合作用与生长，虽然两者紫外吸收物质含量均较低，但抵御UVR 的能力均较强，前者能通过改变螺旋结构，而后者通过提高修复能力，减少UVR 导致的损伤。