吳思瀅,黃炳耀,潘東進,岑 英,余林嬋,姚紹嫦**
(1.廣西中醫(yī)藥大學藥學院,廣西南寧 530200;2 廣西中醫(yī)藥大學海洋藥物研究院,廣西南寧 530200)
三角褐指藻(Phaeodactylumtricornutum)屬于硅藻門(Bacillariophyta)羽紋綱(Pennatae),其體內(nèi)富含活性物質(zhì),如二十碳五烯酸(EPA)、巖藻黃素和甘油脂等,是一種優(yōu)質(zhì)的蛋白餌料、藥物與潛在的生物柴油原材料[1]。巖藻黃素是一類珍稀的含氧類胡蘿卜素,不僅能與葉綠素a(chla)/葉綠素c(chlc)形成蛋白復合物,在光合系統(tǒng)的光捕獲與光傳遞方面發(fā)揮重要作用,而且可作為藥品或保健品,具有抗氧化、減肥、抗腫瘤、抗糖尿病、抗炎、保護視網(wǎng)膜光損傷、保肝等功效,還可以預防前列腺癌、結(jié)腸癌、腦膠質(zhì)瘤等疾病[2,3]。
氮元素是植物生長發(fā)育必需的元素之一,其參與了蛋白質(zhì)、核酸等許多生物大分子的合成。硝酸鹽作為一種常見的氮源,被藻細胞吸收后迅速還原成亞硝酸鹽,然后被轉(zhuǎn)運到葉綠體,同化為氨基酸與其他含氮化合物[4]。隨著人們對硅藻氮代謝途徑的深入研究,越來越多的研究人員開始關(guān)注三角褐指藻在氮脅迫條件下的生長狀態(tài),及其對海洋變暖導致的營養(yǎng)鹽限制等環(huán)境變化的適應能力。大量研究表明,氮限制可抑制三角褐指藻的生長,降低其葉綠素a含量,并加劇其受光抑制程度,抑制巖藻黃素的合成,促進油脂的合成[4-6]。
一氧化氮(Nitric Oxide,NO)是防御反應中的關(guān)鍵信號分子,在參與植物對非生物脅迫的應答過程中發(fā)揮著十分重要的作用。NO對植物抗逆性的調(diào)控作用及機制一直以來都是植物學界研究的熱點,但是目前研究的品種主要集中在花生、水稻、擬南芥等少數(shù)植物上,對海洋單細胞微藻的研究較少[7]。已有研究表明,一些藻類物種擁有不同于胚胎植物的保守一氧化氮合酶,可能存在不同的途徑催化NO的合成[7]。在氮脅迫和高光條件下,褪黑素刺激雨生紅球藻細胞產(chǎn)生NO與水楊酸(SA),兩者相互作用促進巖藻黃素與脂肪酸的積累[8]。NO供體硝普鈉(Sodium Nitroprusside,SNP)能自發(fā)釋放NO,適當濃度(1.0 mmol/L)的SNP處理能緩解一定濃度的鋁對花生根生長的毒害作用[9]。與單獨鹽脅迫(3.0 mol/L)相比,添加低濃度的SNP (0.5-1.0 μmol/L)能促進杜氏鹽藻的生長,顯著提高其葉綠素含量[10]。劉路平[11]發(fā)現(xiàn)SNP對小球藻生長的調(diào)節(jié)具有雙重性,存在“低促高抑”現(xiàn)象,當SNP大于0.5 mmol/L時,小球藻的生長受到明顯的抑制。因此,NO可能脅迫響應的內(nèi)源調(diào)節(jié)因子,提高或降低抗逆性,但其發(fā)生作用方式可能與濃度及脅迫條件有關(guān)。
本研究以硅藻三角褐指藻為研究對象,通過添加外源NO供體SNP及NO清除劑[2-(4-carboxyphenyl)-4,4,5,5-teramethylimidazoline-1-oxyl-3-oxide,cPTIO],探討外源NO在調(diào)控三角褐指藻響應氮脅迫中的作用,研究結(jié)果將為闡釋硅藻響應氮脅迫的作用機制提供直接證據(jù),同時還可為今后通過改進硅藻的培養(yǎng)條件來提高生物量及目標產(chǎn)物的產(chǎn)量提供指導。
本實驗采用的三角褐指藻株系為GY-H9,來源于上海光語生物科技有限公司,于廣西中醫(yī)藥大學藥學院中藥資源研究團隊實驗室保存。利用f/2培養(yǎng)基進行三角褐指藻的培養(yǎng)與保存。
光學顯微鏡(Leica DM2000,德國徠卡儀器有限公司),全波長多功能酶標儀(Tecan Infinite 200 Pro,瑞士帝肯公司),便攜式調(diào)制葉綠素熒光儀(PAM-2500,德國 WALZ公司),倒置熒光顯微鏡(Leica DM2500,德國徠卡儀器有限公司),高效液相色譜儀(LC40,日本島津公司)。
將三角褐指藻置于恒溫光照培養(yǎng)箱中靜置培養(yǎng),每天手動搖瓶 3 次。培養(yǎng)條件為光照強度100 μmol photons/(m2·s),光照周期為光照∶黑暗=12 h∶12 h,培養(yǎng)箱溫度(20±1)℃。每6 d按照藻種∶f/2培養(yǎng)液=1∶1(V∶V)的比例進行擴大培養(yǎng)。
以NaNO3為氮源,初始濃度分別為0 mmol/L、0.2 mmol/L、0.3 mmol/L、0.4 mmol/L、0.5 mmol/L、0.6 mmol/L、0.7 mmol/L、0.8 mmol/L,其中以0.8 mmol/L為適宜濃度(CK),初始接種藻細胞密度為1.00×106cell/mL,連續(xù)培養(yǎng)6 d,每24 h利用光學顯微鏡與血球計數(shù)法[10]統(tǒng)計細胞數(shù)量,每個處理3次生物學重復。
選取在0.8 mmol/L NaNO3濃度下生長6 d的三角褐指藻細胞進行以下處理:①缺氮(N-);②缺氮+NO供體SNP,即N-+200 μmol/L SNP(N-+SNP);③ 缺氮+NO清除劑cPTIO,即N-+50 μmol/L cPTIO (N-+cPTIO);④氮正常(N,0.8 mmol/L);⑤ 氮正常+NO供體SNP,即N+200 μmol/L SNP (N+SNP);⑥氮正常+NO清除劑cPTIO,即N+50 μmol/L cPTIO (N+cPTIO)。初始接種藻細胞密度為1.00×106cell/mL,黑暗處理12 h后,分別對細胞密度、葉綠素a(chla)與葉綠素c(chlc)含量、葉綠素熒光參數(shù)、巖藻黃素含量、油脂相對含量等指標進行測定與統(tǒng)計。每個處理3次生物學重復。
采用全波長多功能酶標儀進行葉綠素含量的測定[12]。利用以下公式計算色素含量(mg/L):
chla=(11.47×OD664-0.40×OD630) ×
V1/V2,
chlc=(24.36×OD630-3.73×OD664) ×
V1/V2,
其中,V1為丙酮用量(mL),V2為離心的藻樣體積(mL)。
采用便攜式調(diào)制葉綠素熒光儀PAM-2500測定三角褐指藻葉綠素熒光參數(shù)。測量前,先測定光適應下的最大熒光(Fm′)、初始熒光(F0′)與穩(wěn)態(tài)熒光(Fs);再將樣品放置于暗處適應10 min,然后利用飽和脈沖法測量熒光誘導曲線,初始熒光F0用弱測量光 [0.01 μmol/(m2·s)]測量,最大熒光Fm用飽和脈沖[4 000 μmol/(m2·s),持續(xù)時間為0.8 s] 激發(fā),當達到穩(wěn)定熒光時打開飽和脈沖,熒光又上升至光適應狀態(tài)下的最大熒光Fm′。所有實驗設(shè)定 3個平行樣,每個處理重復3次。獲得以下葉綠素熒光參數(shù):初始熒光F0、最大熒光Fm、光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)最大光化學量子產(chǎn)量Fv/Fm、PSⅡ?qū)嶋H光化學量子產(chǎn)量Yield、光化學猝滅系數(shù)qP和非光化學淬滅系數(shù)NPQ。利用不含藻的培養(yǎng)液進行調(diào)零,以消除溶液本身的本底熒光。
葉綠素熒光參數(shù)的計算公式[13,14]如下:
Fv/Fm=(Fm-F0)/Fm,
Yield=ΦPSⅡ=(Fm′-Fs)/Fm′,
qP=(Fm′-Fs)/(Fm′-F0′),
NPQ=(Fm-Fm′)/Fm′。
利用裝配有C18反相柱(4.6 mm×250 mm)的高壓液相色譜系統(tǒng)進行巖藻黃素含量測定。檢測條件參考花汝鳳等[15]的方法,并稍做修改。流動相包括甲醇(B)和水(D),程序:流動相(90%B,10%D),等度洗脫,流速1.2 mL·min-1,進樣體積10 μL,檢測波長450 nm,柱溫35℃,檢測時間30 min。
精密量取各處理的藻液30 mL,4 500 g低溫離心8 min,去上清,精密稱量藻細胞鮮質(zhì)量,加入甲醇(5% BHT) 1 mL,渦旋2 min,避光超聲5 min,4 500 g低溫離心8 min,收集上清液;重復加入甲醇(5% BHT) 1 mL提取沉淀。合并兩次上清液,經(jīng)0.22 μm有機相濾膜過濾后進行高效液相色譜分析。巖藻黃素的標準曲線為Y=28525.4X(R2=0.999 6),根據(jù)標準曲線計算出巖藻黃素的含量。每個處理3次生物學重復。
采用尼羅紅[9-(diethyl amino) benzo[a]phenoxazin-5(5H)-one,Nile red]染色法測定三角褐指藻的油脂相對含量,具體操作參考陳若瑩等[5]的方法。另取1 mL藻液,加入尼羅紅染料20 μL進行染色,于倒置熒光顯微鏡下觀察胞內(nèi)油滴的大小。每個處理3次生物學重復。
采用Excel與SPSS 22.0 軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析,實驗數(shù)據(jù)均進行正態(tài)檢驗和方差齊性檢驗,并以平均值±標準差的方式表示,組間比較采用單因素方差分析(one-way ANOVE),采用Duncan法進行多重比較。分析結(jié)果用GraphPad Prism 5軟件進行作圖。以P<0.05為差異具有統(tǒng)計學意義,圖中的小寫字母表示在0.05水平上存在顯著差異。
由圖1可知,在不同NaNO3濃度處理下,三角褐指藻的細胞密度存在差異。當NaNO3濃度為0 mmol/L時,三角褐指藻的生長受到嚴重抑制,至培養(yǎng)第6天時,細胞密度與對照(0.8 mmol/L NaNO3)相比減少了11.99×106cells/mL,表明氮元素對三角褐指藻的生長是必需的,缺乏氮元素會導致藻細胞逐漸死亡。當三角褐指藻在NaNO3濃度為0.2 mmol/L中培養(yǎng)至第6天時,細胞密度僅為2.47×106cells/mL,與對照相比藻細胞密度明顯下降。當NaNO3濃度為0.3-0.6 mmol/L時,三角褐指藻的細胞密度仍明顯低于對照;當NaNO3濃度為0.7 mmol/L時,細胞密度與對照相比差異不大。
圖1 氮脅迫對三角褐指藻細胞密度的影響Fig.1 Effect of nitrogen stress on the cell density in P.tricornutum
在氮正常的情況下,添加NO供體SNP (200 μmol/L)與NO清除劑cPTIO (50 μmol/L)對三角褐指藻細胞密度影響不大;在缺氮條件下,三角褐指藻的生長受到嚴重抑制,與缺氮(N-)處理相比,N-+cPTIO處理的細胞密度無顯著差異,但N-+SNP處理能顯著增加缺氮條件下三角褐指藻的細胞密度(圖2),說明外源NO可有效緩解缺氮對三角褐指藻生長的抑制作用。
Different lowercase letters represent significant differences圖2 外源一氧化氮對三角褐指藻細胞密度的影響Fig.2 Effect of exogenous NO on the cell density in P.tricornutum
由圖3可知,在氮正常的情況下,添加200 μmol/L SNP與50 μmol/L cPTIO對chla含量無顯著影響。缺氮會顯著降低chla含量,與氮正常(chla含量為0.83 μg/mL)相比,chla含量為0.49 μg/mL,減少了40.96%。在缺氮條件下,chla與chlc含量均出現(xiàn)顯著下降,但添加200 μmol/L SNP能顯著提高chla含量(0.66 μg/mL),與缺氮(chla含量為0.49 μg/mL)相比提高了34.69%。類似于chla含量的變化趨勢,N-+SNP處理的chlc含量與缺氮處理相比顯著提高,chlc含量達到0.082 μg/mL。與缺氮處理(N-)相比,N-+cPTIO處理對三角褐指藻chla與chlc含量均無顯著差異。表明缺氮對三角褐指藻葉綠素合成具有抑制作用,但外源NO可有效緩解氮脅迫對三角褐指藻合成葉綠素的抑制。
Different lowercase letters represent significant differences圖3 外源NO對氮脅迫下三角褐指藻葉綠素含量的調(diào)控作用Fig.3 Regulatory effect of exogenous NO on chlorophyll content in P.tricornutum under nitrogen stress
在氮正常條件下,添加SNP (200 μmol/L)處理12 h能顯著提高三角褐指藻PSⅡ的最大光化學量子產(chǎn)量(Fv/Fm),與氮正常處理(N)相比,F(xiàn)v/Fm提高了10.05%。三角褐指藻在缺氮條件下培養(yǎng)12 h,F(xiàn)v/Fm最低,而N+SNP處理的Fv/Fm與缺氮處理相比顯著提高了68.14%,差異達到顯著水平[圖4(a)]。在缺氮情況下,三角褐指藻PSⅡ?qū)嶋H光化學量子產(chǎn)量Yield值也受到抑制,加入200 μmol/L SNP后,Yield值顯著提高,而添加50 μmol/L cPTIO處理對Yield值的影響不大[圖4(b)]。光化學淬滅系數(shù)qP是由光合作用引起的熒光淬滅,反映了PSⅡ反應中心的光合活性高低。不同組合處理的qP變化幅度不大[圖4(c)]。非光化學淬滅系數(shù)NPQ是耗散過剩光能為熱量的能力,反映了光保護能力。在氮正常條件下,3個處理的NPQ比值差異不大,但在缺氮條件下添加SNP (200 μmol/L)能顯著降低三角褐指藻的NPQ比值[圖4(d)]。綜上所述,可以認為外源NO在一定程度上緩解缺氮脅迫對葉綠素熒光參數(shù)的抑制作用。
由圖5可知,在氮正常情況下,N與N+SNP兩種處理之間巖藻黃素含量無顯著差異;而在缺氮條件下,N-與N-+SNP兩者之間巖藻黃素含量存在顯著差異,說明SNP (200 μmol/L)可在一定程度上緩解氮脅迫對三角褐指藻巖藻黃素積累的抑制作用。加入cPTIO (50 μmol/L),巖藻黃素含量無顯著差異,從而進一步證實了SNP的調(diào)控作用。
Different lowercase letters represent significant differences圖4 外源NO對氮脅迫下三角褐指藻PSⅡ最大光化學量子產(chǎn)量、實際光化學量子產(chǎn)量、光化學淬滅系數(shù)與非光化學淬滅系數(shù)的調(diào)控作用Fig.4 Regulatory effect of exogenous NO on Fv/Fm,Yield,qP,and NPQ in P.tricornutum under nitrogen stress
Different lowercase letters represent significant differences圖5 外源NO對氮脅迫下三角褐指藻巖藻黃素含量的調(diào)控作用Fig.5 Regulatory effect of exogenous NO on fucoxanthin content in P.tricornutum under nitrogen stress
在氮正常情況下,添加200 μmol/L SNP與50 μmol/L cPTIO對油脂相對含量無顯著影響。在缺氮條件下,油脂相對含量顯著增加;與N正常處理相比,N-、N-+SNP與N-+cPTIO分別提高18.18%、41.99%與15.06%,說明缺氮有利于油脂相對含量的升高。在缺氮條件下,N-+SNP處理的油脂相對含量顯著高于N-處理,相對熒光密度達638 a.u.,而N-處理與N-+cPTIO處理之間無顯著差異(圖6),因此,可認為SNP (200 μmol/L)具有促進缺氮條件下三角褐指藻油脂積累的作用。尼羅紅染色的油脂滴在藍光激發(fā)下能發(fā)出特征性的黃色熒光,N-+SNP處理的三角褐指藻的油脂滴明顯大于其他處理(圖7),這與油脂相對熒光密度值是一致的。
Different lowercase letters represent significant differences圖6 外源NO對氮脅迫下三角褐指藻油脂相對含量的調(diào)控作用Fig.6 Regulatory effect of exogenous NO on relative oil content in P.tricornutum under nitrogen stress
圖7 尼羅紅染色的三角褐指藻細胞Fig.7 P.tricornutum cells stained with Nile red
氮是三角褐指藻生長必需的基本元素之一,是構(gòu)成藻體內(nèi)蛋白質(zhì)、核酸及色素的重要元素,對藻類的生長發(fā)育有著重要的作用[16]。大量研究表明,氮限制會抑制三角褐指藻細胞的生長,且抑制程度會隨著氮限制的增強而加劇[4-6]。陳若瑩等[5]發(fā)現(xiàn)完全缺氮條件下的藻細胞密度比正常條件(氮濃度為 896 μmol/L) 降低了49.7%。本研究也發(fā)現(xiàn),在氮限制條件下,三角褐指藻細胞的生長密度會下降;當藻細胞在NaNO3為0 mmol/L中培養(yǎng)6 d時,與對照(0.8 mmol/L NaNO3)相比,細胞密度減少了11.99×106cells/mL,這可能是由于細胞缺少主要的氮素來源,從而導致細胞正常的生長與代謝活動受阻,主要表現(xiàn)為細胞生長緩慢、衰老死亡嚴重。迄今尚未發(fā)現(xiàn)NO對缺氮條件下三角褐指藻調(diào)控作用的研究報道。已有研究顯示1 mmol/L SNP能夠產(chǎn)生2 μmol/L的NO[17],因此,研究人員利用SNP會主動釋放NO這一特性來研究NO對三角褐指藻生長及成分積累的促進或抑制作用。對缺氧條件下生長6 d的三角褐指藻細胞進行外源NO處理12 h,其細胞密度與缺氮相比得到顯著增加,說明外源NO可有效緩解缺氮對三角褐指藻生長的抑制作用,這與SNP能有效減輕鋁對花生根生長的毒害作用[9],緩解鹽脅迫引起的杜氏鹽藻的生長抑制[10]等結(jié)果是一致的。類似于高等植物,外源NO的調(diào)控作用具有“雙重效應”,在低濃度下對微藻起促進作用,高濃度下則起抑制作用[11]。然而,對于不同種類的微藻,NO的低濃度范圍存在差別。本研究使用200 μmol/L SNP處理缺氮條件下的藻細胞,能在一定程度上緩解缺氮對藻細胞生長與巖藻黃素積累的抑制作用,說明200 μmol/L可能發(fā)揮著正調(diào)控的效應。
三角褐指藻的光合效率主要依賴于天線系統(tǒng)復合物巖藻黃素-葉綠素蛋白(Fucoxanthin Chlorophyll Proteins,F(xiàn)CP)復合體,F(xiàn)CP復合體結(jié)合的色素主要有巖藻黃素、chla、chlc1和chlc2[18]。大量研究表明,氮限制能顯著降低三角褐指藻葉綠素a的含量[4-6],本研究也得到類似的結(jié)論。同時還發(fā)現(xiàn)在氮正常的情況下,添加200 μmol/L SNP對chla含量無顯著影響,但能有效緩解缺氮條件對chla和chlc含量的影響,提示在氮缺乏的環(huán)境中,SNP的調(diào)控作用可能與提高光合效率和光能的轉(zhuǎn)換效率有關(guān),這與姜倩倩等[19]和朱營營等[20]的研究結(jié)果基本類似。
Fv/Fm反映了植物潛在的最大光合能力,Yield反映的是實際原始光能捕獲效率。由于Fv/Fm在正常條件下變化較小,但在脅迫條件下變化較大,可作為反映微藻生長環(huán)境是否適宜的一個重要指標[21]。類似于姜倩倩等[19]和吳曉蕾等[22]分別在平邑甜茶和黃瓜上的研究結(jié)果,本研究發(fā)現(xiàn)在缺氮條件下添加SNP (200 μmol/L)處理12 h能顯著提高Fv/Fm與Yield值,說明SNP (200 μmol/L)能有效緩解缺氮脅迫對三角褐指藻光合效率的抑制作用。然而,對于SNP如何發(fā)揮調(diào)控作用并影響三角褐指藻的光合效率,仍有待進一步研究。
巖藻黃素屬于硅藻次生代謝產(chǎn)物中的萜類物質(zhì),是一種參與光合作用、輔助采光色素的類胡蘿卜素。已有研究顯示,巖藻黃素的含量會隨著三角褐指藻的生長而逐漸降低[23],且在氮限制時三角褐指藻的巖藻黃素積累會被抑制[4]。本研究也發(fā)現(xiàn)缺氮時三角褐指藻巖藻黃素含量較氮正常時顯著減少,然而,關(guān)于外源NO對巖藻黃素合成的影響至今鮮有報道。本研究發(fā)現(xiàn),在氮正常的條件下加入200 μmol/L SNP,三角褐指藻的巖藻黃素含量沒有明顯變化;在缺氮條件下,添加SNP (200 μmol/L)可有效緩解缺氮對三角褐指藻巖藻黃素積累的抑制作用。這可能是由于在氮限制的情況下,細胞為保護其結(jié)構(gòu)和功能,迫使chla等合成下降,從而降低光捕獲,進而可能直接影響關(guān)鍵蛋白FCP復合體的合成,導致其合成下降[5];而在缺氮條件下添加200 μmol/L SNP,可有效緩解缺氮對三角褐指藻巖藻黃素積累的抑制作用,究其原因可能是由于SNP能提供NO,而NO可促進藻細胞中天線系統(tǒng)復合物FCP復合體的合成,同時可有效減輕缺氮導致的光合系統(tǒng)損傷。對于SNP可有效調(diào)節(jié)三角褐指藻細胞中哪些抗氧化酶,以及哪些基因參與其中發(fā)揮作用,還有待進一步研究。
趙佩佩等[4]研究發(fā)現(xiàn)缺氮條件下三角褐指藻脂質(zhì)合成增加,參與脂質(zhì)合成、糖酵解和三羧酸(TCA)循環(huán)的關(guān)鍵蛋白在缺氮時上調(diào),提示缺氮條件下糖酵解和TCA循環(huán)活性升高,為脂肪酸生物合成提供了大量的中間產(chǎn)物,如乙酰輔酶A和ATP等。在本研究中,油脂相對含量測定和尼羅紅染色觀察結(jié)果也表明了SNP (200 μmol/L)能促進缺氮條件下三角褐指藻的油脂積累。因此,在生產(chǎn)過程中,環(huán)境條件和培養(yǎng)水平等因素存在的多變性,可能會導致三角褐指藻的培養(yǎng)處于逆境條件,可以嘗試添加適當濃度的SNP來緩解逆境條件對三角褐指藻生長的抑制作用或促進油脂的積累。
本研究通過添加外源NO供體SNP及NO清除劑cPTIO,探究外源NO對三角褐指藻響應氮脅迫的作用。結(jié)果表明,缺氮會抑制三角褐指藻細胞的生長,顯著降低chla含量與光合效率,降低巖藻黃素含量,增加脂質(zhì)合成。與氮正常情況下相比,在缺氮條件下添加200 μmol/L SNP,可在一定程度上緩解缺氮對三角褐指藻的生長、葉綠素含量、光合效率與巖藻黃素積累的抑制,并能顯著促進油脂的積累。在缺氮條件下添加50 μmol/L cPTIO對三角褐指藻的生長、葉綠素含量、光合效率及物質(zhì)積累影響不大。本研究可為探明外源NO調(diào)控三角褐指藻響應氮脅迫的作用機制提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),也為進一步提高三角褐指藻的生物量,促進成分積累量提供參考依據(jù)。