不同光質對葛仙米的生理影響

劉樹文， 牟丹敏

(貴州師范學院化學與生命科學學院，貴州貴陽 550018)

擬球狀念珠藻(NostocsphaeroidesKützing)別稱葛仙米，是一種生長在我國極少數山區水稻田中的念珠藻，屬多細胞藍藻，具有較高的食用價值和食療保健的藥用價值[1-2]。葛仙米因晉朝的道教倫理學家、醫學家、煉丹家葛洪的名字及其經歷而命名，是中國出口的一種傳統珍貴野生食品，在《本草綱目》《本草綱目拾遺》中對其均有記載[1-3]。近年來由于農民施用化肥及除草劑等農藥，改變了葛仙米賴以生存的生長環境，導致葛仙米產量急劇降低，甚至有絕跡的可能[4]，這些都將影響這一珍貴野生食品的開發和利用。為了讓更多的人品嘗到這種珍稀藻類，首先應該采取適當的措施保護好葛仙米的野生資源，使其脫離瀕臨滅絕的危險；同時進行開發研究，最終走廣泛和深層次的產業化培養葛仙米的道路[1-2]。近年來，一些科研工作者開展了關于葛仙米的人工養殖研究。

光照是影響藻類光合作用效率的重要環境條件，在藻類人工培養過程中通常需要合理的光照度和光照周期。然而，許多研究表明，不同顏色的光(光質)對藻類的生長及生理也會產生較大的影響。Aidar等發現微小環藻(Cyclotellacaspia)在藍光下生長速率最高，而亞心形扁藻(Tetraselmisgracilis)在紅光下生長較快[5]；Wang等發現紅光能夠提高鈍頂螺旋藻(Spirulinaplatensis)的比生長速率，而該藻在藍光下光量子轉換成生物量的效率最低[6]；Das等研究發現，藍光能夠提高微擬球藻(Nannochloropsissp.)的比生長速率，而紅光下微擬球藻的比生長速率最低[7]；毛安君采用單色LED光源和熒光燈從效率和速率2個角度研究了光源光譜對海生小球藻(Chlorellavulgari)和等鞭金藻(Isochrysis)生長的影響，發現連續光譜能夠促進最大生長率提高，藍光促進生長的效率較高，兩者組合能夠較好地兼顧效率和速率[8]。因此，光質對人工培養的不同藻類會產生不同的生理影響。

藍藻含有葉綠素a(chlorophyll-a，簡稱Chla)、類胡蘿卜素(carotenoids，簡稱Car)、藻藍蛋白(phycocyanin，簡稱PC)、藻紅蛋白(phycoerythrin，簡稱PE)和別藻藍蛋白(allophycocyanin，簡稱APC)等多種光合色素。葉綠素主要吸收640～660 nm的紅光和430～450 nm的藍紫光，類胡蘿卜素主要吸收400～500 nm波長的光，PE、PC、APC的最大吸收波長分別為540～570、610～620、650～655 nm[9]。關于光質對藍藻葛仙米生理影響的相關研究較少。本研究通過測定3種不同的光質(白光、紅光、藍光)下葛仙米的比生長速率及各種光合色素、可溶性糖和可溶性蛋白含量，探討3種不同的光質對葛仙米的生理影響，尋找適合葛仙米人工養殖的光質，為葛仙米的規模化養殖提供理論基礎。

1　材料與方法

1.1　材料與培養條件

葛仙米采自貴州省岑鞏縣凱本鄉沈家灣村的水稻田中。葛仙米的培養采用BG110培養基，在121 ℃、1.05 kg/cm2條件下滅菌30 min。藻種經過勻漿之后，分別接種到9個高壓滅菌的500 mL錐形瓶中，加入450 mL BG-110培養基，初始接種量為450 μg/mL葉綠素。培養溫度26 ℃，用白光、紅光、藍光3種不同顏色的LED燈提供不同顏色的光照，3種顏色光的光照度控制在820 lx左右，每種顏色的光照條件設置3個重復。用空氣泵通入用0.22 μm濾膜過濾的無菌空氣，通氣量為300 mL/min。

1.2　生長曲線的制作和比生長速率的測定

在葛仙米的生長的0、2、4、6、8、10 d，于每天12：00在每瓶培養液中分別取1次藻液，藻液體積為10 mL。離心 30 min，倒掉上清液，加入3 mL 95%乙醇，振蕩，放入4 ℃冰箱中過夜。4 000 r/min離心30 min后，取上清液，用分光光度計測定D665 nm和D649 nm。葉綠素a含量按如下公式計算[10]：Chla含量(mg/L)=13.95D665 nm-6.88D649 nm。比生長速率的計算根據公式：μ=(lnX1-lnX2)/(T10-T0)。式中：X1、X2分別是0、10 d的葉綠素a含量，μg/L；T10、T0分別表示10、0 d。采用Origin 7.0軟件繪制時間(天)、葉綠素含量(μg/L)的生長曲線圖。

1.3　各種主要光合色素含量的測定

各瓶葛仙米培養的10 d，在培養光照顏色分別為白光、紅光、藍光的培養瓶中各取20 mL藻液，按照“1.2”節的方法取樣和提取色素，用分光光度計測定665、649、447 nm波長的吸光度D665 nm、D649 nm、D470 nm。計算葉綠素a含量。因為葛仙米為藍藻，不含葉綠素b，因此類胡蘿卜素含量計算依據以下公式[10]：Car含量=1 000×D470 nm-2.05×Chla含量。

在10 d時，另在培養光質分別為白光、紅光、藍光的培養瓶中各取20 mL藻液，4 000 r/min離心30 min，去上清夜，各加入4 mL 0.1 mol/L pH值7.0的磷酸緩沖液，冰浴勻漿90次，4 000 r/min離心30 min。取上清液，用分光光度計測定上清液在562、615、652 nm波長的吸光度D562 nm、D615 nm和D652 nm。藻藍蛋白、別藻藍蛋白、藻紅蛋白的含量根據Siegelman & Kycia的公式計算[11]：PC含量(mg/mL)=(D615 nm-0.474D652 nm)/5.34；APC含量(mg/mL)=(D652 nm-0.208D615 nm)/5.09；PE含量(mg/mL)=(D562 nm-2.41PC含量-0.849APC含量)/9.62。

1.4　蛋白質含量的測定

各瓶葛仙米培養10 d，按照“1.3”節提取3種藻膽蛋白的方法提取白光、紅光、藍光的培養瓶中葛仙米的可溶性蛋白，取上清液，用考馬斯亮藍法測定各樣品中蛋白質的濃度[10]。

1.5　可溶性糖含量的測定

培養10 d的葛仙米藻液各取20 mL，4 000 r/min離心 30 min，去上清液，各加入4 mL 蒸餾水，冰浴勻漿90次，4 000 r/min 離心30 min，提取得到葛仙米的可溶性糖。取上清液，用蒽酮試劑法測定各樣品中可溶性糖濃度[10]。

1.6　統計分析

本研究主要采用軟件Origin 7.0、STATISTICA?7.0(StatSoft Inc，Tulsa，OK，USA)進行統計分析處理，采用單因素方差分析(ANOVA)和Tukey顯著性檢驗(HSD)檢測不同處理間的顯著性水平。

2　結果與分析

2.1　不同光質條件下葛仙米的生長

圖1表明，葛仙米分別在白光、紅光和藍光下培養10 d后，以葉綠素a濃度表示的生物量分別增加到第1天的3.83倍、4.98倍及1.91倍。由表1可知，紅光培養葛仙米的比生長速率最大，藍光培養葛仙米的比生長速率最小，與白光培養葛仙米的比生長速率相比，紅光培養的增加了23.08%，但兩者之間差異不顯著(Tukey’s HSD)；藍光培養的降低了53.85%，且差異顯著(Tukey`s HSD，P<0.05)。

2.2　不同光質條件下葛仙米的光合色素含量和比例的變化

由表2、表3可知，紅光培養的葛仙米PC、Chla、Car含量略高于白光培養的葛仙米，APC、PE含量略低于白光培養的葛仙米，但都沒有顯著差異。藍光培養的葛仙米的PC、APC、PE、Chla、Car含量都顯著低于白光和紅光培養的葛仙米(P<0.05)。紅光培養的葛仙米的PC、APC、PE、Chla、Car含量分別為藍光培養葛仙米的175%、165%、126%、240%、158%(P<0.05)。

表1　不同光質條件下葛仙米的比生長速率

注：同列數據后不同小寫字母表示不同處理間在0.05水平差異顯著。下表同。

表2　不同光質條件下葛仙米的PC、APC、PE含量

表3　不同光質條件下葛仙米的葉綠素a和類胡蘿卜素的含量

由表4可知，藍光和白光培養條件下，葛仙米的PC、APC、PE、Car含量與Chla含量的比值分別為紅光培養葛仙米的137%、182%、193%、153%和107%、148%、146%、106%。

表4　不同光質條件下葛仙米的PC、APC、PE、Car含量

2.3　不同光質條件下葛仙米可溶性蛋白含量的變化

由圖2可知，溶液中可溶性蛋白含量(y)與考馬斯亮藍染色后的可溶性蛋白溶液在595 nm波長下的吸光度(x)之間的直線方程為y=1.298 4x+0.007 2(r2=0.99)。由圖3可知，藍光培養葛仙米的可溶性蛋白含量最高，分別為紅光、白光培養葛仙米的189%、161%(P<0.05)。紅光培養葛仙米的可溶性蛋白含量略低于白光培養葛仙米，但無顯著差異。

2.4　不同光質條件下葛仙米可溶性糖含量的變化

由圖4可知，溶液中可溶性糖含量(y)與蒽酮試劑染色后的可溶性糖溶液在620 nm波長下的吸光度(x)的直線方程為y=1.569 1x+0.094 1(r2=0.188 2)。由圖5可知，紅光培養葛仙米的可溶性糖含量最高，分別為白光、藍光培養葛仙米的122%、176%(P<0.05)。紅光培養葛仙米的可溶性糖含量略高于白光培養葛仙米。

3　討論與結論

不同的光質培養條件對葛仙米的生長產生不同的影響。紅光培養條件下葛仙米的以葉綠素含量表示的總生物量及比生長速率最大，白光次之，藍光最小，這表明紅光對葛仙米的生長最有利。Wang等的研究結果也表明，紅光培養條件下螺旋藻的生長最快[6]，與本研究的結論一致。然而，Das等研究發現，藍光能夠提高微擬球藻(Nannochloropsissp.)的比生長速率，而紅光下微擬球藻的比生長速率最低[7]。不同的藻類具有不同的光合色素組成，光合作用過程對光照顏色的要求也不同，如鈍頂螺旋藻生長需要較低的光照度，而藍光因為波長較短、能量較高而不利于其生長，相反紅光卻能促進鈍頂螺旋藻的生長[12]。

藍藻的眉藻(Calothrix)和點形念珠藻(Nostocpunctiforme)能通過改變藻細胞內各種光合色素的含量和比例來適應不同的光質條件，即“補色適應”現象[12-14]。本研究的結論也表明，葛仙米在不同的光質培養條件下，各種光合色素的含量及比例發生變化，以此來適應不同的光質條件。葛仙米葉綠素a、類胡蘿卜素、藻藍蛋白的含量大小順序為紅光>白光>藍光。別藻藍蛋白、藻紅蛋白含量大小順序為白光>紅光>藍光。然而，藍光雖然抑制了培養液中葛仙米的各種光合色素含量的增加，但在藍光培養條件下葛仙米的各種藻膽蛋白及類胡蘿卜素與葉綠素含量的比值卻升高。類胡蘿卜素、藻藍蛋白、別藻藍蛋白、藻紅蛋白與葉綠素含量的比值大小順序為藍光>白光>紅光。有研究表明，紅光促進藍藻藻藍蛋白和葉綠素的合成，抑制藻紅蛋白的合成[15]。

葛仙米可溶性蛋白含量大小順序為藍光>白光>紅光，而葛仙米可溶性糖含量大小順序為紅光>白光>藍光。在紅光下生長的葛仙米光合效率高，能產生更多的光合產物，有利于碳水化合物的積累[15-16]。但藍光波長短、能量高，容易對藻類產生光抑制傷害，不利于光合碳固定以及糖類的合成，但有利于可溶性蛋白含量的積累[15-16]。王偉發現藍光能夠促進中華盒形藻蛋白質的合成，而紅光下碳水化合物含量增加[16]，這與本研究的結論一致。

綜上，紅光有利于葛仙米的快速生長，不同的光質影響葛仙米的色素含量和比例。紅光促進葛仙米可溶性糖的積累，而藍光有利于可溶性蛋白的合成。葛仙米含有豐富的各種光合色素，具有較為廣闊的開發應用前景，可作為天然色素在食品、化妝品、染料等工業領域應用，并可制成熒光試劑用于醫學臨床診斷和免疫學及生物工程等研究領域，還可制成食品和藥品用于醫療保健[17]。葛仙米含有18種氨基酸，含有人體必需的8種氨基酸，其多糖具有較好的保健作用[17]。在葛仙米的人工養殖過程中應該根據實際需要選擇不同顏色的光照。

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