念珠藻在无磷和不同磷源条件下的响应及其竞争效应的研究

发布时间：2020-05-27 03:16

【摘要】：随着全球变暖和水体富营养化程度的加剧,蓝藻水华暴发的频率也逐渐增加。念珠藻(Nostoc sp.)是一种丝状固氮蓝藻,能够耐受低温、干旱、强紫外辐射等极端环境,在全球范围内分布广泛,水生种主要分布在河流、湖泊、水库等地。国外已经报道了由水体的富营养化引起的念珠藻水华的发生,并且在水华期间也检测到了藻毒素的产生。因此,这种分布广泛,适应能力强的蓝藻也开始引起人们的关注。磷是组成生物体大分子物质的重要元素,在生物体内各项生物化学反应中发挥重要作用。环境中的磷含量能够直接影响藻类生物量的大小和藻类群落的结构组成。水体中的溶解性磷主要由溶解性无机磷(DIP)和溶解性有机磷(DOP)组成,溶解性无机磷能够被藻类直接利用,而溶解性有机磷则需用相关酶的水解后才能够被利用。当环境中的无机磷被消耗殆尽,藻类对于多种形态的有机磷的利用能力显得至关重要。因此,本论文以念珠藻作为研究材料,研究了念珠藻在无磷和不同磷源下的响应机制,并进一步探究了念珠藻在无磷和不同磷源下与其他藻类的竞争效应。研究结果如下:1.研究了念珠藻在无磷和三种不同磷源(包括:正磷酸盐(K_2HPO_4)、含C-O-P键的磷酸酯(β-甘油磷酸二钠盐·五水化合物,β-gly)和含C-P键的膦酸盐(2-氨基乙基膦酸盐,2-amin))为单一磷源条件下的生理响应。结果表明念珠藻在无磷状态下通过利用体内储存的磷源仍可以维持一段时间的缓慢生长,无磷组中念珠藻的叶绿素a含量、比生长速率、光合效率显著下降;PSII中反应中心活性降低、能量耗散增加、电子传递受阻,最终导致光合作用受到抑制;但无磷处理组中念珠藻的胞内外碱性磷酸酶含量显著增高。念珠藻对于不同磷源的利用情况则为:念珠藻在K_2HPO_4和β-gly处理组中生长良好,显著优于2-amin处理组;念珠藻在K_2HPO_4处理组中的比生长速率最高,显著高于其余两组有磷源处理,其次是β-gly处理组,2-amin处理组最低(但显著高于无磷组);三种不同磷源对念珠藻的光合作用无显著影响。生理实验结果表明念珠藻能够利用两种有机磷但对磷酸酯的利用优于膦酸盐。2.分析了念珠藻对无磷和三种不同磷源(K_2HPO_4、β-gly和2-amin)的转录组测定结果,揭示了念珠藻的分子调控机制。以正磷酸盐处理组作为对照组,分析结果表明,念珠藻在无磷情况下细胞中一系列与磷吸收利用有关的基因在Pho双组份系统的调控下发生了上调,包括胞外核酸酶基因(nucH)、膦酸盐转运子基因(phnCDE)、C-P键断裂酶基因(phnJ)以及碱性磷酸酶基因(phoD、phoA)等,念珠藻通过这些基因的上调加强对环境中磷的吸收利用。在无磷情况下,念珠藻还通过上调ppk基因(编码多聚磷酸盐激酶)来增加对细胞内储存的磷源的利用;通过甘油磷酸二酯酶基因(all0275和all1051)的上调来增加对细胞膜中磷脂的利用。此外,在光合作用方面,念珠藻细胞内petE基因和psbP基因的显著下调也暗示了光合作用的降低,这也与生理组实验结果相符合。除光合作用、磷代谢途径外,氮代谢、硫中继系统、谷胱甘酸代谢以及糖代谢均发生了变化,这也表明念珠藻通过调节细胞内多种代谢途径来响应无磷胁迫。在β-gly处理组中,基因alr2708和alr3724表达量的增加表明念珠藻细胞内的三羧酸途径受到促进,而ndhD和ndhF基因的上调则暗示了念珠藻细胞内氧化磷酸途径和电子传递的增强。这些途径的增强表明与正磷酸盐相比,念珠藻对磷酸酯的利用可能需要消耗更多的能量。在2-amin处理组中,C-P键裂解酶基因(phnJ)的存在表明念珠藻具有利用膦酸盐的能力,但alr3735、all4052、all2563、alr4661、alr3195和alr3798等基因的上调表明在膦酸盐处理组中的念珠藻遭受了一定程度的氧化损伤,这可能是念珠藻在膦酸盐处理组中生长状况差的原因之一。此外,编码糖酵解过程中关键限速酶(6-磷酸葡萄糖激酶)的基因-alr1913在不同处理组中表现出了显著的表达差异,这也暗示了念珠藻对不同磷源的利用影响了细胞内的糖酵解过程。3.研究了在无磷和不同磷源(K_2HPO_4、β-gly和2-amin)下念珠藻和水华蓝藻-颤藻混合培养以及念珠藻和水华绿藻-栅藻混合培养时的生长和竞争情况。竞争实验结果表明,在念珠藻/颤藻初始体积比例为2:3、1:1和3:2时,最终均为念珠藻总体积大于颤藻总体积,在竞争中处于优势地位,尤其在3:2体积比例下,颤藻的生长受到抑制程度最大,细胞密度在12天后开始下降,并且念珠藻有取代颤藻的趋势。而在念珠藻与栅藻的混合培养中,三种不同初始体积比例的培养中均为栅藻占据竞争优势。三种藻类的竞争力分别为:栅藻念珠藻颤藻。互补实验中发现念珠藻和颤藻能够产生抑制彼此生长的化感物质,栅藻也能产生抑制念珠藻生长的化感物质,但念珠藻生长过程中产生的化感物质没有显著影响栅藻的生长。此外,实验发现,念珠藻在三种磷源中的生长情况与第一部分的生理组实验的结果类似;颤藻在磷酸酯处理组中生长优于正磷和膦酸盐处理组;栅藻在生长过程中消耗的正磷酸盐的量显著大于颤藻;在磷源充足时,不同形态的磷源对三种藻类的竞争效应的影响不显著,竞争能力的大小主要与藻类自身的生长速度以及化感物质的产生有关。
【图文】：

无磷,叶绿素a浓度,处理组,比生长速率

生物统计分析方法使用 SPSS 22.0 进行单因素方差分析（One-way ANOVA）及 LSD 多重比较。所得数据采用 Origin 9.0 进行作图，p < 0.05 时，具有显著差异，用*表示；p < 0.01时认为具有极显著差异，用**表示。2.2 结果2.2.1 叶绿素a浓度及比生长速率念珠藻在无磷及不同磷源中培养 16 天，各处理组的念珠藻叶绿素a浓度如图 2-1A所示。无磷处理组以及 2-amin处理组念珠藻的叶绿素a浓度显著低于对照组（K2HPO4处理组）（p< 0.01）。而β-gly处理组的叶绿素a浓度与对照组相比，并无显著差异。无磷处理组、K2HPO4处理组、β-gly处理组以及 2-amin处理组第 10 天到第 16 天的比生长速率分别为 0.074 ± 0.019, 0.166 ± 0.010, 0.122 ± 0.002 和 0.097 ± 0.009（图 2-1B）。结果表明，K2HPO4处理组念珠藻比生长速率最高，无磷组最低，β-gly处理组和 2-amin处理组与对照相比显著降低（p < 0.01）。

无磷,光响应曲线,处理组,标准误

第 2 章无磷和不同磷源条件下念珠藻的生理响应光响应曲线(RLCs)和PSII电子传递速率中念珠藻的RLC曲线如图 2-2 所示，，无磷处理组的光响应天时，同K2HPO4处理组相比较，无磷处理组念珠藻的α值（R-1，p < 0.05），而β-gly处理组和 2-amin处理组同对照组相.05）。此外，无磷组光响应曲线的光饱和点（Ik）和最大相对照组相比分别下降了 29.78%和 39.42%（表 2-1，p 0.0
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X52;X173

【参考文献】