陳家宇,李嘉儀,竇勇,*,吳琳,任虹燁,閆永芳,周文禮,于士國(guó)
(1.天津農(nóng)學(xué)院天津市水產(chǎn)生態(tài)及養(yǎng)殖重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津300384;2.天津蘊(yùn)華農(nóng)業(yè)科技發(fā)展有限公司,天津 301823)
雨生紅球藻(Haematococcus pluvialis)是一種單細(xì)胞微藻,在分類(lèi)學(xué)上隸屬于綠藻門(mén)、綠藻綱、團(tuán)藻目、紅球藻科、紅球藻屬。細(xì)胞寬約 19 μm~51 μm,長(zhǎng)約28 μm~63 μm,生殖方式為單細(xì)胞孢子生殖或合子生殖。雨生紅球藻的生活史呈現(xiàn)多樣性,但主要分為游動(dòng)階段細(xì)胞和不動(dòng)階段細(xì)胞兩種狀態(tài)。游動(dòng)階段細(xì)胞呈卵圓形或橢圓形,細(xì)胞運(yùn)動(dòng)依靠?jī)蓷l頂生、等長(zhǎng)的鞭毛,這一階段的細(xì)胞大多呈綠色,偶爾也呈紅色;不動(dòng)階段細(xì)胞呈圓形,沒(méi)有鞭毛不能運(yùn)動(dòng),主要呈現(xiàn)紅色,在此階段微藻細(xì)胞開(kāi)始逐漸合成并積累蝦青素。雨生紅球藻細(xì)胞內(nèi)蝦青素含量占到干重的1.5%~10%,因此被公認(rèn)為自然界中生產(chǎn)天然蝦青素的最佳生物[1]。2010年11月11日國(guó)家衛(wèi)生部批準(zhǔn)將雨生紅球藻納入新資源食品目錄,成為少數(shù)幾種獲得國(guó)家認(rèn)可的食品級(jí)微藻。在水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域雨生紅球藻同樣有著廣泛應(yīng)用,由于粒徑適中、營(yíng)養(yǎng)豐富常用作魚(yú)蝦育苗的開(kāi)口餌料。另外雨生紅球藻在生長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生堿性物質(zhì),可以有效中和養(yǎng)殖水體的酸度,起到調(diào)節(jié)水質(zhì)維持環(huán)境健康的作用,因此是水產(chǎn)養(yǎng)殖過(guò)程中最常用的植物性生物餌料之一[2]。
蝦青素(Astaxanthin)是一種脂溶性類(lèi)胡蘿卜素,屬于萜烯類(lèi)不飽和化合物,分子式為C40H52O4。蝦青素最早是從水產(chǎn)動(dòng)物組織、螯蝦外殼及海藻細(xì)胞中發(fā)現(xiàn),是目前為止在自然界有機(jī)體中發(fā)現(xiàn)的抗氧化能力最強(qiáng)的物質(zhì),它清除自由基和單線態(tài)氧淬滅的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于維生素E,比玉米黃質(zhì)、番茄紅素及β-胡蘿卜素等常見(jiàn)抗氧化物質(zhì)的抗氧化能力也要高10倍以上,因此蝦青素具有抑制腫瘤、提高肌體免疫力、清除活性氧和自由基等作用[3-4]。此外蝦青素還有良好的著色效果,可以進(jìn)入生物體并貯存在組織中,使某些動(dòng)物的肌肉和皮膚呈現(xiàn)鮮亮的顏色(如紅鱔魚(yú)、大馬哈魚(yú)等)[5],我國(guó)農(nóng)業(yè)部318號(hào)文中指定天然蝦青素為水產(chǎn)動(dòng)物唯一著色劑。另外蝦青素在在食品、保健品、藥品、化妝品等領(lǐng)域都有很好的應(yīng)用前景。
本研究利用試驗(yàn)生態(tài)學(xué)方法,探索了光照強(qiáng)度、NaNO3和NaCl濃度對(duì)雨生紅球藻光合作用和積累蝦青素的影響,為雨生紅球藻作為“生物反應(yīng)器”高產(chǎn)蝦青素提供一定的數(shù)據(jù)支持。
1.1.1 材料與試劑
KOH、甲醇、丙酮(均為分析純):天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司。
1.1.2 設(shè)備
光照培養(yǎng)箱(KCLP-1000CCFL-CT):東樂(lè)生命科學(xué)公司;浮游植物分類(lèi)熒光儀(PHYTO-PAM WALZ):德國(guó)WALZ有限公司;生物顯微鏡(E200):日本Nikon有限公司;冷凍箱(HYCD-205):青島海爾有限公司;高壓滅菌鍋(HVE-50):北京興盛恒創(chuàng)有限公司;超凈工作臺(tái)(SW-CJ-1FD):上海博訊有限公司;分析天平(TOLEDO PL203):梅特勒-托利公司。
雨生紅球藻來(lái)自天津市水產(chǎn)生態(tài)及養(yǎng)殖重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。試驗(yàn)培養(yǎng)雨生紅球藻采用pH 7的BBM培養(yǎng)基[6]。
1.3.1 對(duì)照組培養(yǎng)條件
將培養(yǎng)至對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期(5×105個(gè)/mL)的雨生紅球藻接種到BBM培養(yǎng)基,光照強(qiáng)度設(shè)置為55 μmol/m2/s,光暗比為 12 h∶12 h,培養(yǎng)溫度為(22±1)℃,每個(gè)試驗(yàn)組設(shè)置3個(gè)平行,每天搖動(dòng)培養(yǎng)瓶6次,防止細(xì)胞附壁或下沉。
1.3.2 光照脅迫培養(yǎng)條件
將培養(yǎng)至對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期(5×105個(gè)/mL)的雨生紅球藻接種到BBM培養(yǎng)基,光照強(qiáng)度設(shè)置5個(gè)梯度,分別為73、127、182、236、291 μmol/m2/s,其它培養(yǎng)條件同 1.3.1。
1.3.3 NaNO3脅迫培養(yǎng)條件
將培養(yǎng)至對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期(5×105個(gè)/mL)的雨生紅球藻接種到不含有NaNO3的BBM培養(yǎng)基,NaNO3濃度設(shè)置 5 個(gè)梯度,分別為 0、0.032、0.065、0.13、0.25 g/L,光照強(qiáng)度設(shè)置為55 μmol/m2/s,其它培養(yǎng)條件同1.3.1。
1.3.4 NaCl脅迫培養(yǎng)條件
將培養(yǎng)至對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期(5×105個(gè)/mL)的雨生紅球藻接種到不含有NaCl的BBM培養(yǎng)基,NaCl濃度設(shè)置5 個(gè)梯度,分別為 0、5、7.5、10、12.5 g/L,光照強(qiáng)度設(shè)置為 55 μmol/m2/s,其它培養(yǎng)條件同 1.3.1。
試驗(yàn)周期為26 d,每2 d取樣測(cè)定雨生紅球藻細(xì)胞的葉綠素?zé)晒鈪?shù)和蝦青素含量。
1.4.1 葉綠素?zé)晒鈪?shù)測(cè)定
利用熒光分析儀(PHYTO-PAM WALZ)測(cè)定葉綠素?zé)晒鈪?shù),在測(cè)定開(kāi)始前將取得的樣品避光暗處理15 min,然后通過(guò)讀取參數(shù)得出最大光能轉(zhuǎn)化效率(Fv/Fm)、實(shí)際光能轉(zhuǎn)化效率(PSⅡ)、有效光能轉(zhuǎn)化效率值(Yield)。
1.4.2 蝦青素含量測(cè)定
參照李嘉儀等[7]以及韋韜等[8-9]的方法測(cè)定蝦青素含量。取5 mL藻液進(jìn)行離心,棄去上清液,加入5 mL超純水清洗,重復(fù)兩次。然后用5 mL的5%氫氧化鉀+30%甲醇水混合溶液破壞葉綠素5 min,棄去上清液后加5 mL超純水清洗兩次。棄去上清液后將收集到的藻泥中加入2 mL丙酮,用細(xì)胞破碎儀處理10 min,4℃離心15 min(10 000 r/min),保留上清液,重復(fù)以上操作,直至藻團(tuán)呈白色,色素提取完全為止。
蝦青素的含量參照Davies等的采用公式[10]:
蝦青素(mg/L)=4.6×A480ast×稀釋倍數(shù)
使用SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析,采用Duncan’s多重比較檢驗(yàn)處理組均值的差異顯著性,顯著性水平設(shè)定為0.05。利用EXCEL 2016進(jìn)行繪圖。
田力(1965.06.15-),女,漢族,河南人,博士,河南中醫(yī)藥大學(xué)副校長(zhǎng),研究方向:超聲醫(yī)學(xué),e-mail:tianli@hactcm.edu.cn。
光照脅迫對(duì)雨生紅球藻葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響見(jiàn)圖1。
圖1 光照強(qiáng)度對(duì)雨生紅球藻熒光參數(shù)的影響Fig.1 Effect of light intensity on fluorescence parameters of Haematococcus pluvialis
隨脅迫時(shí)間延長(zhǎng),光照脅迫處理組微藻Fv/Fm和Yield參數(shù)均低于對(duì)照組,而對(duì)照組的Fv/Fm值一直維持在0.5~0.6之間。隨著試驗(yàn)的進(jìn)行,雨生紅球藻Fv/Fm值在第4天后出現(xiàn)明顯下降,在第10天后趨于穩(wěn)定,在第26天各試驗(yàn)組微藻Fv/Fm較初始水平下降了8%~37.9%。在第16、18、24和26天光照脅迫處理組的Fv/Fm顯著低于對(duì)照組(P<0.05),光照脅迫處理組Fv/Fm在第10天后顯著上升然后逐漸趨于穩(wěn)定,且不同強(qiáng)度的光照脅迫組之間并差異不顯著(P>0.05)。
光照脅迫對(duì)雨生紅球藻積累蝦青素的影響見(jiàn)圖2。
圖2 光照強(qiáng)度對(duì)雨生紅球藻積累蝦青素的影響Fig.2 Effect of light intensity on accumulation of astaxanthin in Haematococcus pluvialis
由圖2可知,在光照脅迫處理下雨生紅球藻胞內(nèi)蝦青素含量逐漸升高,各光照脅迫處理組與對(duì)照組相比均存在顯著差異(P<0.05)。當(dāng)光照強(qiáng)度較低時(shí)(55 μmol/m2/s~73 μmol/m2/s) 微藻細(xì)胞內(nèi)蝦青素含量較低僅為2.5 mg/L~4 mg/L,而高強(qiáng)度光照能夠促進(jìn)雨生紅球藻積累蝦青素的過(guò)程,光照強(qiáng)度127、182、236 μmol/m2/s條件下雨生紅球藻胞內(nèi)蝦青素水平明顯上升。在試驗(yàn)的第24天光照強(qiáng)度為236 μmol/m2/s的處理組微藻積累蝦青素水平達(dá)到最高值9.01 mg/L,較對(duì)照組提高了55.5%。
NaNO3脅迫對(duì)雨生紅球藻葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響見(jiàn)圖3。
由圖3可知,微藻細(xì)胞Fv/Fm整體呈先上升后逐漸下降的趨勢(shì),各NaNO3脅迫處理組較對(duì)照組有顯著差異(P<0.05),無(wú)NaNO3處理組Fv/Fm在第10天達(dá)到最高值。NaNO3濃度為0.13和0.25 g/L時(shí),雨生紅球藻細(xì)胞的Fv/Fm和Yield與對(duì)照組相比差異并不顯著(P>0.05)。
圖3 NaNO3濃度對(duì)雨生紅球藻熒光參數(shù)的影響Fig.3 Effect of NaNO3concentration on fluorescence parameters of Haematococcus pluvialis
NaNO3脅迫對(duì)雨生紅球藻積累蝦青素的影響如圖4所示。
由圖4可知,NaNO3濃度為0時(shí)微藻細(xì)胞內(nèi)積累蝦青素的水平顯著高于其他試驗(yàn)組(P<0.05)。氮缺乏是雨生紅球藻積累蝦青素的主要影響因子之一,但雨生紅球藻細(xì)胞在綠色游動(dòng)階段會(huì)積累一定水平的氮源,當(dāng)細(xì)胞處于缺氮環(huán)境時(shí)會(huì)首先消耗自身儲(chǔ)存的氮源,等氮素全部消耗完畢后才開(kāi)始積累蝦青素。無(wú)NaNO3處理組雨生紅球藻在前14 d積累蝦青素速率較低,第14天到第22天蝦青素合成速率明顯加快,并于第22天達(dá)到峰值5.60 mg/L,此時(shí)微藻胞內(nèi)蝦青素含量較第14天時(shí)增高了34%。
圖4 NaNO3濃度對(duì)雨生紅球藻積累蝦青素的影響Fig.4 Effect of NaNO3concentration on accumulation of astaxanthin in Haematococcus pluvialis
由圖5可知,試驗(yàn)期間NaCl脅迫處理的雨生紅球藻細(xì)胞Fv/Fm和Yield基本維持穩(wěn)定,NaCl濃度為10和12.5 g/L時(shí)雨生紅球藻的Fv/Fm和Yield值均低于對(duì)照組,而NaCl濃度為5 g/L時(shí)微藻細(xì)胞Fv/Fm和Yield值均高于對(duì)照組。
NaCl脅迫對(duì)雨生紅球藻積累蝦青素的影響如圖6所示。
由圖6可知,在NaCl脅迫處理下雨生紅球藻細(xì)胞內(nèi)蝦青素含量呈先逐漸升高后趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì),其中5、7.5、10 g/L濃度組胞內(nèi)蝦青素含量與對(duì)照組相比差異顯著(P<0.05),12.5 g/L濃度組與對(duì)照組相比差異不顯著(P>0.05)。從試驗(yàn)第12天后7.5 g/L濃度組微藻細(xì)胞積累蝦青素水平顯著高其它試驗(yàn)組(P<0.05),在第24天微藻細(xì)胞內(nèi)積累蝦青素含量達(dá)到峰值,較其它試驗(yàn)組提高了13%~45%。當(dāng)5、7.5、10 g/L濃度組時(shí)雨生紅球藻積累蝦青素的水平顯著高于12.5g/L濃度組(P<0.05)。
圖5 NaCl濃度對(duì)雨生紅球藻熒光參數(shù)的影響Fig.5 Effect of NaCl concentration on fluorescence parameters of Haematococcus pluvialis
圖6 NaCl濃度對(duì)雨生紅球藻積累蝦青素的影響Fig.6 Effect of NaCl concentration on accumulation of astaxanthin in Haematococcus pluvialis
微藻細(xì)胞葉綠素?zé)晒鈪?shù)主要受PSⅡ光合反應(yīng)中心結(jié)合的醌受體QA的氧化還原狀態(tài)以及光合電子傳遞過(guò)程中產(chǎn)生的熱耗散控制[11]。Hernando等研究表明高強(qiáng)度的光照會(huì)抑制微藻細(xì)胞PSⅡ光合反應(yīng)中心的活性,當(dāng)超出PSII自我修復(fù)的能力時(shí),藻細(xì)胞會(huì)受到明顯的傷害[12]。
雨生紅球藻的生長(zhǎng)、繁殖與蝦青素的積累與光照強(qiáng)度關(guān)系密切。在適宜的光強(qiáng)范圍內(nèi),光照強(qiáng)度提高可促進(jìn)雨生紅球藻的光合作用,加強(qiáng)藻細(xì)胞生理代謝和物質(zhì)合成,但當(dāng)光照強(qiáng)度超過(guò)雨生紅球藻的承受能力,微藻光合作用將受到抑制[13]。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在第24天,光照強(qiáng)度為236 μmol/m2/s的處理組藻細(xì)胞內(nèi)蝦青素水平最高達(dá)9.01 mg/L,且顯著高于其它試驗(yàn)組(P<0.05),但是當(dāng)光照強(qiáng)度達(dá)到291 μmol/m2/s時(shí)微藻細(xì)胞內(nèi)蝦青素的積累量下降,僅為7.91 mg/L。有發(fā)現(xiàn)在光照強(qiáng)度為 50 μmol/m2/s~240 μmol/m2/s時(shí),雨生紅球藻細(xì)胞中的蝦青素含量隨著光照強(qiáng)度增強(qiáng)而上升,與本研究的結(jié)論一致。才金玲等[14]認(rèn)為高光強(qiáng)使雨生紅球藻光合作用和含氮化合物的生物合成減弱,微藻細(xì)胞出現(xiàn)脅迫應(yīng)激,細(xì)胞內(nèi)與蝦青素合成相關(guān)的基因被激活,微藻開(kāi)始合成并積累蝦青素,而蝦青素具有保護(hù)細(xì)胞免受脅迫傷害的作用[15]。
氮是微藻不可或缺元素,氮缺乏會(huì)影響微藻的生長(zhǎng)繁殖,干擾葉綠素、蛋白質(zhì)及核酸等大分子的生物合成,并削弱光合反應(yīng)速率和水平[16-17]。Marin等[18]發(fā)現(xiàn)氮脅迫使杜氏鹽藻的Fv/Fm水平下降,與本研究的結(jié)果一致。在氮脅迫初期雨生紅球藻葉綠素?zé)晒鈪?shù)均有不同程度變化,說(shuō)明微藻受到缺氮脅迫時(shí)光化學(xué)活性會(huì)瞬時(shí)升高,脅迫時(shí)間延長(zhǎng)藻細(xì)胞因?yàn)榈厝狈ζ涔夂献饔檬艿揭种?,葉綠素?zé)晒鈪?shù)逐漸恢復(fù)穩(wěn)定。
低氮脅迫可誘導(dǎo)雨生紅球藻細(xì)胞啟動(dòng)合成蝦青素的保護(hù)機(jī)制。Borowitzka等[19]、鄒寧等[20]研究均發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)卦诘蜐舛认戮煽焖倜{迫雨生紅球藻積累蝦青素。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著培養(yǎng)環(huán)境中氮素含量的減少,雨生紅球藻積累蝦青素的水平明顯提高,缺氮可促進(jìn)微藻內(nèi)蝦青素的合成,當(dāng)培養(yǎng)基氮源濃度為0時(shí),經(jīng)過(guò)22 d培養(yǎng)雨生紅球藻細(xì)胞中的蝦青素含量達(dá)到峰值。莊惠如等[21]、楊瑾等[22]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)雨生紅球藻培養(yǎng)基中氮元素的濃度減少一半時(shí)有利于蝦青素積累,且微藻細(xì)胞內(nèi)的蝦青素水平與氮濃度呈反比,這與本研究的結(jié)論一致。
細(xì)胞葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變化可在一定程度反映環(huán)境因子對(duì)微藻的影響。有研究表明在適宜的環(huán)境條件下Fv/Fm趨于穩(wěn)定,當(dāng)微藻細(xì)胞受到高鹽脅迫處理后該值明顯下降[23],本研究中高鹽脅迫下NaCl濃度為10、12.5 g/L,雨生紅球藻細(xì)胞的Fv/Fm均低于對(duì)照組的結(jié)果正印證了這一點(diǎn)。高鹽脅迫抑制藻類(lèi)光合作用的影響機(jī)制主要表現(xiàn)在PSⅡ受到氧化損傷[24]以及轉(zhuǎn)換態(tài)轉(zhuǎn)換而引起的損傷[25]。
高鹽脅迫是誘導(dǎo)雨生紅球藻合成蝦青素常用方法,探究適宜鹽濃度范圍對(duì)雨生紅球藻高效合成蝦青素有重要的實(shí)踐意義[26]。雖然高鹽脅迫對(duì)雨生紅球藻細(xì)胞的生長(zhǎng)存在抑制,但能促進(jìn)雨生紅球藻綠色細(xì)胞快速轉(zhuǎn)變?yōu)榧t色孢子狀并累積蝦青素。本研究發(fā)現(xiàn)高鹽脅迫處理促進(jìn)雨生紅球藻細(xì)胞積累蝦青素,在試驗(yàn)第22天試驗(yàn)組微藻細(xì)胞積累蝦青素水平達(dá)到峰值并趨于穩(wěn)定,第24天高鹽脅迫使雨生紅球藻細(xì)胞全部由綠色游動(dòng)階段轉(zhuǎn)變?yōu)榧t色不動(dòng)孢子,與Huang的研究結(jié)果一致。Huang等[27]的研究發(fā)現(xiàn)濃度低于10 g/L的NaCl能誘導(dǎo)雨生紅球藻快速積累蝦青素。Boussiba等[28]的研究表明當(dāng)培養(yǎng)環(huán)境中的NaCl濃度增加3倍時(shí),雨生紅球藻合成蝦青素的速率明顯上升。然而高鹽脅迫促進(jìn)雨生紅球藻合成蝦青素的具體調(diào)控機(jī)制制目前尚不清楚,有待進(jìn)一步探究。
1)光照脅迫處理組微藻Fv/Fm和Yield參數(shù)均低于對(duì)照組。在光照脅迫處理下雨生紅球藻胞內(nèi)蝦青素含量逐漸升高,各光照脅迫處理組與對(duì)照組相比均存在顯著差異(P<0.05)。高強(qiáng)度光照能夠促進(jìn)雨生紅球藻積累蝦青素的過(guò)程,在試驗(yàn)的第24天光強(qiáng)為236 μmol/m2/s的處理組微藻積累蝦青素水平達(dá)到最高值9.01 mg/L,較對(duì)照組提高了55.5%。
2)NaNO3脅迫處理使雨生紅球藻細(xì)胞Fv/Fm整體呈先上升后逐漸下降的趨勢(shì),各NaNO3脅迫處理組較對(duì)照組有顯著差異(P<0.05)。NaNO3濃度為0 g/L時(shí)微藻細(xì)胞內(nèi)積累蝦青素的水平顯著高于其他試驗(yàn)組(P<0.05)。無(wú)NaNO3處理組雨生紅球藻在前14 d積累蝦青素速率較低,第14天到第22天蝦青素合成速率明顯加快,并于第22天達(dá)到峰值5.60 mg/L。
3)NaCl脅迫處理下的雨生紅球藻細(xì)胞Fv/Fm和Yield基本維持穩(wěn)定。在NaCl脅迫處理下雨生紅球藻細(xì)胞內(nèi)蝦青素含量呈先逐漸升高后趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì),其中5、7.5、10 g/L濃度組胞內(nèi)蝦青素含量與對(duì)照組相比差異顯著(P<0.05),12.5 g/L濃度組與對(duì)照組相比差異不顯著(P>0.05)。從試驗(yàn)第12天后7.5 g/L濃度組微藻細(xì)胞積累蝦青素水平顯著高其它試驗(yàn)組(P<0.05),在第24天微藻細(xì)胞內(nèi)積累蝦青素含量達(dá)到峰值。