植物生長調(diào)節(jié)劑在我國微藻培養(yǎng)中的應用研究

辛榮

摘要 概述了植物調(diào)節(jié)劑在微藻培養(yǎng)中的應用情況，包括植物調(diào)節(jié)劑的種類，在促進微藻增殖生長及促進代謝產(chǎn)物增加方面的作用。植物生長調(diào)節(jié)劑毒性及殘留問題值得重視，做好其應用后的效果評價和安全評價必不可少。

關(guān)鍵詞 植物調(diào)節(jié)劑；微藻生長；代謝產(chǎn)物

中圖分類號 S482.8 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2016）04-0133-03

Research Progress of Plant Growth Regulators in Microalgae Breeding

XIN Rong

（Marine Engineering Department，Rizhao Polytechnic，Rizhao Shandong 276826）

Abstract In this paper，the current status of plant growth regulator in the application of microalgae breeding were introduced，including the category and effects on microalgae growth and secondary metabolic products.The toxicity and residue problems must be paid attention，making the effectiveness and safety evaluation after application was indispensable.

Key words plant growth regulator；microalgae growing；secondary metabolic products

植物生長調(diào)節(jié)劑是人工合成的具有與天然激素同等效能甚至更為有效的化合物，能對植物的生長發(fā)育起到調(diào)節(jié)作用，如生長素類、赤霉素類、細胞分裂素類、乙烯和脫落酸[1]。植物生長調(diào)節(jié)劑在提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和改良品質(zhì)方面應用廣泛，為我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和發(fā)展做出了重要貢獻。植物生長調(diào)節(jié)劑的應用具有成本低、收效快、效益高、節(jié)省勞動力等優(yōu)點，已經(jīng)成21世紀農(nóng)業(yè)實現(xiàn)超產(chǎn)和提高商品性的主要措施之一[2]。

微藻是自然水體中最主要的初始生產(chǎn)者，因其個體小、生長周期短、營養(yǎng)豐富、容易培養(yǎng)、經(jīng)濟價值高而備受重視。目前，在水產(chǎn)養(yǎng)殖上貝類、蝦蟹類和魚類育苗中仍然作為重要的生物餌料，尤其貝類苗種早期培育幾乎全部依賴于微藻生物餌料。20世紀80年代，隨著生物工程技術(shù)在微藻上的應用，某些可以異養(yǎng)培養(yǎng)的種類可進行大規(guī)模的生產(chǎn)。除了在水產(chǎn)上作為生物餌料外，微藻在食品、飼料添加劑、生物活性物質(zhì)提取及新能源等方面有著重要的經(jīng)濟價值[3-4]。因此，提高其生長速率、產(chǎn)量及活性物質(zhì)的含量具有重要的意義，除基因工程外，外源激素的調(diào)劑也是一種方法。自20世紀80年代我國科研工作人員已開始探討外源性植物生長調(diào)節(jié)劑在微藻培養(yǎng)中的應用，迄今已在多種經(jīng)濟微藻中進行過研究[5]。

1 微藻培養(yǎng)中主要植物生長調(diào)節(jié)劑類型

在作物農(nóng)業(yè)上應用的調(diào)節(jié)劑按生化功效分主要有三大類：植物生長促進劑、植物生長抑制劑及延緩植物生長的延緩劑，共約100多種[2，6]。在微藻中常用的種類除脫落酸（ABA）外大都是促生長型的，如2，4一二氯苯氧乙酸（2，4-D）、6-芐嘌呤（6-BA）、奈乙酸（NAA）、赤霉素（GA3）、吲哚乙酸（IAA）、吲哚丁酸（IBA）、三十烷醇（TA）、乙烯利（2-氯乙基磷酸ETH）等[5，7-25]。其中6-芐基腺嘌呤（6-BA）是一種人工合成的細胞分素，有促進細胞分裂、延緩衰老等作用。萘乙酸（NAA）系萘類是有生長素類活性的植物生長調(diào)節(jié)劑，廣泛分布于各種植物體內(nèi)，具有促進生長點細胞的分裂和非生長點細胞的伸長等功能。吲哚丁酸、萘乙酸、2，4-D、6-芐基氨基嘌呤能促進生根，在農(nóng)作物和園藝上可促進插枝生根，延緩或促進器官脫落，控制雌雄性別，誘導單性結(jié)實，促進發(fā)芽；促進莖葉生長，促進細胞擴大，延緩葉片衰老，破除休眠芽，抑制植株生長及矮化，促進果實成熟，促進器官脫落等作用。

2 在促進微藻增殖方面的作用

2.1 促進微藻細胞的增殖作用濃度

在研究微藻生長方面，通常采用測定生長率、葉綠素含量、藻細胞的干重、光合作用與呼吸作用強度、氮元素的消耗等方面來反映，試驗證明：植物生長調(diào)節(jié)劑對近20種單胞藻的生長有明顯的促進作用，適當添加可促進微藻的生長，縮短培養(yǎng)周期，增加生物量和次生代謝產(chǎn)物的積累，對于提高工業(yè)化生產(chǎn)的經(jīng)濟效益將具有重要意義。不同的植物生長調(diào)節(jié)劑對不同的微藻所起的作用亦不同，如2，4-D、6-BA在一定的濃度范圍對綠藻、金藻類都有明顯的生長促進作用，但對三角褐指藻和牟氏角毛藻促進作用不明顯或有一定的抑制作用[7]，赤霉素（GA3）對雨生紅球藻、扁藻、杜氏鹽藻等有促進作用，卻對綠色巴夫藻不起作用[8]，螺旋藻對GA3要比NAA、6-BA更敏感[10]。孟春曉等用赤霉素誘導培養(yǎng)的鹽藻，相較于對照組，0.05 mg/L赤霉素處理藻細胞生物量提高60%左右，β-胡蘿卜素含量提高16.8%[9]，脫落酸（ABA）加入鹽藻SZ-05培養(yǎng)體系后，在鹽脅迫條件下檢測β-胡蘿卜素和多糖發(fā)現(xiàn)，脫落酸能明顯促進鹽藻的生長，使鹽藻SZ-05的生物量提高了16.94%，β-胡蘿卜素含量提高了11.6%，多糖含量提高了22.31%[11]。

2.2 作用微藻細胞增長的時間

不同濃度的植物調(diào)節(jié)對藻增殖的起作用時間和持續(xù)時間也有所不同，TA、6-BA、IBA、2，4-D、IAA對綠色巴夫藻生長起促進作用，低濃度在第1天就開始影響藻的生長，最佳濃度從第2天開始對藻生長起調(diào)節(jié)作用，且持續(xù)性較長，可維持到第8天。高濃度在培養(yǎng)最初幾天，對藻生長作用較弱，培養(yǎng)4 d后，對藻作用增大，比低濃度有相對較好的持續(xù)性。調(diào)節(jié)劑的使用通?？梢钥s短延緩期和延長指數(shù)生長期，如TA處理綠色巴夫藻，可以縮短延緩期，延長了指數(shù)生長期，使靜止期延后，TA對綠色巴夫藻的增殖效果明顯[8]。鈍頂螺旋藻NAA激素的添加使對數(shù)期增加至9 d，而且每天的生物量均大于空白樣，加入植物激素確實在一定程度上加速藻體細胞增殖分裂，并明顯延長其對數(shù)期[11]。奈乙酸（NAA）、6-芐基嘌呤（6-BA）、2，4-二氯苯氧乙酸（2，4-D）、赤霉素（GA3）主要對雨生紅球藻的細胞增殖在生長前期作用不明顯，在對數(shù)生長期有明顯的促進作用，質(zhì)量（干）和蝦青素含量有明顯的增加[14]。

2.3 多種植物調(diào)節(jié)劑作用疊加效果

多種植物調(diào)節(jié)劑的疊加顯示不同的激素間存在相互的疊加作用，生長素、 細胞分裂素及生長素與細胞分裂素的比值共同控制著細胞分裂與生長，在組織或細胞培養(yǎng)時，培養(yǎng)基中植物激素成分一般都是由生長素與細胞分裂素組合。如NAA、IAA和GA3具有相輔相成或相加的作用，對扁藻有增效作用，而GA3與6-BA的組合，對扁藻生長表現(xiàn)出抑制作用[5]。IBA與6-BA組合成雙因子共同作用于小球藻，當IBA濃度為20 mg/L，6-BA高濃度時，更有助于小球藻的異養(yǎng)生長，而且IBA與6-BA對小球藻異養(yǎng)生長的作用并非簡單的單因子加合效應[12]。同樣，三十烷醇（TA）、吲噪乙酸（IAA）、赤霉素（GA3）培養(yǎng)2種底棲硅藻的的最佳質(zhì)量濃度配比也不是最佳單因子濃度的的疊加量值[13]。

另外，不同的培養(yǎng)方式對植物調(diào)節(jié)劑的需求量也有所不同，例如異養(yǎng)培養(yǎng)的小球藻對IAA、IBA的最佳濃度高達20 mg/L[12]，通常要高于一般的自養(yǎng)培養(yǎng)的最佳濃度。其原因可能與小球藻異養(yǎng)培養(yǎng)密度比較高，抑或與其生理機制有關(guān)。

3 植物調(diào)節(jié)劑對次生代謝物積累的影響

微藻次生代謝產(chǎn)物包括蛋白質(zhì)、維生素、生物活性多糖、高度不飽和脂肪酸、類胡蘿卜素等，不同藻屬不同品系的微藻所含有的代謝產(chǎn)物也有所不同，如某些品系的小球藻和雨生紅球藻可以生產(chǎn)蝦青素，鹽藻可產(chǎn)胡蘿卜素和甘油等。諸多植物生長調(diào)節(jié)劑在促進藻細胞增殖的情況下同樣促進了其次生代謝產(chǎn)物的增加。雨生紅球藻細胞內(nèi)含有大量的蝦青素，具有比較好的開發(fā)前景。為了獲得更多的蝦青素，通常采用二階培養(yǎng)法，先利用紅球藻最適條件促進紅球藻的生長再改變培養(yǎng)條件使紅球藻快速合成蝦青素[15]。崔寶霞等通過添加0.5 mg/L的6-BA、0.1 mg/L的GA3、0.5 mg/L的NAA培養(yǎng)雨生紅球藻，可促進蝦青素的積累，2，4-D雖能顯著提高細胞的干重，但對雨生紅球藻的蝦青素酯積累無明顯促進作用[14]；高政權(quán)等在雨生紅球藻對數(shù)生長期的藻液中分別加入一系列不同濃度的乙烯利溶液，水楊酸、九二○（赤霉素）外源赤霉素、2，4-二氯苯氧乙酸（2，4-D）等脅迫培養(yǎng)，誘導細胞內(nèi)蝦青素的合成積累，可以促進雨生紅球藻積累蝦青素；2 mg/L的ABA處理對雨生紅球藻，發(fā)現(xiàn)其對蝦青素積累具顯著的促進作用，使細胞完全變紅的周期比對照縮短了36.4%，且蝦青素產(chǎn)量比對照提高了40.4%，增產(chǎn)效果非常明顯[16-21]。ABA能促進紫球藻胞外多糖的產(chǎn)生[22]。激素也可以顯著地影響螺旋藻的代謝產(chǎn)物含量，對于鈍頂螺旋藻和極大螺旋藻，GA能夠使胞外和胞內(nèi)總糖含量增加；6-BA使胞內(nèi)蛋白含量提高；NAA使SOD酶比活力提高[11]。

雖然植物調(diào)節(jié)劑能促進細胞增長，提高生產(chǎn)量，但與促進代謝物增加的濃度并不完全一致[23]。添加10 μmol/L的IAA對藻株的生長有明顯的促進作，其最大生物量比對照組增加了58.24%，但其油脂含量卻比對照組降低了34.71%；而當增加IAA濃度為20 μmol/L時，對藻株的生長表現(xiàn)出明顯的抑制作用，其最大生物量比對照組減少了53.60%，但其油脂含量與對照 組相比增加了95.46%。添加2 μmol/L，ABA對藻株生長的抑制作用極其明顯，其生物量比對照組降低了57.52%，但其油脂含量與對照組相比顯著提高，提高了121.49%[24]。

對外源基因表達上，適宜濃度的IBA、6-BA、赤霉酸和氯化膽堿均促進轉(zhuǎn)基因魚腥藻7120生長，提高其生物量，不影響外源基因表達，高濃度植物生長調(diào)節(jié)劑則抑制藻細胞生長，降低外源基因表達水平。植物生長調(diào)節(jié)劑混合施用促進轉(zhuǎn) 基因魚腥藻生長效果不如單一因子好，外源基因表達水平也略有下降[25]。

4 植物生長調(diào)節(jié)劑的機理與毒性

植物生長調(diào)節(jié)劑是合成的化合物，可以調(diào)控核酸、蛋白質(zhì)、酶、糖等合成，其作用機理根據(jù)種類不同而不同，2，4-D和NAA促進質(zhì)子分泌到細胞壁，使細胞松弛，加快延伸，并促進RNA和蛋白質(zhì)的生物合成；細胞分裂素6-BA促進轉(zhuǎn)錄，加速翻譯速度；GA能促進細胞分裂和細胞擴大等[26-27]，植物生長調(diào)節(jié)劑在應用時超過一定的濃度對微藻生長會起抑制作用。

植物調(diào)節(jié)劑雖然不是高毒產(chǎn)物但是大都屬于農(nóng)藥類，在應用時必須注意其殘毒。植物生長調(diào)節(jié)劑在植物體內(nèi)通過酶作用或化學作用逐漸降解，藥效也逐漸消失，其殘留量的多少取決于用藥濃度、數(shù)量多少、時間長短等，同時其也與光照、酸堿度等周圍環(huán)境有關(guān)，應注意切實做到用藥安全。

5 展望

植物生長調(diào)節(jié)劑在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中已顯示出巨大的增產(chǎn)潛力和可觀的經(jīng)濟效益。它已成為提高植物生產(chǎn)力和實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的先進科技手段，成為當今農(nóng)業(yè)高產(chǎn)、高效、 優(yōu)質(zhì)栽培模式研究的熱點之一。作為一種新興的生物技術(shù)，植物生長調(diào)節(jié)劑正向著高效低毒、生物活性高、價廉、全方位應用方向發(fā)展[1]。但在微藻培養(yǎng)中在實際生產(chǎn)中并不常見，在試驗研究中可見其能促進微藻的生長，縮短延緩期，提高產(chǎn)量，對其在水中及植物體內(nèi)的殘留及后期對以微藻為食的生物的次級毒性效應并不多見。但其使用方便，價格低廉，期望在保證安全的前提下，植物生長調(diào)節(jié)劑也能在微藻培養(yǎng)有所應用。

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