條斑紫菜葉狀體不同區(qū)域光合活性的研究

楊睿靈, 喬洪金, 周 偉,3, 王廣策, 潘光華

(1. 天津科技大學 海洋科學與工程學院, 天津 300457; 2. 中國科學院海洋研究所 海洋生物學重點開放實驗室, 山東 青島 266071; 3. 江蘇省海洋水產(chǎn)研究所, 江蘇 南通226007)

條斑紫菜葉狀體不同區(qū)域光合活性的研究

楊睿靈1, 喬洪金2, 周 偉2,3, 王廣策2, 潘光華1

(1. 天津科技大學 海洋科學與工程學院, 天津 300457; 2. 中國科學院海洋研究所 海洋生物學重點開放實驗室, 山東 青島 266071; 3. 江蘇省海洋水產(chǎn)研究所, 江蘇 南通226007)

以幼嫩條斑紫菜(Porphyra yezoensisUeda)為材料, 研究了葉狀體基部到梢部組織的固碳率和光合活性的變化。結(jié)果表明： (1)基部到梢部不同區(qū)域組織的固碳率不同, 基部區(qū)域組織固碳率明顯低于其他區(qū)域, 靠近梢部區(qū)域的固碳率最高; (2)基部到梢部不同區(qū)域的光合活性和葉綠素水平也不一樣, 基部和梢部組織的光合活性偏低, 藻體中間部位組織的光合活性偏高, 葉綠素水平則表現(xiàn)出從基部到梢部逐漸減少的趨勢。研究表明, 條斑紫菜基部梢部除外的中間區(qū)域離體組織成苗率較高。因此, 在進行條斑紫菜體細胞育苗時, 選擇具有較高光合作用活性梢部以下到中部的組織細胞比較合適。

條斑紫菜(Porphyra yezoensisUeda); 葉狀體; 固碳率; 光合活性

紫菜隸屬于紅藻門(Rhodophyta)紅藻綱(Rhodophyceae)紅毛菜亞綱(Bangiophycidae)紅毛菜目(Bangiales)紅毛菜科(Bangiaceae)紫菜屬(Porphyra)。目前, 世界上約有 140種紫菜, 中國約有22種, 條斑紫菜(Porphyra yezoensisUeda)是常見的經(jīng)濟品種之一[1-4], 多生長在潮間帶附近的巖礁上,主要分布在中國浙江舟山群島以北的東海北部和黃、渤海沿岸、包括日本列島和朝鮮半島沿岸等, 是日本、韓國和中國長江以北紫菜人工栽培的主要種類。條斑紫菜蛋白質(zhì)含量高(高達 36.31%), 脂肪含量低, 是一種質(zhì)優(yōu)價廉、營養(yǎng)豐富、味道鮮美的海洋綠色食品[5-6]。中國是紫菜的主要生產(chǎn)國之一, 年產(chǎn)量超過130 000 t(干質(zhì)量), 年產(chǎn)值超過20億美元[7];日本每年大約生產(chǎn)60 000 t紫菜(干質(zhì)量)[8]。

在紫菜的養(yǎng)殖技術(shù)中, 后續(xù)興起的體細胞育苗法指葉狀體營養(yǎng)細胞(組織切塊)在一定培養(yǎng)條件下,經(jīng)過一系列的變化可直接產(chǎn)生出幼苗的方法, 有著育苗時間短、投資少、效益大的特點[9]。因此, 條斑紫菜體細胞育苗法有著潛在的廣闊應(yīng)用前景[10]。在紫菜體細胞育苗技術(shù)研究中, 劉忠松[11]認為應(yīng)選擇較小藻體作為苗種來源。因此, 深入研究幼嫩紫菜對紫菜養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展有著重要的作用。

高等被子植物不同的組織、器官甚至細胞中存在著極性, 使得細胞物質(zhì)發(fā)生不均等分裂, 表現(xiàn)在不同軸向上的形態(tài)結(jié)構(gòu)和生理生態(tài)的形態(tài)差異[12]。王秀玲等[13]的研究表明, 西瓜胚的合子第一次分裂是不均等分, 形成基細胞和頂細胞。在低等藻類植物中, 雖然由于藻類一般結(jié)構(gòu)簡單, 沒有明顯的組織分化[14], 但是有報道指出藻類組織細胞中存在著極性。Kropf[15]研究了墨角藻受精卵的極性問題, 他把墨角藻受精卵極性的誘導分為兩個階段, 軸向的選擇和延伸。早在 1966年, 周百成等[16]發(fā)現(xiàn), 條斑紫菜同一藻體不同部位間色素含量和光合作用存在差異性。楊曉玲等[17-18]報道了條斑紫菜葉狀體基部到梢部在形態(tài)和顏色上都存在差異, 不同部位外植體的成活率、生長量、分化率均不同。由此可見, 條斑紫菜葉狀體不同區(qū)域組織的細胞極性是普遍存在的。已有報道指出, 條斑紫菜葉狀體不同區(qū)域的離體組織成苗率不同[19], 然而目前為止, 還沒有相關(guān)報道指出造成藻體不同區(qū)域離體組織成苗率不同的原因。因此, 作者以幼嫩條斑紫菜為材料, 研究了葉狀體基部到梢部 5個不同區(qū)域組織的固碳率和光合活性的變化, 研究其不同區(qū)域的光和作用能力特點,從而為深入研究條斑紫菜體細胞育苗技術(shù)提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 條斑紫菜的采集和培養(yǎng)

條斑紫菜葉狀體采自山東青島第二海水浴場的礁石上, 長度2～5 cm, 沒有性細胞的分化。藻體采回后, 用過濾的海水洗凈, 在陰涼通風處干燥至相對含水量為 20%左右[20], -20℃保存。實驗前, 在過濾的海水中復蘇培養(yǎng)保存的條斑紫菜。培養(yǎng)條件為： 溫度 10℃; 光照強度 40 μmol/(m2·s); 光周期 12L：12D。2d換1次海水。

1.2 不同葉狀體部位的固碳率的測定

挑選顏色大小一致的條斑紫菜葉狀體, 用打孔器將葉狀體不同區(qū)域組織(從根部至梢部分別為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ區(qū), 如圖1所示)分別打出0.7 cm直徑的圓片, 放入培養(yǎng)皿中, 然后加10 mL海水, 并迅速向其中添加 50 μL NaHCO3溶液(2.5 uCi), 并于700 lx光照下15℃保溫30 min, 取出葉片放入5 mL管中, 酸化過夜后, 于40℃烘干, 加入3 mL液閃液計數(shù), 測定葉狀體不同區(qū)域位置的固碳率。

圖1 條斑紫菜葉狀體簡圖Fig. 1 Diagram of Porphyra yezoensis thalli

1.3 不同部位光合活性的測定

利用調(diào)制葉綠素熒光成像系統(tǒng)(IMAGING-PAM,Walz, Effeltrich, Germany)對條斑紫菜葉狀體不同部位的光合活性進行測量。具體操作是： 將條斑紫菜葉狀體暗適應(yīng)15 min后, 置于Imaging-PAM的大探頭配置的盒子里, 打開測量光(ML)測定本底熒光(F0); 打開光化光(AL)測定葉綠素熒光的光系統(tǒng)II的實際量子產(chǎn)量(Y(II))、相對電子傳遞速率(ETR)等其他參數(shù)。

1.4 統(tǒng)計分析

在Microsoft Office Excel 2003中進行數(shù)據(jù)處理,進行均值、方差(STDEV)及差異性(TTEST)統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果

2.1 葉狀體不同部位固碳率分析

14C同位素跟蹤觀測條斑紫菜固碳率的結(jié)果顯示(圖 2)： 不同區(qū)域的組織細胞固碳率不同。Ⅰ區(qū)細胞固碳率最低, 約為 6 μg/L, 與其他區(qū)域固碳率有顯著差異(P＜0.05)。Ⅳ區(qū)組織細胞固碳率最高, 超過了20 μg/L,極其顯著地高于其他四個區(qū)域的固碳率(P＜0.01)。Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)和Ⅴ區(qū)的細胞固碳率沒有顯著性差異(P＞0.1),固碳量約12 μg/L, 處于Ⅰ區(qū)和Ⅳ區(qū)中間。

圖2 條斑紫菜葉狀體不同區(qū)域固碳率的變化Fig. 2 Variations of carbon fixation in different tissue areas in P. yezoensis

2.2 葉狀體不同部位的光合活性變化

葉狀體基部到梢部的F0值是逐漸減低的(圖3)。Ⅰ區(qū)的F0顯著高于其他任意一個區(qū)(P＜0.01)。Ⅱ區(qū)的F0顯著高于Ⅳ區(qū)和Ⅴ區(qū)(P＜0.05); Ⅲ區(qū)的F0顯著高于Ⅴ區(qū)(P＜0.05)。Ⅱ-Ⅴ區(qū)之間相鄰兩個區(qū)域之間的F0則無顯著性差異(P＞0.05)。

光合活性的幾種參數(shù)結(jié)果如圖 3所示。從圖 3可以看出, 條斑紫菜葉狀體Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ區(qū)實際量子產(chǎn)量Y(II)偏高于Ⅰ區(qū)和Ⅴ區(qū)。但是只有Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)的Y(II)與Ⅰ區(qū)有著顯著性差異(P＜0.05), 其余幾個區(qū)域間則沒有顯著性差異(P＞0.05)。條斑紫菜葉狀體基部到梢部5個區(qū)域的潛在量子產(chǎn)量Fv/Fm都比Y(II)高。Fv/Fm在這幾個區(qū)域間的差異性與Y(II)類似, 也是Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)和Ⅳ區(qū)偏高于Ⅰ區(qū)和Ⅴ區(qū), 但差異性不大。

條斑紫菜葉狀體光合活性參數(shù)F0、Y(II)和Fv/Fm的熒光變化如圖 4所示, 從紅色到紫色的顏色變化表示各個參數(shù)值從0到1的變化。葉狀體的F0熒光值偏低(0.10左右), 顏色偏向紅色。Y(II)的熒光為黃綠色, 熒光值約為0.35。Fv/Fm較Y(II) 的熒光強, 顏色為藍綠色, 熒光值(0.40)也比Y(II)的高。從基部到梢部的變化來看, 這 3種參數(shù)的熒光顏色變化也不一樣：F0從黃色逐漸變成紅色;Y(II)從黃綠色逐漸變成橙色;Fv/Fm從亮綠色逐漸變成了黃綠色。

圖3 條斑紫菜葉狀體不同區(qū)域本底熒光F0、實際量子產(chǎn)量Y(II)和潛在量子產(chǎn)量Fv/Fm的變化Fig. 3 Variations of intrinsic fluorescence F0, the effective quantum yields of PSII, and the maximum quantum yields of PSII in different tissue areas in P. yezoensis

圖4 條斑紫菜葉狀體不同區(qū)域光合活性參數(shù)F0、Y(II)和Fv/Fm的熒光變化Fig. 4 Variations of fluorescence of F0, Y(II), and Fv/Fm in different tissue areas in P. yezoensis

3 討論

在植物界中, 普遍存在著極性的實例, 如植物的幼苗和根的垂直分布的不同, 又如細胞、組織或器官的不同生理和生化特點[21]。關(guān)于藻類, 也有學者報道了藻體的極性問題[15,19]。

本實驗固碳率的結(jié)果表明, 同一條斑紫菜葉狀體不同區(qū)域具有不同的固碳能力(圖 2)： 基部(Ⅰ區(qū))區(qū)域的固碳能力顯著(P＜0.05)低于其他4個區(qū)域; 靠近梢部的Ⅳ區(qū)與其他區(qū)域相比, 有著顯著高的固碳能力(P＜0.01); 處于中間區(qū)域的Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)和Ⅴ區(qū)的固碳能力在5個區(qū)域中也處于中間水平。梅俊學等[19]研究認為, 不同區(qū)域的離體組織成苗情況不一樣; 除了基部外, 其他4個區(qū)域的組織塊均能產(chǎn)生健康苗, 但是梢部的成苗率較低; 基部與梢部中間的 3個區(qū)域組織塊成苗率也不一樣, 距離基部越遠的區(qū)域成苗率越高。因此, 我們推測, 細胞固碳能力的高低可能和成苗率的高低存在一定的關(guān)系, 組織細胞高的固碳能力可能是可能是其離體組織高成苗率的一個原因。

近幾年來, 調(diào)制葉綠素熒光儀(PAM)以快速、便捷和對研究材料無損傷等特點, 受到越來越多學者的青睞[22-25]。Imaging-PAM 是一種新型的調(diào)制葉綠素熒光儀, 它可以檢測得出各種參數(shù)的熒光成像。利用Imaging-PAM測定條斑紫菜葉狀體不同區(qū)域的光合活性顯示(圖3),Y(II)和Fv/Fm代表PSII的實際和最大量子產(chǎn)量, 表示其光和作用活性, 從圖3看出, 基部和梢部的Y(II)和Fv/Fm值偏低, 表明它們的光合活性偏低, 這一結(jié)果和基部和梢部較低的固碳能力結(jié)果一致(圖2)。本底熒光F0和葉綠素水平相關(guān),F0從基部到梢部的變化趨勢表明, 基部的葉綠素水平較高, 離梢部越近, 葉綠素水平越低(圖3)與楊曉玲等[17]的結(jié)果一致。三種參數(shù)的熒光成像(圖4)則直觀的表明了條斑紫菜葉狀體不同區(qū)域光合活性和葉綠素水平的差異。

綜上所述, 條斑紫菜葉狀體不同區(qū)域組織的光和作用能力同樣存在著極性。中部到梢部以下區(qū)域組織較高的固碳能力和光合作用活性, 說明了其較高的光合作用能力。梅俊學等[19]研究發(fā)現(xiàn), 中部到梢部以下區(qū)域組織的再生苗成苗率較高, 這一結(jié)果和我們的結(jié)果相對應(yīng)。因此, 我們推測, 條斑紫菜葉狀體離體組織再生苗的成活率的高低可能取決于其光合作用活性的高低, 生產(chǎn)中可以選擇較小條斑紫菜藻體具有較高光合作用活性的梢部以下到中部的區(qū)域組織獲取體細胞苗源[19]。

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Variations of photosynthetic activities in different tissue areas inPorphyra yezoensisthalli

YANG Rui-ling1, QIAO Hong-jin2, ZHOU Wei2,3, WANG Guang-ce2, PAN Guang-hua1

(1. College of Marine Science and Engineering, Tianjin University of Science & Technology, Tianjin 300457,China; 2. Key Laboratory of Experimental Marine Biology, Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences,Qingdao 266071, China; 3. Marine Fisheries Institute of Jiangsu, Nantong 226007, China)

Oct., 29, 2010

Porphyra yezoensis, thalli, carbon fixations, photosynthetic activities

In this article, young thalli ofPorphyra yezoensiswere used to study carbon fixation and photosynthetic activities of the five parts from the basis to the top in the same thallus.The results indicated that： (1) there were variations of carbon fixation in different tissue areas, with the basis part possessing significantly the lowest carbon fixation while the part closing to the top the highest in the five parts; (2) photosynthetic activities and chlorophyllacontents were also different among tissue areas from the basis to the top, with the photosynthetic activities of the root and the top parts lower than the other parts and the contents of chlorophyllashowing a decrease tendency from the basis to the top. It has been reported that there was higher seeding regeneration in the excised fragments from the midst locations ofP. yezoensisthalli. Our results revealed higher photosynthetic activities in the middle parts, suggesting a correlation between seeding regeneration and photosynthetic activities.

S968

A

1000-3096(2011)08-0063-04

2010-10-29;

2011-01-19

國家自然科學基金資助項目(30830015, B49082401); 國家科技支撐計劃資助項目(2006BAD09A04); 國家 863計劃資助項目(2006AA10A402, 2006AA10A413, 2007AA09Z406)

楊睿靈(1986-), 女, 河南周口人, 碩士研究生, 主要從事藻類生理研究, 電話： 15922035615, E-mail： yangruiling@163.com; 王廣策, 通信作者, 研究員, E-mail： gcwang@qdio.ac.cn

梁德海)