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    萊茵衣藻藍(lán)光受體植物類型隱花色素CRY 突變體的表型鑒定

    2023-03-07 12:56:22李旺寧張豪杰李亞男梁夢(mèng)靜季春麗張春輝李潤植崔玉琳秦松崔紅利
    生物技術(shù)通報(bào) 2023年2期
    關(guān)鍵詞:總脂衣藻萊茵

    李旺寧 張豪杰 李亞男 梁夢(mèng)靜 季春麗 張春輝 李潤植崔玉琳 秦松 崔紅利

    (1. 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 分子農(nóng)業(yè)與生物能源研究所,太谷 030801;2. 中國科學(xué)院煙臺(tái)海岸帶研究所 海岸帶生物學(xué)與生物資源保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,煙臺(tái) 264003)

    光不僅能提供光合作用的驅(qū)動(dòng)力,其自身蘊(yùn)含的光信息對(duì)植物生長、發(fā)育、代謝及適應(yīng)環(huán)境均具有重要作用[1],而且還作為光信號(hào)參與調(diào)控植物生長發(fā)育的各個(gè)方面,如種子萌發(fā)[2]、器官生長方向[3-4]、葉片和繁殖器官在空間上的排列方式[5]、葉綠體運(yùn)動(dòng)[6]及開花時(shí)間等[7]。因此,植物進(jìn)化出一套針對(duì)不同波段太陽光并由光受體介導(dǎo)的光感知與信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)。

    光受體是介導(dǎo)植物對(duì)光信號(hào)作出反應(yīng)的一類生物大分子物質(zhì),可以感知光強(qiáng)、波長以及方向等,從而調(diào)控植物作出相應(yīng)的生理反應(yīng),最終引起植物個(gè)體表型上的變化[8]。根據(jù)感受不同的光質(zhì),目前發(fā)現(xiàn)的光受體類型包括紅光/遠(yuǎn)紅光受體——光敏色素(phytochrome, PHY)、藍(lán)光受體——隱花色素(cryptochrome, CRY)、向光素(phototropin, PHOT)和紫外光受體-UV(UV-B)。植物依靠藍(lán)光受體隱花色素(CRY)和向光素(PHOT)感知藍(lán)光信號(hào),并通過復(fù)雜的接收和轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng),進(jìn)而與體內(nèi)其他信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑耦聯(lián),最終調(diào)控藍(lán)光響應(yīng)生理過程,藍(lán)光在高等和低等植物生長發(fā)育過程中十分重要,能夠調(diào)控光形態(tài)發(fā)生、葉綠體運(yùn)動(dòng)、下胚軸生長、開花時(shí)間、生物鐘、生物節(jié)律、趨光性及次級(jí)代謝產(chǎn)物的合成等[9]。

    隱花色素(CRY)是一類光裂合酶的黃素蛋白,其作用是調(diào)控藍(lán)光下一些基因的表達(dá)及調(diào)控植物的光形態(tài)建成[10-12]。CRY 蛋白包括N 端光裂合酶同源結(jié)構(gòu)域(photolyase homologous region, PHR)和C 端延伸的羧基端延伸結(jié)構(gòu)域(CRYC-terminal extension, CCE)[13]。PHR 結(jié)構(gòu)域由光裂解酶進(jìn)化而來氨基酸序列比較保守,負(fù)責(zé)黃素腺嘌呤核苷酸(flavin adenine dinucleotide, FAD)和甲基四氫葉酸(N5-methyltetrahydrofolicacid, MTHF)的結(jié)合,CCE結(jié)構(gòu)域氨基酸序列多變有很大差異,但具有相同的DAS(DQXVP-Acidic-STAESSS)基序[11],被認(rèn)為是光信號(hào)傳遞的主要結(jié)構(gòu)域[14]。研究發(fā)現(xiàn)擬南芥中有2 個(gè)植物類型CRYs(CRY1 和CRY2)、1 個(gè)動(dòng)物類型CRY[15]和1 個(gè)DASH(Drosophila、Arabidopsis、Synechocystis和Homo) 類 型CRY[16]。3 種 類 型CRYs 的細(xì)胞定位、表達(dá)模式、功能及作用機(jī)制都不完全相同[17]。

    CRY 在真核微藻中分布廣泛,并存在多個(gè)基因拷貝。真核微藻來源的CRY 主要包括動(dòng)物類型(aCRY)、DASH 類型(dashCRY)和植物類型(pCRY)3 大類。在硅藻(Diatom)[18]和褐藻(Brown algae)[19]中發(fā)現(xiàn)了aCRY。海洋來源綠藻(Ostreococcus tauri)中分別發(fā)現(xiàn)了aCRY(OtCPF1)[20]和dashCRY(OtCPF2)[21],并在另一株海洋綠藻(Ostreococcus lucimarinus)中發(fā)現(xiàn)了5 個(gè)編碼CPF 的基因,但這兩株綠藻中都沒有發(fā)現(xiàn)pCRY[21]。據(jù)報(bào)道,紅藻(Cyanidioschyzon merolae)[22]和等鞭藻(Isochrysis galbana)[23]中存在pCRY,在團(tuán)藻(Volvox carteri)和萊茵衣藻中分別發(fā)現(xiàn)了4 個(gè)CRYs,1 個(gè)植物類型pCRY、1 個(gè)動(dòng)物類型aCRY 和2 個(gè)DASH 類型[24-25]。團(tuán)藻pCRY 在體細(xì)胞中大量表達(dá),而在生殖細(xì)胞中很少表達(dá)[24]。萊茵衣藻中aCRY 不但可以感受藍(lán)光信號(hào),同時(shí)可以感受部分紅光信號(hào),通過構(gòu)建萊茵衣藻aCRY 的突變株,發(fā)現(xiàn)細(xì)胞周期循環(huán)、節(jié)律調(diào)節(jié)、葉綠素及類胡蘿卜素合成相關(guān)基因在轉(zhuǎn)錄水平上受到其調(diào)控[26]。pCRY 在黑暗下積累,在藍(lán)光和紅光條件下通過光依賴性蛋白酶迅速降解,其對(duì)藍(lán)光響應(yīng)的光譜特征已經(jīng)在體外進(jìn)行驗(yàn)證[24-25,27]。

    關(guān)于向光素以及aCRY 的突變以及突變之后的表型變化已有文獻(xiàn)報(bào)道,但pCRY 還未見報(bào)道。結(jié)合前人研究,海洋綠藻和淡水綠藻在2 種不同環(huán)境下的諸多生理差異以及不同藻株之間可能存在差異,對(duì)不同來源萊茵衣藻及CRY 突變株的表型也有待進(jìn)一步的研究。

    本研究以衣藻野生株CC5325 和突變株crcry為研究對(duì)象,對(duì)野生株CC5325 和突變株crcry藻株進(jìn)行比較分析,從生長、色素、光合及油脂合成等方面比較其在正常光照CK(Control)與藍(lán)光BL(Blue light)培養(yǎng)條件下的表型差異,以期評(píng)估cry在萊茵衣藻藍(lán)光響應(yīng)過程中所發(fā)揮的功能,為進(jìn)一步生物學(xué)功能及調(diào)控機(jī)制的研究提供理論基礎(chǔ)。

    1 材料與方法

    1.1 材料

    1.1.1 藻種 試驗(yàn)所用的萊茵衣藻野生株CC5325和突變株crcry(Cre.06.g295200)均購自衣藻資源中心[28],現(xiàn)保存于山西農(nóng)業(yè)大學(xué)分子農(nóng)業(yè)與生物能源研究所。

    1.1.2 培養(yǎng)條件 藻株培養(yǎng)條件設(shè)置為溫度(24±1)℃, 光12 h/ 暗12 h、20 μmol/(m2·s),采用TAP(Tris-Acetate-Phosphate medium)培養(yǎng)基,crcry添加濃度為10 μg/mL 的巴龍霉素培養(yǎng),每天定時(shí)手動(dòng)搖瓶3-4 次,防止細(xì)胞貼壁,培養(yǎng)至藻細(xì)胞達(dá)到對(duì)數(shù)期。搖勻,取CC5325 和crcry各3 mL 至250 mL 錐形瓶中(含100 mL TAP 液體培養(yǎng)基),將裝有CC5325 和crcry的錐形瓶放置黑暗中適應(yīng)24 h,之后置于CK 條件和BL 條件下,每隔2 d 定時(shí)取樣用于各項(xiàng)生理指標(biāo)的測(cè)定。

    1.1.3 光質(zhì) 試驗(yàn)中分別設(shè)置正常(白光)和藍(lán)光培養(yǎng)條件,以白光作為對(duì)照,連續(xù)24 h 光照。采用歐普照明LED 白光和藍(lán)光2 種光質(zhì)的燈具(40 W方形30 cm×30 cm,光照強(qiáng)度為1 100 lx,藍(lán)光波普范圍550 nm),光源安裝在培養(yǎng)架兩側(cè),每塊LED燈板包括160 個(gè)LED 燈。通過移動(dòng)錐形瓶與LED 燈的距離來調(diào)節(jié)強(qiáng)度,光強(qiáng)使用TES 1332A 勒克斯計(jì)測(cè)量,在試驗(yàn)前連續(xù)照射24 h 使系統(tǒng)穩(wěn)定。每組設(shè)置3 個(gè)重復(fù)。

    1.2 方法

    1.2.1crcry突變體的分子鑒定 收集培養(yǎng)對(duì)數(shù)期的藻液離心備用,以CC5325 和crcry基因組DNA 和cDNA 為模板進(jìn)行PCR。采用CTAB 法提取CC5325和crcry的基因組DNA,根據(jù)ChlaMmeSeq 方法[29],擴(kuò)增3 個(gè)片段用于測(cè)序,以確定crcry的確切插入位點(diǎn)。(1)用基因cry引物F+R 預(yù)測(cè)插入位點(diǎn);(2)F+C1(插入盒下游引物)與引物對(duì)的5′插入盒基因組連接;(3)(插入盒上游引物)C2+R 與引物對(duì)的3′插入盒基因組連接。采用Trizol(杭州新景生物試劑開發(fā)有限公司)試劑提取CC5325 和crcry總RNA,參照TaKaRa 公司的試劑盒(PrimeScriptTMRT reagent Kit with gDNA Eraser)將RNA 反 轉(zhuǎn) 錄 成cDNA,用引物Actin-F+Actin-R 和cry-F+cry-R 驗(yàn)證。所有用于PCR 鑒定的引物見表1。反應(yīng)體系如表2所示,反應(yīng)程序?yàn)?8℃ 5 min;98℃ 30 s,55℃ 30 s,72℃ 30 s,30 個(gè)循環(huán),每個(gè)樣品重復(fù)3 次。

    表1 引物信息Table 1 Primers information

    表2 PCR 反應(yīng)體系Table 2 PCR reaction system

    1.2.2 細(xì)胞密度的測(cè)定 每天定時(shí)吸取10 μL 搖勻的藻液,置于視野為40×10 倍的光學(xué)顯微鏡下觀察,采用血球計(jì)數(shù)板(25×16 型)對(duì)萊茵衣藻細(xì)胞進(jìn)行計(jì)數(shù)。

    細(xì) 胞 密 度(cells·mL-1)=80 小 格 內(nèi) 細(xì) 胞 個(gè)數(shù)/(80×400×10 000×稀釋倍數(shù))

    1.2.3 單位細(xì)胞色素含量的測(cè)定 取5 mL 藻液4 500 r/min 離心10 min,棄上清液后向沉淀中加入與藻液等體積的95%乙醇充分混勻,75℃水浴15 min,冷卻后4 500 r/min 離心10 min,用分光光度計(jì)測(cè)上清液在665、649 和470 nm 的OD 值,根據(jù)公式[30]計(jì)算藻細(xì)胞中葉綠素a、葉綠素b 和類胡蘿卜素的濃度Chla、Chlb 和Car(mg/L)含量。

    Chla=13.95×OD665-6.88×OD649

    Chlb=24.96×OD649-7.32×OD665

    Car=(1 000×OD470-2.05×Chla-114.8×Chlb)/245

    單位細(xì)胞色素含量(ng/cell)=[色素含量(mg/L)/細(xì)胞密度(cells·mL-1)]×107

    1.2.4 光合作用活性的測(cè)定 使用MINI-PAM-II 葉綠素?zé)晒鈨x(H. Walz. Effeltrich, Germany)測(cè)定藻細(xì)胞的光化學(xué)活性(光化光設(shè)置為72 μmol/(m2·s))。藻液避光暗處理20 min,再檢測(cè)光合生理指標(biāo)的變化。實(shí)際光能轉(zhuǎn)化效率(effective photo-chemical quantum yield of PSII, Y(II))、最大光能轉(zhuǎn)換效率(maximum photochemical quantum yield of PSII, Fv/Fm)、光化學(xué)淬滅系數(shù)(coefficient of photochemical fluorescence quenching, qP) 和非光化學(xué)淬滅系數(shù)(non-photochemical quenching, NPQ)。 光 處 理5 min 后測(cè)定Y(II)和PAR 值,根據(jù)公式ETR=Y(II)×PAR×0.5×0.84 計(jì)算相對(duì)電子傳遞速率(electron transport rate, ETR)值。

    1.2.5 總脂含量的測(cè)定 總脂含量的測(cè)定參照邵雪梅[31]方法,稱取冷凍干燥后的藻粉50 mg,每個(gè)處理設(shè)置3 個(gè)生物學(xué)重復(fù)。藻粉中加入2.5 mL 氯仿、5 mL 甲醇,在37℃搖床中抽提24 h 后離心收集上層有機(jī)相,剩余藻粉殘?jiān)貜?fù)抽提2 次。合并3 次所得的上層有機(jī)相,加入5 mL 氯仿和9 mL 氯化鈉溶液(10 g/L),離心后收集下層有機(jī)相到玻璃管中,用氮吹儀吹干樣品至恒重。

    總脂含量(%)=(總脂重量/藻粉重量)×100%

    1.2.6 數(shù)據(jù)處理 對(duì)照組和處理組均設(shè)置3 個(gè)平行,采用excel(2019)和SPSS 25.0 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,采用單因素方差分析法進(jìn)行顯著性分析(P<0.05),繪圖采用Origin9 軟件(OriginLab Corporation, USA)。

    2 結(jié)果

    2.1 萊茵衣藻crcry突變體的鑒定

    根據(jù)衣藻庫(Clip)(https://www.chlamylibrary)對(duì)突變株crcry的描述,cry在其CDS 編碼區(qū)有一個(gè)盒反向插入(圖1-a)。為了驗(yàn)證該插入,分別在DNA 水平和RNA 水平進(jìn)行驗(yàn)證。DNA 水平上用3對(duì)引物(cry-F+cry-R、cry-F+Cassette-C1 和Cassette-C2+cry-R,引物見表1)進(jìn)行PCR。F(正向)和R(反向)分別位于假定插入位點(diǎn)的上游和下游,C1(反向)和C2(正向)分別位于盒的3′和5′端(圖1-a)。以CC5325 基因組DNA 為模板,只有F+R 產(chǎn)生PCR產(chǎn)物(300-400 bp)。相反,以cry基因組DNA 為模板,F(xiàn)+R 沒有產(chǎn)生PCR 產(chǎn)物,而F+C1 和C2+R 各有一條PCR 產(chǎn)物(F+C1:300-400 bp,C2+R:700-1 000 bp)(圖1-b)。RNA 水平上用引物(Actin-F 與Actin-R 和cry-F 與cry-R,引物見表1)進(jìn)行PCR,分別以CC5325 和crcry的cDNA 為模板,Actin-F 和Actin-R 各有一條PCR 產(chǎn)物(300-400 bp),cry-F 和cry-R 之間野生株CC5325 有一個(gè)PCR 產(chǎn)物(300-400 bp),相反,突變株crcry沒有產(chǎn)生PCR 產(chǎn)物(圖1-c)。表明盒成功插入并且表達(dá)。對(duì)這兩個(gè)PCR 產(chǎn)物進(jìn)行測(cè)序,結(jié)果證實(shí)該盒以反義方向插入crcry的CDS編碼區(qū)中,保持其完整的5′和3′端(圖1-a)。

    對(duì)野生株CC5325 和突變株crcry進(jìn)行固體平板以及液體篩選驗(yàn)證。萊茵衣藻CC5325 不具有巴龍霉素抗性,在含10 μg/mL 巴龍霉素的TAP 篩選平板上不能生長;突變株crcry有巴龍霉素抗性基因,能夠在含巴龍霉素的篩選平板上正常生長。將CC5325和crcry涂布于含有巴龍霉素的TAP 固體平板上(圖1-d),弱光培養(yǎng)一周左右,可以看出CC5325 在含有巴龍霉素的平板上變白,而crcry生長出綠色單藻落。之后在含有巴龍霉素的TAP 液體培養(yǎng)體系中再次進(jìn)行驗(yàn)證(圖1-e),與圖1-d 結(jié)果相同,CC5325 藻株在含有巴龍霉素的培養(yǎng)基中不能生長,但crcry能夠正常生長。以上結(jié)果證明crcry突變株中AphVIII抗性基因成功表達(dá),隨后在TAP 液體培養(yǎng)基中進(jìn)行擴(kuò)大培養(yǎng),用于后續(xù)試驗(yàn)。

    圖1 萊茵衣藻crcry 突變體的鑒定Fig.1 Identification of C. Reinhardtii crcry mutant

    2.2 藍(lán)光對(duì)萊茵衣藻野生株CC5325和突變株crcry生長的影響

    用細(xì)胞密度來表示萊茵衣藻的生長情況。從圖2 可以看出,正常光與藍(lán)光條件下CC5325 存在差異,且在藍(lán)光條件下生長較快。2 種光照條件下,crcry生長存在很大差異,藍(lán)光下crcry生長明顯受到抑制。隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加,細(xì)胞密度均在第6 天達(dá)到最大,CK-CC5325、CK-crcry、BL-CC5325 和BL-crcry的細(xì)胞數(shù)分別為2.124×107、2.249×107、2.423×107和1.563×107cells·mL-1,藍(lán)光下CC5325 細(xì)胞數(shù)目是正常光下的1.14 倍,crcry是0.69 倍(圖2)。培養(yǎng)到第8 天,正常光照條件下,CC5325 與crcry顏色差異不顯著,較前期相比,藻液顏色變黃;藍(lán)光條件下,CC5325 與crcry顏色差異較顯著,CC5325長勢(shì)比crcry好。在正常光與藍(lán)光條件下,CC5325差異不顯著,crcry差異顯著,藍(lán)光條件下crcry顏色較黃。結(jié)果表明,正常光對(duì)衣藻CC5325 和crcry影響不大,然而藍(lán)光條件對(duì)衣藻CC5325 和crcry影響較明顯。

    圖2 藍(lán)光對(duì)萊茵衣藻CC5325 和crcry 生長的影響Fig. 2 Effects of blue light on the growth of C. reinhardtii CC5325 and crcry

    2.3 藍(lán)光對(duì)萊茵衣藻野生株CC5325和突變株crcry單位細(xì)胞色素的影響

    由圖3 可知,藍(lán)光輻射對(duì)萊茵衣藻單位細(xì)胞內(nèi)色素的積累影響較大,且影響效果與處理時(shí)間有關(guān)。無論在正常光還是藍(lán)光條件下,CC5325 與crcry的單位細(xì)胞色素含量前期均呈上升趨勢(shì),后期趨于平緩乃至降低。培養(yǎng)至第4 天,CC5325 與crcry在正常光下顏色差異不明顯,但在藍(lán)光下差異非常顯著。CC5325 與crcry的單位細(xì)胞葉綠素a、葉綠素b 和總?cè)~綠素含量均無明顯差異。藍(lán)光下crcry顯著低于CC5325,其單位細(xì)胞葉綠素a 的含量為3.92×10-4ng/cell(圖3-a)、葉綠素b 為2.26×10-4ng/cell(圖3-b)、總 葉 綠 素 為6.12×10-4ng/cell(圖3-c),與CC5325 相比,crcry的葉綠素a、葉綠素b 和總?cè)~綠素分別下降了48.97%、64.53%和67.44%。在正常光下單位細(xì)胞中類胡蘿卜素差異不顯著,但在藍(lán)光下,crcry中類胡蘿卜素顯著高于CC5325,含量為1.97×10-4ng/cell(圖3-d),與CC5325 相比,增高了65.27%。單位細(xì)胞總色素在正常光下也沒有差異,在藍(lán)光下差異顯著,CC5325 與crcry細(xì)胞中總色素含量分別為11.44×10-4和7.95×10-4ng/cell(圖3-e),與CC5325 相比,crcry降低30.65%。單位細(xì)胞總色素的含量取決于總?cè)~綠素和類胡蘿卜素,盡管crcry類胡蘿卜素含量高,但由于葉綠素含量所占的比例較大,所以crcry總色素仍然低于CC5325。正常光下類胡蘿卜素與總?cè)~綠素的比值隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長變化不顯著,與正常光相比,藍(lán)光下的野生株CC5325 顯著降低,然而突變株crcry相反,顯著高于正常光及藍(lán)光下的CC5325(圖3-f)。色素含量均在第6 天得到積累達(dá)到峰值,隨后降低。

    圖3 藍(lán)光對(duì)萊茵衣藻CC5325 和crcry 單位細(xì)胞色素的影響Fig. 3 Effects of blue light on the single cell pigments of C. reinhardtii CC5325 and crcry

    以上結(jié)果表明,正常光條件對(duì)CC5325 和crcry的色素含量影響不明顯,藍(lán)光條件對(duì)CC5325 和crcry色素含量影響較大。且藍(lán)光條件能夠促進(jìn)CC5325 色素的積累,不利于突變株crcry色素的積累,尤其是葉綠素。

    2.4 藍(lán)光對(duì)萊茵衣藻野生株CC5325和突變株crcry光合作用的影響

    實(shí)際光化學(xué)效率Y(II)表示用于光化學(xué)反應(yīng)的能量。從圖4-a 中可以看出,Y(II)隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加呈先上升再下降的趨勢(shì),在第4 天達(dá)到最大,第6-8 天逐漸趨于穩(wěn)定。正常光和藍(lán)光條件下,CC5325 與crcry之間差異不明顯,但藍(lán)光條件下,Y(II)低于正常光條件。說明藍(lán)光能夠影響PSII 的光合性能。

    最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)用來表示植物潛在的最大光合活性(圖4-b)。萊茵衣藻的Fv/Fm 受環(huán)境中光質(zhì)的影響,在不同光質(zhì)下,萊茵衣藻Fv/Fm 隨培養(yǎng)時(shí)間增加均呈下降趨勢(shì),其中,藍(lán)光的影響最大,尤其是對(duì)突變株crcry。Fv/Fm<0.6 表明藻細(xì)胞受到抑制,正常光條件下,培養(yǎng)至第3 天后,開始抑制藻細(xì)胞生長;而在藍(lán)光條件下,培養(yǎng)1 d 已開始抑制細(xì)胞生長,并且藻細(xì)胞受到的抑制隨培養(yǎng)時(shí)間延長而加強(qiáng),藍(lán)光影響更顯著。

    相對(duì)電子傳遞速率(rETR)可以用來反映植物對(duì)光強(qiáng)的耐受能力(圖4-c)。萊茵衣藻的相對(duì)電子傳遞速率(rETR)隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加先升高后下降,培養(yǎng)到第4 天,相對(duì)電子傳遞速率(rETR)達(dá)到最大,隨后呈下降趨勢(shì)。且藍(lán)光下rETR 低于正常光條件,CC5325 與crcry相比較,在受到強(qiáng)光輻射后rETR 降低更快。crcry中細(xì)胞的光保護(hù)受損使ETR 降低,表明CRY 是這種藻類光保護(hù)的中心角色。

    非光化學(xué)淬滅系數(shù)(NPQ)表示將過剩的光能以熱的形式耗散掉的能力(圖4-d)。在此過程中NPQ 都相應(yīng)的增加,并且在第4 天達(dá)到最大值,表明在此條件下已發(fā)生熱耗散,但隨著處理時(shí)間的增加,NPQ 恢復(fù)到正常狀態(tài)。NPQ 在CC5325 與crcry之間存在差異,藍(lán)光條件下明顯低于正常光條件。這表明在短期內(nèi)藍(lán)光可使萊茵衣藻產(chǎn)生脅迫誘導(dǎo),但隨著時(shí)間的延長,衣藻能夠適應(yīng)不同光質(zhì)的環(huán)境。

    光化學(xué)淬滅系數(shù)(qP)反映了PSII 反應(yīng)中心的開放程度(圖4-e)。白光及藍(lán)光條件下,qP 先上升后下降,同樣在第4 天達(dá)到最大,之后4-8 d 趨于穩(wěn)定。CC5325 與crcry之間的qP 存在差異,藍(lán)光條件下略低于正常光條件。

    圖4 藍(lán)光對(duì)萊茵衣藻CC5325 和crcry 光合作用的影響Fig. 4 Effects of blue light on the photosynthesis of C. Reinhardtii CC5325 and crcry

    2.5 藍(lán)光對(duì)萊茵衣藻野生株CC5325和突變株crcry總脂的影響

    培養(yǎng)結(jié)束時(shí)(第8 天),檢測(cè)在正常光和藍(lán)光條件下衣藻CC5325 和crcry的總脂含量(圖5)發(fā)現(xiàn),正常光條件下,CC5325 與crcry的總脂差異不顯著,含量分別是38.16%和38.74%;藍(lán)光條件下,CC5325 與crcry總脂差異明顯,含量分別是42.15%和15.96%。相比于正常光,藍(lán)光能促進(jìn)CC5325 總脂積累,增加了12.34%;而抑制crcry總脂積累,下降了58.80%。表明藍(lán)光有利于萊茵衣藻中總脂的積累,但不利于隱花色素破壞型的突變株中總脂的積累。

    圖5 藍(lán)光對(duì)萊茵衣藻CC5325 和crcry 總脂的影響Fig. 5 Effects of blue light on the total lipid of C. Reinhardtii CC5325 and crcry

    3 討論

    植物通過光受體介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑響應(yīng)光信號(hào)。藍(lán)光受體隱花色素能感知藍(lán)光信號(hào),在植物的藍(lán)光響應(yīng)中發(fā)揮重要的作用。隱花色素基因在擬南芥中被克隆以后,在番茄、蕨類以及苔蘚乃至人體中都進(jìn)行了相關(guān)研究[32-34]。研究表明,擬南芥中CRY1 和CRY2 對(duì)光形態(tài)建成起著重要的調(diào)控作用,其中,CRY1 在藍(lán)光下主要抑制下胚軸的伸長,CRY2 主要控制光周期調(diào)控開花。

    藍(lán)光對(duì)微藻的生長具有顯著的影響。Das 等[35]研究發(fā)現(xiàn)藍(lán)光下微擬球藻(Vannochloropsissp)的比生長率有所提高,Gon?alves 等[36]發(fā)現(xiàn)藍(lán)光有利于Tetradesmussp. 的生長。本研究發(fā)現(xiàn),與正常光培養(yǎng)條件相比,CC5325 在藍(lán)光下的生長較快,而突變株crcry的生長受到明顯抑制,暗示cry在該藻株的生長過程中發(fā)揮重要作用。

    藍(lán)光對(duì)微藻新陳代謝的影響較大,有研究表明紅光會(huì)引起細(xì)胞損傷,而藍(lán)光能夠明顯提高藻類光合色素的含量[37]。本研究結(jié)果表明,藍(lán)光下CC5325 葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素及總色素含量高于正常光,這與沈銀武等[38]研究結(jié)果一致,藍(lán)光對(duì)中華植生藻中葉綠素b 和類胡蘿卜素合成有促進(jìn)作用。crcry在藍(lán)光下的葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素及總色素含量均低于CC5325。同時(shí)發(fā)現(xiàn)正常光下,CC5325 與crcry類胡蘿卜素的含量差異不明顯;在藍(lán)光下兩者之間類胡蘿卜素差異非常顯著,crcry顯著高于CC5325,而Im 等[39]研究發(fā)現(xiàn),暴露于連續(xù)低強(qiáng)度藍(lán)光可提高LHCBM6、GSAT 和PDS 轉(zhuǎn)錄水平,但在突變株(Ri20, PHOT 水平<10%的野生類型藻株)中的轉(zhuǎn)錄水平較野生株(CC-124)相比積累較少,造成這一現(xiàn)象的原因可能是藍(lán)光強(qiáng)度差異以及突變株的不同。本研究發(fā)現(xiàn)正常光條件下,CC5325 及crcry的類胡蘿卜素比葉綠素的比值相對(duì)穩(wěn)定;藍(lán)光條件下,CC5325 類胡蘿卜素比葉綠素的比值略微降低,crcry恰恰相反,顯著升高。暗示藻細(xì)胞在不同光質(zhì)條件下,類胡蘿卜素比葉綠素的比值變化,是響應(yīng)光質(zhì)很重要的一個(gè)指標(biāo),進(jìn)一步證明萊茵衣藻在藍(lán)光的響應(yīng)過程中,cry介導(dǎo)調(diào)控了葉綠素與類胡蘿卜素的合成,來導(dǎo)致比率的變化,進(jìn)而響應(yīng)藍(lán)光光質(zhì)。

    光質(zhì)可以對(duì)植物的生長、品質(zhì)及產(chǎn)量產(chǎn)生影響,這與光質(zhì)可調(diào)控植物的光合作用密切相關(guān)[40]。結(jié)合葉綠素?zé)晒馇€圖和具體參數(shù),發(fā)現(xiàn)藍(lán)光輻射引起了PSII 反應(yīng)中心的變化。本研究通過葉綠素?zé)晒鈪?shù)來反映不同光質(zhì)(正常光、藍(lán)光)下萊茵衣藻的光合性能發(fā)現(xiàn),藍(lán)光下藻細(xì)胞Y(II)、Fv/Fm、rETR、NPQ 和qP 值均低于正常光,且藍(lán)光下crcry低于CC5325。Y(II)實(shí)際光化學(xué)效率前期呈上升趨勢(shì),第4 天達(dá)到最大,之后下降至穩(wěn)定;Fv/Fm 均呈下降趨勢(shì),該結(jié)果與前人對(duì)斜生柵藻(Scenedesmus obliqnusFACHB-1986)和銅綠微囊藻(Microcystis aeruginosa)的研究結(jié)果相類似[41];rETR 也是先上升后下降,藍(lán)光下低于正常光,推測(cè)可能在這種條件下,更多的光能可能用于類胡蘿卜素的合成;NPQ 均低于正常光,這與高光下結(jié)果相一致,表明過量的光能超過藻細(xì)胞自身的承受能力,不能以熱的形式耗散掉;qP 的變化趨勢(shì)NPQ 幾乎是一致的,均先上升后下降。

    藍(lán)光是促進(jìn)微藻細(xì)胞積累關(guān)鍵產(chǎn)物的有效刺激因子,同時(shí)對(duì)油脂的積累也有非常重要的影響。周玉嬌等[42]研究表明,小球藻突變株油脂含量與野生型相比有所提高。本研究亦發(fā)現(xiàn)正常光下突變株crcry總脂稍高于野生株CC5325;相反,藍(lán)光下crcry總脂含量遠(yuǎn)低于CC5325。同時(shí),與正常光相比,藍(lán)光促進(jìn)了CC5325 藻細(xì)胞中油脂的積累,這與小球藻[43]、微擬球藻[44]和雨生紅球藻(Haematococcus pluvialis)[45]等微藻積累油脂結(jié)果一致;藍(lán)光抑制了crcry中油脂的積累,Beel 等[26]發(fā)現(xiàn)藍(lán)光條件下aCRY 突變體中的大多數(shù)與代謝相關(guān)的基因,以及編碼細(xì)胞周期成分的基因都受到aCRY 調(diào)節(jié)。本研究推測(cè),藍(lán)光條件下crcry含量較低可能與油脂代謝相關(guān)基因受pCRY 調(diào)節(jié)相關(guān),由于基因片段插入cry,導(dǎo)致該基因在轉(zhuǎn)錄水平上中斷,從而不能響應(yīng)藍(lán)光輻射,因此藍(lán)光下crcry中油脂含量比較低。

    4 結(jié)論

    crcry表現(xiàn)出生長差、顏色黃、類胡蘿卜素含量增高、葉綠素、光合指標(biāo)及總脂降低。cry參與了萊茵衣藻藍(lán)光響應(yīng)的過程。

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