杜氏盐藻(Dunaliella salina)对UV-B辐射增强的响应及基于活性氧和钙离子信号通路变化的作用机制探讨

摘要

臭氧层变薄导致更多的UV-B辐射到达地面,从而给海洋生态系统带来显著的生态学和生物学效应。微藻是较为古老的物种,在整个进化过程中,其周围环境中的UV-B辐射不断增强;作为初级生产者和食物链的基础,海洋微藻是海洋生态系统的重要组成部分,逐渐增强的UV-B辐射对其的影响将通过食物链传递到其他营养级,并对整个海洋生态系统造成显著影响;此外海洋微藻在调节全球气候变化中也发挥着重要的作用。研究海洋微藻对UV-B辐射增强的响应变化对揭示海洋微藻进化的本质、规律及其适应机制具有重要的理论意义。
　　本研究以海洋模式微藻—杜氏盐藻(Dunaliella salina)为实验对象,以UV-B辐射增强为胁迫因子,从最基础的生长、细胞结构、生理、生化等层面阐明杜氏盐藻对短期UV-B辐射增强的响应特征,并基于活性氧信号通路和钙离子信号通路探讨响应机制和机理;同时基于Fluctuation analysis进化模型,从进化和遗传角度探讨微藻对长期UV-B辐射增强的适应性。研究结果将进一步完善UV-B辐射对水生浮游微藻的影响及机理研究,为评估生物在UV-B辐射不断增强环境中的生存提供有关适应机制和保护进化的理论依据。结果如下:
　　1.杜氏盐藻对短期、适量的UV-B辐射增强的响应
　　(1)UV-B辐射增强能够抑制杜氏盐藻微藻种群密度的增加,UV-B辐射剂量组的日生长速率(DGRs)均极显著低于对照组,停止生长的时间提前;但UV-B辐射能够诱导细胞干重和细胞内可溶性蛋白含量的上升,并具有显著的剂量-效应关系;
　　(2)利用倒置显微镜和透射电子显微镜技术发现,在 UV-B辐射增强条件下,杜氏盐藻细胞体积增大,细胞形状由椭圆形变为圆形;细胞核周围的空泡逐渐增多,原生质膜发生裂解,细胞核结构遭到破坏,淀粉鞘松散,叶绿体片层结构发生断裂或缺失,越来越多的油脂小球出现,其中叶绿体和细胞核等结构是主要的靶位点;
　　(3)通过光合色素测定、叶绿素荧光技术以及1,5-二磷酸核酮糖羧化酶活性变化发现杜氏盐藻的光合生理受到UV-B辐射增强的影响:UV-B辐射增强影响光合色素含量和光合色素之间的比值,降低杜氏盐藻的光合效率及强光下的光能利用效率,改变微藻对过量光能的分配特征,但增强其在强光下的耐受能力和固碳能力。UV-B辐射降低杜氏盐藻对硝酸盐的吸收速率、提高其对磷酸盐的吸收速率,改变与营养盐代谢相关的酶活,诱导细胞内甘油含量的升高,从而干扰渗透压平衡。研究结果表明,UV-B辐射影响了杜氏盐藻的生长、细胞结构、光合生理、营养盐吸收与代谢以及渗透压平衡,但杜氏盐藻对UV-B辐射增强是一个损伤与防御之间的动态过程。
　　2.基于信号氧和钙离子信号通路探讨UV-B辐射对短期的、适量的UV-B辐射的响应机制
　　(1)UV-B辐射可以诱导杜氏盐藻发生膜脂过氧化反应,造成氧化损伤;SOD、GPx、GR、GST和CAT等抗氧化酶活性以及GSH/GSSG、AsA/DHA等抗氧化剂含量均发生了变化;可以推断活性氧信号通路系统在杜氏盐藻对短期的、适量的UV-B辐射响应过程中发挥了一定的作用。
　　(2)UV-B辐射可以诱导杜氏盐藻质膜上的钙泵活性发生变化,因此可以推断:钙离子信号通路系统参与了UV-B辐射对杜氏盐藻的影响过程;
　　(3)在杜氏盐藻对UV-B辐射响应过程中,外加钙离子效应剂CaCl2和LaCl3对抗氧化酶活性无影响;加入胞内钙离子抑制剂 BAPTA显著抑制了酶的活性(P<0.05);加入活性氧抑制剂NAC后,钙泵活性显著降低(P<0.05),可以推测在UV-B辐射条件下,钙离子参与了杜氏盐藻的氧化应激反应,且游离钙离子并非通过质膜钙离子通道进入细胞,而是来源于胞内钙库;活性氧参与钙离子信号通路的作用过程。因此活性氧和钙离子信号通路之间具有交联关系,并且可能通过谷胱甘肽的循环和代谢偶联在一起。
　　3.杜氏盐藻对长期的、致死剂量的UV-B辐射的响应
　　(1)基于进化模型(Fluctuation analysis)研究杜氏盐藻对长期的、致死剂量的UV-B辐射的响应发现,微藻种群内由于敏感细胞的存在而发生大规模细胞死亡的现象,后因抗UV-B辐射细胞的出现促使种群重新生长和繁殖;
　　(2)分析不同处理组之间的发现,抗性细胞来源于自然种群在进化过程中偶然地、随机地产生的突变,因此可以推断在进化过程,因偶然的、随机的突变产生的抗UV-B辐射细胞的存在保证了杜氏盐藻这一物种在UV-B辐射增强环境中的生存和繁殖。

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目录

1 文献综述

1.1 臭氧层破坏与UV-B辐射现状

1.2 UV-B辐射对海洋微藻的影响

1.3 海洋微藻对UV-B辐射增强的响应

1.4 UV-B辐射的影响作用机制及机理研究

1.5 研究目的、内容与意义

2 杜氏盐藻对短期、适量的UV-B辐射增强的响应：基于生长、细胞结构及关键生理生化过程等多个组织层次的研究

2.1 材料与方法

2.2 结果与分析

2.3 讨论

2.4 本章小结

3 基于活性氧及钙离子信号通路，探讨杜氏盐藻对UV-B辐射的响应机制

3.1 材料与方法

3.2 结果与分析

3.3 讨论

3.4 本章小结

4 杜氏盐藻对长期、致死剂量的UV-B辐射的响应：基于波动分析（Fluctuation analysis）探讨杜氏盐藻对UV-B辐射的适应机制

4.1 材料与方法

4.2 结果与分析

4.3 讨论

4.4 本章小结

5 结论和创新点

5.1 结论和展望

5.2 创新点

参考文献

个人简历和学术论文发表情况

致谢