南极衣藻Chlamydomonas sp. L4叶绿体生理生化特性及其低温适应性的研究

【摘要】： 南极是地球上最冷的地区之一,低温是其最基本的特征。海冰是极地物理环境的重要组成部分。南极冰藻就是指生活在南极海冰、海冰边缘或海水中的一大类微藻。海冰中间存在大量网状的盐囊和盐通道,其中海水的盐度可以达到普通海水的3倍,甚至5倍。并且冰藻生活的冰层是一个低光照、寡营养和少气体交换的场所。每年南极的春夏季,海冰的融化时冰藻周围的环境发生巨大的变化,在日积月累海冰的冻溶变化中,冰藻逐渐形成了适应这种变化的生理生化机制。 正是冰藻这种特殊的生理特征,使其成为研究低温生物学的良好试验材料;此外,冰藻也是新型活性物质的潜在来源。为了更加合理的开发南极的低温藻类资源,从应用上丰富我国现有的微生物资源,从中开发出有价值的生物活性物质和产品,本文主要以南极衣藻Chlamydomonas sp. L4(南极衣藻L4)为材料,进行叶绿体生理生化特性及其低温环境适应性的研究,以期为南极冰藻抗逆机理的研究和应用开发提供科学依据。对所取得的主要结果概括于下。 1利用光学显微镜、扫描和透射电镜对正常培养南极衣藻L4和低温胁迫下的形态和超微结构进行研究。结果表明,南极衣藻L4的主要特点为:细胞壁较厚,无鞭毛端存在着明显的质壁分离现象,细胞内贮存有大量的淀粉颗粒,细胞壁和细胞膜之间充满大量的黑色颗粒物质。南极衣藻L4的叶绿体并不是简单“杯状”,而是以类囊体片层的形式分布在除细胞核区域的整个细胞中,细胞器之间以及淀粉颗粒之间都是类囊体片层结构。海水成冰胁迫后线粒体结构基本没有变化,能够使南极衣藻L4在低温下正常的能量供应,保证其正常代谢。而类囊体片层模糊,扭曲,膨大。采用蔗糖梯度法分离制备的南极衣藻L4叶绿体纯度和得率都很高。 2以正常培养的南极衣藻L4作为对照,通过比较低温胁迫过程中类囊体膜色素、类脂、脂肪酸和色素蛋白复合物的变化情况,分析这些成分对南极衣藻L4低温海水成冰环境适应性的作用:(1)富含叶绿素b的集光色素蛋白复合体(LHC)对于南极衣藻L4产生低温适应性发挥着重要作用;叶黄素通过参与低温下植物光合机构中过剩光能的耗散,并且增强膜流动性也对南极衣藻L4低温适应性有着很好的效果。(2)MGDG能够在低温弱光的环境下维持类囊体膜特殊结构的稳定;十八碳-9,12,15-三烯酸不仅维持类囊体膜的流动性,还可以促进重新合成的D1蛋白装配到PSⅡ反应中心的速率;反式十六碳-3-烯酸能够降低“高熔点”PG的含量,促进LHCⅡ解聚。(3)完整PSⅠ复合物、ATP合成酶、细胞色素b6f复合物和RuBP羧化酶在低温环境中能够保持稳定;LHCⅡ在PSⅡ蛋白复合物上结合的紧密程度会影响南极衣藻L4对于低温弱光环境的适应性;LHCⅡ结构的变化即LHCⅡ寡聚体解聚,是低温适应性的重要保障。 3通过研究低温胁迫对南极衣藻L4类囊体膜流动性、损伤性和功能的影响,发现:南极衣藻L4通过膜成分的改变来维持其类囊体膜的流动性,以适应低温海水结冰的环境;总体上胁迫期间类囊体膜受到的伤害不大,脂氧合酶活性上升幅度很小,并且很快出现活性下降的趋势,说明南极衣藻L4体内有充分的应激机制,来抵御低温海水成冰胁迫对不饱和脂肪酸的氧化作用,SOD酶是保持类囊体膜不受伤害的关键酶;南极衣藻L4类囊体膜希尔反应活性测定结果表明,净光合速率在胁迫过程中先下降再上升;在海冰环境中,南极衣藻L4类囊体膜H+-ATPase的活性明显增强,从而保障有效的光合磷酸化反应。 对南极衣藻L4进行低温胁迫,从藻体形态结构、类囊体膜生化成分和生理功能等方面分析了南极衣藻L4对低温环境适应性的机理。