光质对坛紫菜生长和生理学特性的影响及坛紫菜丝状体蓝光效应的转录组分析

摘要

坛紫菜（Pyropia haitanensis）隶属属红藻门（Rhodophyta），是我国特有的暖温带紫菜栽培品种，主要养殖在浙江、福建和广东等沿海地区。坛紫菜具有丰富的营养价值备受国人喜爱，其年产量占全国紫菜产量的75％以上。坛紫菜的生活史由宏观的叶状体世代和微观的丝状体世代构成，其中我们食用的部分是坛紫菜的叶状体。叶状体是由丝状体附壳后生长发育形成，丝状体可以“农业种子”的形式在实验室长期保存。光是光合作用进行的原动力，光质是光的重要属性，海洋水体水深和透明度的变化会使光质发生变化，光质对藻类的生长发育、形态和光合作用等具有调控作用。本实验以坛紫菜丝状体和叶状体作为实验材料，研究光质对坛紫菜丝状体和叶状体生长和生理的影响，并从分子水平探究光质对坛紫菜转录组的影响。主要结果如下：
　　1.不同光质LED光源对坛紫菜自由丝状体生长和生理学特性的影响
　　比较研究了不同光质（绿光510~550nm、蓝光455~475nm、红光580~630nm、白光400~760nm）的发光二极管（LED）对无性增殖过程中自由丝状体生长及生理特性的影响。研究表明，蓝光能提高自由丝状体的生长速率，蓝光下藻体增重分别是白光、绿光、红光下藻体增重的1.10倍、1.82倍和2.17倍（P＜0.05）。蓝光处理有助于叶绿素a和类胡萝卜素的积累，两者含量分别较白光、绿光和红光处理提高13.77%、47.69％、63.42%和8.87%、87.07％、97.73%（P＜0.05）。蓝光和白光均有利于藻红蛋白合成，绿光和红光降低藻红蛋白合成，但四种光质的LED光源对藻蓝蛋白合成无显著性差异（P＞0.05）。蓝光能显著提高碳酸酐酶（CA）活性，较白光下CA活性增加11.36%（P＜0.05）。蓝光和绿光显著提高1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶（RubisCO）活性，分别较白光下RubisCO活性增加28.17％和61.21%（P＜0.05）。红光和绿光下藻体在培养后期的色泽暗淡，星状色素体少，部分藻体细胞内容物溢出，呈中空状态；而蓝光和白光下藻体健康正常，色泽鲜红。因此，在今后的坛紫菜自由丝状体无性扩繁过程中可以适当增加LED光源的蓝光组分，减少红光和绿光组分。
　　2.蓝光和黑暗条件下坛紫菜自由丝状体的转录组基因差异表达分析
　　采用高通量转录组测序技术，建立坛紫菜丝状体转录组文库，分析蓝光下坛紫菜丝状体转录谱基因表达变化。本次测序共获得unigenes124527条，平均长度585bp，GC含量为59.96%。所有GO注释中生物学过程中的注释unigenes数量最多，共24535条，单个条目中催化作用具有的unigenes最多，达8497条。eggNOG功能分析中一般功能基因占总unigenes比例为4.09%，翻译后的修饰、蛋白质折叠和分子伴侣（3.42%）和信号传导机制（2.90%）次之，包含unigenes数目最少的三个功能单元为核酸结构（0.11%）、细胞外结构(0.05%)和细胞运动(0.02%)。KEGG分析中注释unigenes最多的是代谢程序和遗传信息程序。本文通过比对分析筛选出5936条差异unigenes，其中1457条上调基因和4479条下调基因。差异表达的unigenes在代谢、氨基酸合成、乙醛酸和二羧酸循环等通路显著富集，表明这些 unigenes主要参与了坛紫菜丝状体的基础代谢、蛋白质合成、呼吸作用和酶活性条件等。
　　3.不同光质LED光源对坛紫菜叶状生长发育的影响
　　比较研究了不同光质（绿光510~550nm、蓝光455~475nm、红光580~630n m、白光400~760nm）的发光二极管（LED）对坛紫菜叶状体生长及生理特性的影响。结果表明：四种光质培养下白光生长最好，与其它实验组间差异显著，白光下最高特定生长率超出蓝光84.54%，绿光90.28%（P＜0.05）。培养25d后白光下叶状体长度最高可达51.55cm，平均长度是蓝光、绿光红光增长长度的2.66、3.86和2.42倍（P＜0.05），三种单一光色中红光生长最快，绿光最慢。叶状体形态观察和显微观察发现不同光质下坛紫菜叶状体的色泽和细胞发生变化，蓝光下藻体深红，细胞排列紧密，红光和绿光下藻体色泽减淡。在对叶状体进行色素蛋白检测发现不同光质下色素蛋白含量有明显差异，其中蓝光下叶绿素a和类胡萝素含量最高，红光下最低（P＜0.05），绿光下藻体叶绿素含量与对照组无明显差异（P＞0.05）。蓝光下藻体藻胆蛋白含量显著高于其他实验组（P＜0.05），其中蓝光下藻红蛋白的含量已经达到对照组白光下1.94倍，绿光和红光下藻红蛋白含量显著低于白光。藻蓝蛋白含量蓝光下较白光增加19%，绿光和红光下较对照组减少19.34%和11.57%。蓝光和绿光下坛紫菜叶状体在培养15d后有单性生殖现象发生，蓝光下发生单性生殖的细胞可完全转变为丝状体且色泽正常，绿光下丝状体会发育停滞并出现细胞死亡现象。

目录

声明

引言

第一章 光因子对海洋藻类生长发育的研究进展

1 光质对藻类生长和生理学研究进展

2 光强对藻类生长和生理学研究进展

3 光周期对藻类生长和生理学研究进展

4 光受体研究进展

5 前景展望

第二章 不同光质LED光源对坛紫菜自由丝状体生长和生理特性的影响

1 材料与方法

2 结果与分析

3 讨论

第三章 蓝光和黑暗条件下坛紫菜丝状体转录组基因差异表达分析

1 材料和方法

2 结果

3 讨论

4 结论

第四章 不同光质LED光源对坛紫菜叶状体生长发育的影响

1 材料和方法

2 结果与分析

3 总结和讨论

第五章 结 语

1 主要研究结果

2 主要创新点

3 研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间科研工作情况

致谢