低盐胁迫后两种龙须菜(Gr...)叶绿素荧光特征的对比分析_李晓梅.pdf

128 海洋科学/2022 年/第 46 卷/第 12 期 低盐胁迫后两种龙须菜(Gracilariopsis lemaneiformis)叶绿素荧光特征的对比分析 李晓梅1,2,3,杨晓琪1,2,段德麟1,2(1.中国科学院海洋研究所 海洋大科学研究中心 实验海洋生物学重点实验室,山东 青岛 266071;2.青岛海洋科学与技术试点国家实验室 海洋生物学与生物技术功能实验室,山东 青岛 266237;3.中国科学院大学,北京 100049)摘要:以龙须菜 981 品种和其绿色突变型为材料,运用叶绿素荧光分析技术,比较低盐胁迫(盐度 28和 22)下二者光合生理的差异。研究结果证实,在正常状态下,龙须菜绿色突变型具有较高的光能利用效率()、最大相对电子传递速率(rETRmax)、半饱和光强(Ik)和光性能指数(PIabs),表明其光合性能优于龙须菜 981。在 2 种低盐条件下培养 3 d,盐度 28 处理后,龙须菜 981 的最大相对电子传递速率下降了20.4%,而龙须菜绿色突变型无显著变化,表明盐度 28 可使龙须菜 981 的光合活性减弱。在盐度 22 培养 3 d 后,龙须菜 981 的最大光量子产量(FV/Fm)下降幅度高达 16.0%,而龙须菜绿色突变型的下降幅度为 11.9%;龙须菜 981 电子传递的量子产额(EO)下降了 20.3%,而龙须菜绿色突变型则无显著变化;另外,盐度 22 处理后,龙须菜 981 的光能利用效率和最大相对电子传递速率分别下降 31.5%和 22.1%,下降幅度均高于龙须菜绿色突变型,这表明龙须菜绿色突变型光合活性对低盐胁迫的耐受性高于龙须菜981。关键词:龙须菜;低盐胁迫;叶绿素荧光 中图分类号:Q945.11;Q946 文献标识码:A 文章编号:1000-3096(2022)12-0128-10 DOI:10.11759/hykx20220321002 龙须菜(Gracilariopsis lemaneiformis)隶属红藻门(Rhodophyta)江 蓠 目(Gracilariales)龙 须 菜 属(Gracilariopsis),是一种生长在潮间带的大型经济红藻1。龙须菜富含红藻多糖、膳食纤维、维生素等物质,具有降血压和调节血脂的功效,因而是健康海洋食品的来源2-4。龙须菜是琼胶提取的重要原料5-6,近 20 年来已在我国南、北方实现了规模化养殖。2015 年,以龙须菜/江蓠属为原料制备的琼胶产量达到 114 100 t(干质量),约占世界琼胶产量的 91%2,7。龙须菜还可用作鲍养殖的活鲜饵料3。与许多大型海藻一样,龙须菜养殖对“碳汇渔业”发挥重要贡献8。目前在中国,龙须菜养殖产量仅次于海带,已成为第二大海藻养殖对象9。温度、盐度、营养盐、光照等是影响龙须菜生长的重要因素。高温能够诱发龙须菜氧化应激,造成龙须菜细胞损伤,严重时甚至会导致藻体死亡10。Kang 等11认为龙须菜在高浓度 CO2和 NH4+培养,可提高光合效率,增加生长速率。强光可促进龙须菜的光合作用12。在低盐和高盐条件下,龙须菜光合放氧速率显著下降且呼吸速率明显提高,从而导致生长速率降低13。盐度是影响海藻生长的最重要因素之一,盐度会影响藻类的生理活性,从而影响其生长1,14-15。受潮间带环境的影响,龙须菜需要经历周期性的低潮失水变化,此时暴雨天气会使藻体面临低盐胁迫。生长在低盐条件下的龙须菜叶绿素含量降低,类胡萝卜素含量升高,以提高其在低盐条件下的光保护能力16。Chang等17发现低盐能促进龙须菜琼胶产量积累以维持细胞形态。蔡西栗等18发现低盐胁迫后龙须菜细胞色素体结板层结构明显肿胀且细胞间孔状联系部分受到破坏,细胞内红藻淀粉颗粒变少。目前,低盐如何影响龙须菜光合作用的研究未见报道。收稿日期:2022-03-21;修回日期:2022-04-17 基金项目:山东省自然科学基金(ZR2019BC024)Foundation:Shandong Provincial Natural Science Foundation.No.ZR2019BC024 作者简介:李晓梅(1996),女,山东青岛人,硕士研究生,从事海藻生理研究,E-mail:;段德麟(1963),通信作者,男,博士,研究员,主要从事海藻遗传与发育研究,E-mail: Marine Sciences/Vol.46,No.12/2022 129 本研究以龙须菜 981 和其绿色突变型为对象,通过对比其叶绿素荧光特征,探讨低盐条件(盐度 28和 22)下光合生理响应机制差异,可为龙须菜响应低盐胁迫应答提供理论依据,也可为低盐环境下龙须菜养殖品种的选择提供参考。1 材料与方法材料与方法 1.1 材料采集材料采集 实验所用龙须菜 981(编号 Wt)和其绿色突变型(编号 Gr)均采自山东高绿水产养殖有限公司(122.6E,37.2N)。龙须菜绿色突变型,是龙须菜 981 品种自然突变后连续无性繁殖而获得,其颜色表型稳定(图 1)。从养殖筏架采集上述 2 种龙须菜,低温条件下运回实验室。用海水清洗,去除其表面附着物,分别在过滤的自然海水(盐度为 32),于培养箱(GXZ-280A,宁波江南仪器厂)中预培养 5 d,培养条件:温度 20,光强 72 mol photonsm2s1,光周期 LD=12 h12 h。图 1 龙须菜 981 和龙须菜绿色突变型 Fig.1 Strain 981 and the G.lemaneiformis green mutant 1.2 方法方法 1.2.1 低盐处理低盐处理 使用光学折射盐度计(SYY1-1,济南光学仪器厂)测定自然海水盐度为 32,用去离子水将海水稀释至盐度 28(低盐条件 1)和 22(低盐条件 2)2 种低盐条件。将预培养的龙须菜 981 和龙须菜绿色突变型置于盐度 28和 22两种低盐条件进行胁迫处理,处理过程中温度始终保持 20,低盐胁迫过程中的光强和光周期与预培养条件的一致。采集低盐胁迫处理前(即第 0 天)以及低盐胁迫后第 1 天、第 2 天和第 3 天的龙须菜样品,用于后续的叶绿素荧光生理分析。1.2.2 快速光响应曲线快速光响应曲线(RLC)的测量与分析的测量与分析 挑选生长状态良好的龙须菜 981 和龙须菜绿色突变型藻体(510 cm),使用 Closed FluorCam FC800荧光成像系统(Photon Systems Instruments Ltd.,Brno,Czech Republic)检测二者快速光响应曲线,光合有效辐射(PAR)梯度依次为:0、66.29、169.86、377.00、584.14、791.28、998.42 mol photonsm2s1,持续时间为 10 s,测定相对电子传递速率(relative electron transport rate,rETR),采用 Origin 2018 软件,参照Eilers和Peeters19方法,拟合快速光响应曲线得到光能利用效率()、最大相对电子传递速率(rETRmax)和半饱和光强(Ik)。1.2.3 快速叶绿素荧光诱导动力学曲线快速叶绿素荧光诱导动力学曲线(OJIP)检测检测 采用 Closed FluorCam FC800 荧光成像系统(Photon Systems Instruments Ltd.,Brno,Czech Re-public),对两种龙须菜的叶绿素荧光诱导动力学曲线进行检测,测量前暗适应 15 min。其中 20 s(FO)、2 ms(FJ)、30 ms(FI)和 1 000 ms(FP)分别记录了 O、J、I 和 P 各相的荧光强度,饱和光强度为 3 000 mol photonsm2s1。从获得的 OJIP 曲线各相荧光强度进行 JIP-test 分析20,所得参数如表 1。1.2.4 非光化学淬灭非光化学淬灭(NPQ)的测量的测量 采用 Closed FluorCam FC800 荧光成像系统(Photon Systems Instruments Ltd.,Brno,Czech Re-public),对2种龙须菜的NPQ进行测量,测量前暗适应 15 min。给予待测样品饱和光(光强 3 000 mol photonsm2s1)照射后继续使用远红外光照射,得到NPQ 值,其反映待测样品的热耗散水平。1.2.5 数据分析数据分析 所有数据均以平均数标准差(MeanSD)表示。使用 SPSS(21.0)进行单因素方差分析,P0.05 为显著差异。使用 Origin 2018 和 Excel 软件绘制图形。130 海洋科学/2022 年/第 46 卷/第 12 期 表 1 JIP-test 参数及定义 Tab.1 Definitions of the JIP test parameters 荧光参数 定义 FO=F20 s 初始荧光 FK=F300 s K 相荧光 FJ=F2 ms J 相荧光 FI=F30 ms I 相荧光 Fm=FP 最大荧光 FV=FmFO 可变荧光 FV/Fm PSII 反应中心处于完全开放状态的量子产量 VJ=(FJFO)/(FmFO)J 点相对可变荧光 VI=(FIFO)/(FmFO)I 点相对可变荧光 VK=(FKFO)/(FmFO)K 点相对可变荧光 EO=FV/Fm (1VJ)PSII 反应中心处于完全开放状态的用于电子传递的量子产额 MO=4(FKFO)/(FmFO)归一化荧光上升起点处的斜率 ABS/RC=(MO/VJ)/(1/FV/Fm)PSII 反应中心处于完全开放状态的单位反应中心的光吸收 PIabs=(RC/ABS)FV/Fm/(1FV/Fm)(1VJ)/VJ 以吸收光能为基础的性能指数 Eilers 和 Peeters19建立了浮游植物光合作用速率与光强关系的动态模型,该模型通过最小二乘法对快速光响应曲线进行拟合,拟合公式如下,公式中的 a、b 和 c 是通过模型拟合得到的常数参数。AR2RRARETA PaPbPrc+=+.(1)各参数的计算公式分别是:1=c,(2)ETRmax1 2rbac=+,(3)k2=cIbac+.(4)JIP-test是快速叶绿素荧光诱导动力学分析的数学模型,是专门用来评估毫秒级或微秒级叶绿体氧化还原级联反应的生物物理工具21-22。JIP-test可将瞬时荧光变化转化为参数的定量变化,其代表每一个被检测的捕光复合体的总能量流入和流出之间的平衡,并提供关于吸收能量的可能分配的信息,利用这些方程,可以描述PSII复合体之间的能量通信23。2 结果结果 2.1 龙须菜龙须菜 981 和龙须菜绿色突变型叶绿素荧光对比分析和龙须菜绿色突变型叶绿素荧光对比分析 对正常生长状态下的龙须菜981和龙须菜绿色突变型的OJIP瞬时曲线检测分析,我们发现龙须菜绿色突变型的O、J、I和P相的荧光强度均高于龙须菜981(图2a)。JIP-test分析表明,龙须菜绿色突变型的PIabs高于龙须菜981(图2b,P0.01),说明龙须菜绿色突变型的PSII整体光合性能要高于龙须菜981。另外我们发现,相同光化光梯度下,龙须菜绿色突变型的rETR整体高于龙须菜981(图2c)。指数模型拟合快速光响应曲线(表2)发现,龙须菜绿色突变型的、rETRmax和Ik值均高于龙须菜981,这表明龙须菜绿色突变型的光合效率和半饱和光强均高于龙须菜981。NPQ分析结果表明(图2d),龙须菜绿色突变型的NPQ显著低于龙须菜981(P0.05),说明龙须菜绿色突变型的热耗散水平低于龙须菜981。2.2 低盐胁迫对龙须菜低盐胁迫对龙须菜 981 和龙须菜绿色突变型荧光参数的影响和龙须菜绿色突变型荧光参数的影响 低盐28处理3 d后,龙须菜绿色突变型FV/Fm有微弱下降,幅度为3.6%,而随着胁迫时间的延长,龙须菜981的FV/Fm的下降趋势增大(图3a),下调幅度可达10.2%。在盐度28下,龙须菜绿色突变型的EO无显著变化(图3b),龙须菜981