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荒漠藻类对紫外辐射的响应及其结皮形成的研究
谢作明
Subtype博士
Thesis Advisor刘永定
2006-06-15
Degree Grantor中国科学院水生生物研究所
Place of Conferral水生生物研究所
Keyword荒漠藻 Uv辐射 胞外多糖 胁迫 抗氧化系统 伪枝藻素 藻结皮 叶绿素荧光 光合作用 超微结构
Abstract以爪哇伪枝藻(Scytonema javanicum (Kütz.) Born et Flah)、具鞘微鞘藻(Microcoleus vaginatus Gom.)和纤细席藻(Phormidium tenue (Menegh.) Gom.)为材料,研究了前两种荒漠藻在紫外线(UV)辐射下的形态和超微结构、生理生化特性的变化以及它们消除因UV辐射所导致的氧化胁迫的机理;还对三种荒漠藻规模化培养条件进行了优化,并对它们藻结皮的培植与发育、藻结皮发育阶段理化性质的改变等进行了细致地研究。 经UV辐射后,S. javanicum细胞的直径和体积变小。在增强的UV-B辐射下,培养物变黄且生物量下降,藻细胞沉于液体培养基底部;而在UV-A辐射下,培养物浓度增加,藻细胞浮于液面。通过电镜发现,经UV辐射后,藻细胞中脂肪颗粒和多糖颗粒等与对照相比都有所增加;经UV-A处理后,藻细胞内片层结构更明显,几乎充满整个细胞;在UV-B处理后的藻细胞横切面周边区有一圈透亮小点。 对S. javanicum和M. vaginatus的光合作用研究发现,在低剂量(低于0.4 mW cm-2)的UV-A处理下,S. javanicum的Fv/Fm比值开始出现下降,但随后又上升,48 h后超过对照组,总体上呈现轻微上升。而UV-A使M. vaginatus的Fv/Fm比值有很小的下降。这些说明UV-A辐射对荒漠藻的光合作用影响不大。0.48 mW cm-2的UV-B辐射处理72 h后,S. javanicum的Fv/Fm比值下降到很低水平。UV-B辐射剂量小于0.06 mW cm-2时,S. javanicum的光合放氧速率随剂量的增加而降低较缓慢;当剂量超过0.06 mW cm-2后,光合放氧速率快速降低,当剂量达到0.48 mW cm-2时,藻体的净光合速率为负值。说明较高剂量的UV-B辐射可显著抑制光合作用。 UV辐射对S. javanicum和M. vaginatus的色素变化具有重要影响。UV-A促进这两种荒漠藻叶绿素a、scytonemin、类胡萝卜素和藻蓝蛋白等色素的合成。在UV-B辐射下,S. javanicum和M. vaginatus的叶绿素和藻蓝蛋白含量快速下降,0.48 mW cm-2剂量的UV-B处理96 h后,这两种色素含量已经下降到很低水平。UV-B促进保护色素伪枝藻素和其它类胡萝卜素的合成,辐射剂量越高作用越明显。 UV辐射对藻细胞中可溶性蛋白质、胞内总糖和胞外多糖(EPS)的积累具有显著影响。在UV-A辐射处理下,S. javanicum和M. vaginatus培养物的可溶性蛋白质含量呈先高后低再高的“V”形变化。而UV-B辐射处理组的胞内蛋白质含量呈快速下降趋势,且辐射剂量越高下降越快,最后稳定在较低水平。UV-A辐射对EPS和胞内总糖的影响不明显。EPS产量随UV-B辐射剂量的增加而增加,在剂量为0.24 mW cm-2时达到最大。胞内总糖含量随UV-B辐射剂量的增加而快速上升,超过0.24 mW cm-2后上升比较缓慢,最后趋于稳定。 研究发现,UV-A对M. vaginatus藻细胞中活性氧(ROS)的产生作用较小,UV-B辐射则明显引起藻细胞膜脂过氧化。经UV-B辐射处理,藻细胞中ROS含量快速上升,同时,SOD活性也显著升高。说明UV-B辐射使藻细胞受到氧化胁迫后,激发细胞内的抗氧化系统作出了相应的反应,以清除藻细胞中过量的活性氧自由基。作为膜脂过氧化产物之一的丙二醛(MDA)和防止膜的过氧化的保护物质脯氨酸含量的增加,也说明膜脂系统受到了UV-B辐射的损害。 在半连续培养条件下,更新率为0.35 d-1时,具鞘微鞘藻的生物量增长最快,更新率为0.25 d-1时,EPS产量最高。M. vaginatus生物量和EPS产量都随光照强度的增加而增加,连续培养的光强超过500 mE m-2 s-1后,其生物量产量下降;连续培养的光强超过600 mE m-2 s-1后,EPS的分泌量下降。EPS产量随温度升高而增加,35℃达到最高。整体来讲,半连续培养获得的生物量增长比连续培养的高,而EPS的分泌正好相反。 野外人工结皮中藻接种物的生长速度慢,生长周期长。适当遮荫和浇水有利于荒漠藻结皮的生长和发育。荒漠藻在流沙表面生长3个月左右后,沙米、沙葱和碱草等沙生植物依次出现,且覆盖度逐渐增加,流动沙丘经半固定沙丘向固定沙丘演替,最后流沙被固定。 流沙表面生长的人工荒漠藻结皮可以改变土壤的理化性质。土壤含水量随藻结皮的增厚而增加,且在8月份达到最高;随着荒漠藻的生长和藻结皮厚度的增加,土壤pH呈下降趋势,但都大于7,呈弱碱性;速效养分含量随结皮的发育而增加,速效氮含量变化显著,速效磷含量变化很小,且速效磷含量远比速效氮含量低;随着土壤藻结皮厚度的加大,其有机质、总氮、总磷含量增加。 随着荒漠藻的生长,其生物量不断增加,藻结皮抗压强度在整体上与生物量呈正相关。但在生物量下降时,其抗压强度并没有出现下降,而只是增加速率减缓,表现出一个缓慢增加的状态。混合藻形成的结皮抗压强度比单种藻的高。M. vaginatus, S. javanicum 和 P. tenue按10:1:5的生物量混合接种时,形成的荒漠藻结皮的抗压强度最大,其稳定性也最高;单种藻形成的结皮抗压强度中,M. vaginatus最高,P. tenue次之,S. javanicum最弱。 首次研究了增强的紫外辐射对荒漠藻的损伤机理和荒漠藻对紫外辐射的响应机制,并首次对野外大面积人工藻结皮的培植与发育及其对荒漠土壤理化性质的同步影响进行了深入地研究,为利用藻类治理荒漠化提供了更有效的系统化理论依据。今后还可以从土壤酶在荒漠藻结皮发育中的作用以及人工藻结皮对生态演替的影响等方面作进一步研究。
Pages159
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://ir.ihb.ac.cn/handle/342005/12036
Collection学位论文
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GB/T 7714
谢作明. 荒漠藻类对紫外辐射的响应及其结皮形成的研究[D]. 水生生物研究所. 中国科学院水生生物研究所,2006.
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