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空间生物学是空间科学和生命科学交叉的新兴学科,而微重力生物学和UV-B辐射生物学又是其中重要的前沿领域。由于其自身的一系列生理优点,微藻在空间生物学研究早期就被选为模式植物类型之一。已有研究表明,微重力刺激和UV-B辐射胁迫可以影响微藻的生长、光合、物质合成等代谢活动。但是迄今关于微重力和UV-B辐射影响微藻代谢生理的机制和信号传导途径的研究还亟待加强。本文围绕这两种重要的空间环境因素对铜绿微囊藻和雨生红球藻的生理生化影响以及Ca2+和NO在微藻响应环境胁迫过程中的信号作用进行了系列研究,主要研究内容和结果如下:
1、通过使用回转器,研究了模拟微重力对铜绿微囊藻PCC7806的生长和毒素合成的影响。模拟微重力抑制微囊藻的生长,处理20天后,模拟微重力组的细胞数量比对照减少了21.3％,其20天的平均生长速率也低于对照。铜绿微囊藻可以快速感受模拟微重力并对其作出响应,处理第2天其微囊藻毒素(Microcystin,MC)合成和分泌即显著增强。结果提示,微囊藻毒素合成能力的增强可能是产毒微囊藻藻株对模拟微重力环境胁迫的一种响应机制。实验第8天,藻细胞中的MC含量恢复到初始接种水平并在之后的试验中一直保持稳定,表明微囊藻能够适应模拟微重力环境并消除其对MC代谢的影响。通过检测光合活性、色素含量和营养吸收的变化情况,结果表明:在大部分实验周期内,模拟微重力抑制微囊藻的光合系统活性和磷吸收,同时可以短暂地诱导光合色素含量升高和促进氮吸收。结果提示模拟微重力是通过干扰微囊藻的光合作用和磷吸收来抑制其生长的,而产毒能力的增强则与色素含量和氮吸收有关。结果表明模拟微重力是一种可以抑制微囊藻生长并促进MC合成和分泌的环境因子。
2、通过在不同的重力水平和营养浓度下培养铜绿微囊藻,研究了培养基中的营养物质浓度对微囊藻细胞响应模拟微重力刺激的影响。结果表明,在较高浓度(营养丰富)和营养盐浓度减为1/10(营养限制)的BG-11培养基中培养的微囊藻对模拟微重力刺激都很敏感,处理两天后多项生理生化指标发生了显著变化；但是在营养丰富和营养限制条件下,模拟微重力造成的影响是不同的。对培养在BG-11中的微囊藻细胞来说,模拟微重力抑制其生长和光合活性,导致细胞内色素(叶绿素α和类胡萝卜素)、色素蛋白(藻蓝蛋白和可溶性蛋白)和毒素含量显著升高,而向外分泌的毒素含量降低；而对培养在1/10BG-11中的藻细胞来说,模拟微重力促进其生长和光合活性,导致细胞内色素、蛋白和毒素含量降低,并使得毒素分泌增强。单独施加模拟微重力或1/10BG-11对藻细胞造成的影响相似,且1/10BG-11诱导产生的变化幅度大于前者。表明模拟微重力和营养限制可能通过相似的途径来调控微囊藻的生长和代谢。但二者同时存在时,模拟微重力可以部分抵消营养限制对微囊藻生长和代谢的影响。这可能是由于模拟微重力下藻细胞的生长受到限制而导致营养需求降低。
3、Ca2+是植物生长所必须的元素,而细胞中游离的自由Ca2+又是偶联胞外信号和胞内生理生化反应的第二信使,并且已经证实Ca2+作为信号物质在植物细胞对重力刺激的感受和传导过程中扮演着重要角色。通过改变培养基中的Ca2+浓度,实验结果表明Ca2+作为一种信号物质参与了微囊藻对模拟微重力刺激的响应。将培养基中的Ca2+浓度加倍可以一定程度地减弱模拟微重力对微囊藻的影响,即增加细胞内外的Ca2+浓度梯度有利于微囊藻适应模拟微重力环境。而去除培养基中的Ca2+会增强模拟微重力的作用效果,且正常1g重力下培养基中缺Ca2+对微囊藻的影响与模拟微重力单独作用的效果一致,表明模拟微重力可能使得微囊藻细胞处于类似缺乏外源Ca2+的状态。此外,Ca2+通道抑制剂LaCl3虽然也可以减弱模拟微重力的影响,但作用效果不明显,试验中使用的LaCl3浓度偏低可能是其因为。以上结果表明,模拟微重力的胁迫作用可能是通过影响微囊藻细胞的Ca2+平衡来实现的。
4、NO是植物中具有广泛作用的重要的信号分子,参与了一系列由环境胁迫引起的应激反应。通过向藻液中添加0.1mM的硝普钠(SNP,NO原料物质)或0.02mM的c-PTIO(NO清除剂),研究了NO在模拟微重力胁迫下引起的微囊藻的生长和代谢改变的作用。实验结果表明,模拟微重力对微囊藻的生理生化影响可以被SNP增强而被c-PTIO减弱。由于SNP可以提供外源的NO而c-PTIO可以清除内源的NO,说明通过NO信号途径可能是模拟微重力产生对微囊藻细胞胁迫作用的途径之一。模拟微重力可能首先引起了藻细胞中NO浓度的升高,而过高的NO浓度以及NO产生的有毒副产物引起了藻细胞的亚硝化应激反应,最终使得微囊藻的生长和光合活性受到了抑制。当添加SNP时,模拟微重力下藻细胞中的NO浓度进一步升高,抑制作用加剧；而添加c-PTIO可以清除过剩的NO,从而减轻模拟微重力的负面影响。模拟微重力在铜绿微囊藻细胞内诱发的一系列事件的顺序可能如下:NO合成的改变→细胞内NO浓度升高→NO及其有毒副产物的过量积累→亚硝化应激→生长和光合活性受到抑制,代谢改变。
实验中涉及到的所有理化指标都受到NO的调控,并且NO对细胞数量、光合活性和次级代谢的调控方式显然不同。SNP和c-PTIOR寸细胞生长和PSⅡ活性的影响与重力环境无关；而对于微囊藻的次级代谢来说,添加SNP或c-PTIO只在模拟微重力下有影响,在正常1g重力下没有影响。表明微囊藻的细胞生长和PSⅡ活性比次级代谢对NO浓度变化敏感。但是在模拟微重力下,较小的NO浓度变化也能影响微囊藻的次级代谢。
5、通过研究不同强度的UV-B辐射对雨生红球藻的光合活性、生物量、色素含量、活性氧含量和抗氧化酶活性的影响,探讨了利用UV-B辐射诱导虾青素生物合成的可能性。结果表明,经UV-B辐射处理后,雨生红球藻的光合活性降低、生物量增长被抑制。24h的UV-B辐射对叶绿素影响不大,但会改变细胞的类胡萝卜素和虾青素含量:0.1和0.3W/m2强度的UV-B辐射使细胞中的类胡萝卜素和虾青素含量升高,0.5W/m2组的色素含量短暂升高后恢复到对照水平。0.1和0.3W/m2的UV-B可以增加雨生红球藻单个细胞中的虾青素含量,但由于其对细胞生长的抑制作用,并不能使虾青素大量积累。随辐射时间延长,细胞内活性氧(ROS)含量未明显增加,但抗氧化酶活性下降,雨生红球藻可能主要依靠虾青素来淬灭ROS。以上结果表明,UV-B辐射对雨生红球藻的主要生理生化过程有抑制作用,UV-B辐射既可以诱导虾青素的合成又会消耗一部分虾青素,对虾青素含量的影响与其强度有关,而利用虾青素来清除细胞内的ROS可能是雨生红球藻抵御这种不利环境条件的最重要的途径。
6、初步研究表明,0.05mM和0.1mM的SNP对雨生红球藻的光合活性、色素含量和抗氧化酶活性有一定的影响,并且其作用效果随UV-B辐射强度不同而不同。SNP可以减轻0.5W/m2的UV-B辐射对雨生红球藻光合系统的伤害,并减少由UV-B胁迫引起的藻细胞中类胡萝卜素和虾青素的积累。由SNP分解产生的外源NO可能是通过上调雨生红球藻的过氧化氢酶和超氧化物歧化酶(特别是过氧化氢酶)活性来清除由UV-B胁迫诱导产生的ROS,从而减轻了细胞的氧化压力,表现出对其的保护作用。但是,已经得到的结果的规律性并不明显,要想弄清NO在雨生红球藻响应UV-B辐射胁迫过程中的作用还需要进一步研究。