南極冰藻逆境適應(yīng)性機(jī)理的研究進(jìn)展

史翠娟, 闞光鋒, 繆錦來, 李光友

(1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海) 海洋學(xué)院, 山東 威海 264209; 2. 國家海洋局 海洋生物活性物質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 山東 青島 266061)

南極冰藻逆境適應(yīng)性機(jī)理的研究進(jìn)展

Progress of the adversity acclimation of Antarctic ice microalgae

史翠娟1, 闞光鋒1, 繆錦來2, 李光友2

(1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海) 海洋學(xué)院, 山東 威海 264209; 2. 國家海洋局 海洋生物活性物質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 山東 青島 266061)

1956年, Bunt等[1]在南極莫森站附近海域首先觀察到了海冰中的有色物質(zhì)——冰藻, 它主要是指生活在南極極端環(huán)境海冰中的一大類微型藻類(簡稱冰藻)。進(jìn)入 20世紀(jì) 90年代, 隨著“南極海冰區(qū)生態(tài)學(xué)研究計(jì)劃”和“南極海冰區(qū)近岸和陸架系統(tǒng)生態(tài)學(xué)研究計(jì)劃”的相繼推出, 越來越多的科學(xué)家開始對海冰內(nèi)的微藻等微生物表現(xiàn)出極大的興趣, 在冰藻的生理生化特性以及對嚴(yán)酷極地環(huán)境適應(yīng)性等方面開展了大量的研究工作[2～4]。

冰藻是南極冰層微生物生態(tài)環(huán)境中的主體, 春夏季(10月至次年1月份)達(dá)到最大生長量, 葉綠素含量每立方米能夠達(dá)到幾百甚至上千毫克[5]。同時(shí), 冰藻能夠分泌許多有機(jī)物, 殘?bào)w分解也可產(chǎn)生大量的可溶性物質(zhì)(主要是糖類)。當(dāng)海冰融化時(shí), 這些有機(jī)和無機(jī)營養(yǎng)物質(zhì)被釋放出來, 為浮游動(dòng)植物的大量繁殖提供物質(zhì)和能量基礎(chǔ)。此外, 南極冰藻已經(jīng)成為新技術(shù)研究的核心材料, 是研究宇宙中其他冰雪星球上生物體的模式生物[6,7]?？茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn), 冰藻中蛋白質(zhì)、不飽和脂肪酸等含量較高[8], 是潛在的飼料和食品添加劑來源。

在南極, 海冰形成非常迅速, 冰藻的生長經(jīng)歷了生存環(huán)境的巨大變化： 溫度、光照、碳源、鹽度等,其中還必須經(jīng)歷幾周沒有光照的異養(yǎng)生活階段。為了在南極生存, 冰藻必須有特殊的生理生化變化來適應(yīng)這些極端環(huán)境。作者主要對南極冰藻的抗凍性、抗輻射和耐鹽性進(jìn)行了綜述, 以期為南極微生物的開發(fā)利用起到拋磚引玉的作用。

1 南極冰藻對低溫環(huán)境的適應(yīng)性

南極是地球上最冷的地區(qū), 低溫是極地最基本的特征, 嚴(yán)寒的氣候在南極已存在至少 1 400萬年,海冰的溫度從-50℃到-2℃, 在南大洋南部, 水溫常年在 0℃以下[5], 低溫適應(yīng)性是南極冰藻最基本的特征。

Raymond等[9,10]研究發(fā)現(xiàn), 南極的藍(lán)藻突變體、綠藻、硅藻和苔蘚等浮游生物體常常產(chǎn)生許多胞外分泌物(如黏液、冰活性物質(zhì)等), 將冰核阻隔在藻體之外。其中冰活性物質(zhì)(Ice-active substances, IASs)是一種重要的胞外分泌糖蛋白, 附著在增大的冰的表面, 蝕刻冰晶或使冰晶變形, 調(diào)整生長冰晶的形狀[11]。同時(shí), 冰藻能夠分泌大量無機(jī)鈣離子、糖類和多羥基類等物質(zhì), 大大降低了冰藻細(xì)胞及周圍溶液的冰點(diǎn), 既避免了胞內(nèi)結(jié)冰對細(xì)胞器的直接傷害,同時(shí)減少了有毒物質(zhì)的積累對細(xì)胞的間接傷害[5,12]。Clarke等[13]對 3種雪藻的超微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究, 發(fā)現(xiàn)它們的質(zhì)膜有許多內(nèi)陷, 可以增加細(xì)胞膜的彈性,能夠抵抗－20 ℃溫度的反復(fù)凍溶。冰藻細(xì)胞中內(nèi)含物質(zhì)及細(xì)胞質(zhì)膜彈性的增加使細(xì)胞器受冰晶體損害的幾率大大減小, 維持正常的葉綠體光合和線粒體供能作用。

不飽和脂肪酸在冰藻的低溫適應(yīng)性中起重要作用。冰藻細(xì)胞質(zhì)中含有常溫藻不含有的二十二碳六烯酸, 這種脂肪酸主要存在于冷水域的無脊椎動(dòng)物中, 其抗凍機(jī)制還不清楚。另一方面, 冰藻細(xì)胞膜中的不飽和脂肪酸含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常溫藻, 同時(shí)脂肪酸鏈的縮短、支鏈的增加和環(huán)狀脂肪酸的減少, 都能夠在低溫下維持正常的膜流動(dòng)性[14], 使膜蛋白的運(yùn)輸、磷酸化以及光吸收等功能正常發(fā)揮。

科學(xué)家們在研究中[15,16]發(fā)現(xiàn), 在海冰微生物中存在 β-牛乳糖蛋白質(zhì)酶類、磷酸酶、淀粉酶和核酮糖-1,5-二磷酸羧化加氧酶等許多適冷或耐鹽的蛋白質(zhì)酶類, 能夠保持冰藻細(xì)胞內(nèi)的代謝速率, 維持冰藻的正常代謝。

2 南極冰藻對高輻射環(huán)境的適應(yīng)性

近年來, 由于大量大氣污染物(氯氟烴化物、一氧化氮、溴甲烷等)的釋放, 平流層臭氧空前降低, 南極春季臭氧層厚度僅為平時(shí)的 50%, 紫外輻射波長也從299 nm擴(kuò)展到294 nm[17], 特別是UV-B(280～320 nm)對生物體的生存環(huán)境影響很大。臭氧空洞使到達(dá)海冰的UV-B大量增加, 可以達(dá)到水下60 m, 其中0～30 m 處的UV-B有一定的生物學(xué)效應(yīng)[18]。

UV-B對藻細(xì)胞中分子的傷害目標(biāo)主要是蛋白質(zhì)、色素和DNA等[19]。UV-B能夠通過減小冰藻光合作用速率, 改變藻類色素的組成, 影響冰藻 RNA的轉(zhuǎn)錄和DNA的復(fù)制[20,21], 從而降低藻類的生長速率。但一些試驗(yàn)結(jié)果表明, UV-B對冰藻的影響不像人們預(yù)測的那樣顯著[22]。

其實(shí), 對UV-B輻射最好的屏蔽物質(zhì)就是南極的雪和冰層, 能夠屏蔽絕大多數(shù)的UV輻射。研究表明[19],經(jīng)常生活在陰涼處或深水區(qū)的藻類對 UV-B很敏感,細(xì)胞中含有UV-B受體蛋白, 這是一類光敏色素, 能感受UV-B強(qiáng)度。當(dāng)環(huán)境中的UV-B強(qiáng)度超過一定限度時(shí), 它能傳遞信號(hào)使藻向下或向陰涼處遷移, 以避開UV-B輻射。

大量研究表明, 絕大多數(shù)藻類含有或經(jīng)誘導(dǎo)能合成 UV-B屏蔽色素, 各種色素吸收不同波長的UV-B, 使 UV-B在進(jìn)入細(xì)胞之前就被減弱或過濾,這些 UV-B吸收物質(zhì)常常分布在細(xì)胞壁中或分泌到周圍的環(huán)境中。這些屏蔽物質(zhì), 有些是細(xì)胞固有的,有些是 UV-B誘導(dǎo)后形成的, 也有些本是細(xì)胞固有,但UV-B誘導(dǎo)后含量增加的[19]。藻類的UV-B屏障色素主要有 Sporopollenin、Mycosporine、類菌孢素氨基酸(MAAs)等[23,24]。MAAs是藻類普遍存在的UV-B屏障色素, 已經(jīng)在南極浮游生物體中發(fā)現(xiàn)了 8種MAAs[25]。但不同的種類之間及同種藻在不同強(qiáng)度的UV-B下含量差別很大。MAAs復(fù)合物是在強(qiáng)光條件下合成的, 能夠降低UV輻射對藻體的光抑制[26]; 同時(shí), MAAs還能保護(hù) DNA免受 UV損傷[27]; Garcia-Pichel等[28]研究了藍(lán)細(xì)菌Cyanobacteria的20個(gè)株系, 證明了MAAs在320 nm能吸收10%～26%的光輻射, 這大大減少了 UV對生物體結(jié)構(gòu)或生理方面的損害?？茖W(xué)家們對南極冰藻席藻 Phormidium sp.、Leptolyngbya sp.和棕囊藻 Phaeocystis pouchetii的研究[29]發(fā)現(xiàn)： 這些藻中含有較多的黏葉黃質(zhì)、玉米黃質(zhì)、巖藻黃質(zhì)、硅甲藻黃素、硅藻黃質(zhì)、β-胡蘿卜素、海膽酮、19'-butanoyloxyfucoxanthin和19'-hexanoyloxyfucoxanthin等類胡蘿卜素, 可以有效地減少UV-B造成的傷害。正是由于這些屏障色素的存在, 才使一定強(qiáng)度的UV-B不會(huì)對細(xì)胞造成傷害。有相當(dāng)多的藻在剛遇到UV-B增強(qiáng)時(shí), 會(huì)顯出受傷害現(xiàn)象, 但一定時(shí)間后, 即使仍在同樣強(qiáng)度的UV-B下,也不會(huì)表現(xiàn)出傷害跡象, 原因之一就是在UV-B的誘導(dǎo)下, 大量合成了吸收UV-B的物質(zhì), 而使UV-B在進(jìn)入細(xì)胞之前已被減弱或?yàn)V除。Newman等[30]用Phaeocystis antarctica飼喂南極磷蝦(Euphausia superba), 發(fā)現(xiàn)磷蝦中MAAs含量大量升高, 抗輻射能力也相應(yīng)提高, 這對人類抗輻射物質(zhì)的開發(fā)是有益的啟示。

研究表明, 有些藻類在 UV-B環(huán)境中, 合成抗UV-B的同功物質(zhì), 以適應(yīng)這種環(huán)境。比較典型的例子是聚球藻Synechococcus sp. PCC7492[31,32]。當(dāng)藻體受到UV-B輻射后, 編碼PSⅡD1蛋白的基因簇psbA的表達(dá)迅速發(fā)生改變。原來編碼PSⅡD1∶1的psAI表達(dá)減弱, 而編碼 PSⅡD1∶2的基因 psAⅡ的表達(dá)明顯增強(qiáng)。經(jīng)過一段時(shí)間后, PSⅡD1∶1被PSⅡD1∶2所取代。實(shí)驗(yàn)證明, 缺psAⅡ和psAⅢ的突變品系對UV-B很敏感, 而表達(dá)psAⅡ和psAⅢ的突變品系幾乎完全不受UV-B的影響。這也是有些藻只在短時(shí)間內(nèi)受UV-B影響的原因之一。

一般情況下, 藻生活的環(huán)境中氧含量很高, 高UV-B環(huán)境中可以產(chǎn)生大量的活性氧、自由基和有毒化學(xué)物質(zhì)[33], 對藻細(xì)胞的成分和結(jié)構(gòu)都會(huì)產(chǎn)生破壞作用。2000年11月15到12月30日間, 科學(xué)家們測定南極冰藻生活的鹽囊和鹽通道中自由基的含量為2.5×106mol/mL, 遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人們預(yù)先的估計(jì)值[34]?？茖W(xué)家們的研究發(fā)現(xiàn), 在藻細(xì)胞中存在大量能消除自由基的物質(zhì), 如谷胱甘肽氧化還原系統(tǒng)(GSH/GSSG)、維生素 C、過氧化物酶(POD)、超氧化物歧化酶(SOD)、類胡蘿卜素(特別是γ-carotene)和酚類等, 它們在低溫下仍保持高的活性。通過氧化還原反應(yīng)消除藻體細(xì)胞中的自由基。Pratt等[35]認(rèn)為,藻類是天然抗氧化劑的潛在來源, 而冰藻生活的特殊極端環(huán)境應(yīng)該比常溫藻具有更多更高的抗氧化劑。

太陽光中的 UV-A和藍(lán)光能激活光復(fù)活酶, 冰藻細(xì)胞中光復(fù)活酶活性較強(qiáng), 能夠及時(shí)修復(fù)被UV-B損傷了的DNA, 避免了DNA傷害的積累效應(yīng)。只有單位時(shí)間內(nèi) UV-B造成的損傷超出了其修復(fù)極限時(shí),才會(huì)導(dǎo)致冰藻的傷害, 甚至死亡。

3 南極冰藻對高鹽環(huán)境的適應(yīng)性

與淡水冰不同, 海冰為半固體狀態(tài), 中間存在大量網(wǎng)狀的通道和鹽囊, 大小從幾個(gè)毫米到幾千米不等, 冰晶形成時(shí)排出的鹽分都釋放到這些孔洞之間。隨溫度的降低, 孔洞變小, 鹽度可達(dá)到普通海水的 3～5倍[36,37]。Stevens[36]清楚地看到了這些通道,像一個(gè)完整的鳥巢, 每立方米有50～200個(gè)。冰藻就生活在這些高鹽濃度的孔洞中, 融化時(shí)冰藻周圍生活環(huán)境的鹽度則接近淡水值, 在日積月累的海冰凍溶變化中, 冰藻逐漸形成了適應(yīng)這種變化的生理生化機(jī)制。

高鹽度對冰藻的傷害主要是高滲透壓形成的脫水來脅迫細(xì)胞[38]。滲透壓的調(diào)節(jié), 需要胞內(nèi)和胞外滲透調(diào)節(jié)劑的調(diào)整, 包括無機(jī)離子和一些有機(jī)物質(zhì)(如,脯氨酸、甘露醇和甜菜堿)。高鹽度下, 這些物質(zhì)積累或者合成; 低鹽度下分解或釋放。目前, 在冰藻中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一種重要的滲透調(diào)節(jié)劑——dimethylsulfonioproprionate(DMSP)。同時(shí)科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)冰藻細(xì)胞中不飽和脂肪酸比例的增加與冰藻的耐鹽性呈正比例關(guān)系[39]。

在耐鹽的生物體中, 找到了一些在寬鹽度范圍內(nèi)起作用的耐鹽酶類[16,39], 其在高鹽環(huán)境下保持生物體的正常新陳代謝。

4 總結(jié)與展望

除了冰藻生活的低溫、強(qiáng)輻射和高鹽的極端環(huán)境之外, 冰藻生存在封閉或者是半封閉的鹽囊中,缺乏氣體的傳播和無機(jī)營養(yǎng)的交換, CO2含量較低,不溶性有機(jī)物高, 營養(yǎng)物質(zhì)低, 氨的含量高, pH偏高等條件, 在長期的生存過程中, 南極冰藻形成了一系列的生理生化機(jī)制來適應(yīng)南極海冰中這些極端條件。

正是由于冰藻這種特殊的生理特征, 必然使其成為研究低溫生物學(xué)的良好試驗(yàn)材料和新型活性物質(zhì)的潛在來源。本文為更加合理地開發(fā)南極的低溫藻類資源, 從應(yīng)用上豐富我國現(xiàn)有的微生物資源,從中開發(fā)出有價(jià)值的生理活性物質(zhì)和產(chǎn)品提供有益啟示。

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Q178

A

1000-3096(2010)04-0100-04

2008-04-20;

2008-10-31

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(40506005)

史翠娟(1977-), 女, 山東招遠(yuǎn)人, 碩士, 工程師, 研究方向?yàn)闃O端海洋生物與分子遺傳發(fā)育, E-mall： shicjwh@126.com

(本文編輯： 張培新)