不同溫度與鎘離子濃度對草履蟲增殖節律的研究

楊藝新 紀可心 黃 銀 王思琦 李 敏*（天津師范大學，天津300387）

草履蟲（Paramecium caudatum Ehrenberg）屬原生動物門纖毛綱膜口目草履蟲科，體型較小，一般體長為180～280μm，其呈橢圓形，形狀酷似草鞋顧得名為草履蟲[1]。草履蟲的結構比較簡單，具有起攝食作用的胞口，控制氣體進出的表膜，分別控制營養物質進出和遺傳生殖的作用的大小核，輔助運動的纖毛等[2-3]。其生活在淡水中，通常可以在有機質豐富的河流、水塘中采集到它們，一般呈針尖狀發亮的白色點狀物浮動在水中[4]。草履蟲適宜的生長環境為25°C 左右，并且更喜歡生活在光線充足的水中，主要依靠取食水中的細菌和有機物來生存[1-4]。草履蟲的生殖方式主要為無性生殖和有性生殖，無性生殖即橫二分裂，有性生殖即接合生殖，它們繁殖快，生活周期較短為一周左右[5]。草履蟲的主要類別有大草履蟲、雙小核草履蟲、多小核草履蟲等。草履蟲有很多研究優點，如結構較簡單便于觀察，生長發育繁殖速度較快，易于在野外采集和便于實驗室培養等，所以草履蟲相關研究的應用比較廣泛，例如可以用其凈化污水、作為研究細胞遺傳的材料從而在醫學方面起到診斷疾病的作用還有監測水體的重金屬和農藥含量等[2][6]。其在實驗室中容易飼養，培養材料配制方法簡易，通常使用的培養方法有稻草培養液培養法、麥粒培養液培養法、牛奶培養液培養法等[4]。

生物節律是指不論單細胞還是多細胞，動物還是植物，所有生物在其生命過程中都會呈現一種周期性的有規律可循的活動現象[7][8]。目前普遍認為生物節律的影響因素有光照、溫度等條件[7][9][10]，已有研究表明高溫或者較高的重金屬離子濃度會影響生物體產生熱激蛋白進行熱激反應從而抵御外界環境的惡劣變化，熱激蛋白就是在動植物體內普遍存在的一種抗逆性蛋白，這種蛋白在動植物熱激反應過程中起著不可或缺的作用[11][12]。生物節律的研究具有十分重要的意義，如研究植物的生物節律可以使其在本不適宜其生存的地區生長繁殖從而增加生物的多樣性，研究動物的生物節律可以使其應用于醫學疾病方面的檢測和治療等[13][14][15]。

溫度是動植物生長過程中起重要作用的生長因子，每種生物生長繁殖時都需要一個較適宜的溫度來保證其生命活動的正常進行，溫度過低會使細胞凍傷從而損傷機體，溫度過高會使蛋白質變性失活等[10]。已有研究表明不同溫度的環境會對草履蟲的增殖有不同的影響，如草履蟲最適宜的增殖溫度為2°C左右，溫度升高會促進草履蟲的增殖，溫度的變化對草履蟲增殖的影響較為顯著等[16][17]。重金屬在空中、水體、土壤中都可廣泛存在，常見的重金屬有汞、鉛、鎘等，它們可對環境和動植物造成極大的危害，重金屬污染是主要的污染類型之一[18]。重金屬沿著食物鏈不斷積累最終在人體內匯集造成某些人體器官的衰竭[18]，重金屬會對微生物的結構、種類等造成影響[19]，重金屬影響熱激蛋白和熱休克蛋白的表達等等[11][20]。其中的代表之一鎘離子對動植物的危害除了體現在毒害作用以外，還可能導致生物重金屬積累導致慢性中毒、骨骼軟化和致癌性等方面[21][22][23]。

本實驗欲通過不同溫度和金屬鎘離子對草履蟲增殖節律的影響，探究草履蟲的生物節律及其影響因素，為以后熱激蛋白的表達和生物節律的潛在關系探索基礎，對研究水體環境污染和污染物的監測具有積極的意義，為今后對原生動物生物節律的研究積累一些數據，從而為更多生物的生物節律研究奠定基礎，使各種生物與人類可以一起更好的生存發展，真正達到和諧共處的目的。

1 材料與方法

1.1 供試草履蟲。野生草履蟲取自天津師范大學湖泊水中。

1.2 草履蟲的純化。首先將采集到的湖泊水原液中的草履蟲與其他原生動物進行分離，方法是在陽光充足的地方，用干凈透明的容器盛放湖泊水并觀察，靠近水面有針狀白色點狀物浮動，用習慣吸取上層清液后置于離心管中，采用差速離心法在4000r/min 的條件下離心3min，用吸管吸取上層清液并保留離心管底部的沉淀物約1mL，得到草履蟲沉淀。

1.3 稻草培養液的制備。取干凈無污染的干稻草剪成3cm 長的稻草段，按照其與蒸餾水為1g：1000mL 的比例進行配置，將配置好的溶液進行煮沸，10 分鐘后將溶液靜置于室溫下冷卻，冷卻至室溫后用雙層紗布密封容器并放置24h。

1.4 草履蟲的培養。將之前得到的草履蟲純化液與稻草培養液按1：10 的比例進行混合，將混合液放置于溫度為20°C，光照條件12L：12D 的恒溫培養箱中培養7 天，每天都應加入一定量的稻草培養液以補充草履蟲生長繁殖所需的營養物質。7 天后觀察草履蟲的狀態，若其生長狀況良好并且可以正常繁殖即可開始實驗。

1.5 不同溫度對草履蟲增殖節律的影響

1.5.1 不同溫度下處理草履蟲 將已得到的草履蟲培養液和稻草培養液分別平均分為5 組，分別在室溫、26°C、30°C、33°C、37°C 下按照1：1 的比例進行混合后置于對應的溫度條件下飼養，以在室溫下培養的草履蟲為對照，首先在實驗開始之前分別對其進行計數。

1.5.2 計數方法 在上午9:00 進行第一次記數，將草履蟲混合液搖勻后用微量移液槍吸取2μL 混合液，之后用相應溫度下的稻草培養液進行等量液體補充，使混合培養液始終保持固定的量。將2μL 的混合培養液置于潔凈的載玻片上進行觀察并計數，為防止草履蟲活動影響實驗結果的統計，還需在載玻片上滴加1μL 5%的稀鹽酸溶液固定草履蟲方便進行計數。按以上計數方法每4h 進行一次計數，即13:00 與17:00 分別進行第二、三次計數，為了保證數據的嚴謹從而減少誤差，每次計數應重復進行三次并計算平均值，實驗一共進行8h。

1.6 不同濃度的鎘離子溶液對草履蟲增殖節律的影響

1.6.1 不同濃度鎘離子處理草履蟲 首先配置濃度為0、10、20、30、40nmol/L 的鎘離子溶液，將草履蟲培養液和鎘離子溶液按1：1 的比例進行混合后置于20°C、光周期為12L：12D 的培養箱中進行培養。

1.6.2 計數方法 見1.5.2，注意每次計數前都應將混合培養液搖勻之后再取樣。計數結果分別見表1、表2。

1.7 統計與分析 主要使用SPSS19.9 軟件進行方差分析，運用的方法是Duncan 式新負極差法，顯著性為0.05。

2 結果與分析

表2

2.1 不同溫度對草履蟲增殖數量的影響見圖1、圖2，實驗結果表明前4 個小時內草履蟲的數量在各個溫度條件下都有所下降，30°C 時數量下降最多，且在對照、26°C、37°C 條件下草履蟲的增殖數量沒有顯著性差異，這三組與30°C 和33°C條件下的草履蟲增殖數量有顯著性差異。后4 個小時內在30°C 時草履蟲的數量顯著增多，其他溫度條件下草履蟲數量略微減少，且在對照、37°C 條件下草履蟲的增殖數量沒有顯著性差異，這兩組與26°C 、30°C 和33°C 條件下的草履蟲增殖數量有顯著性差異。

2.2 不同濃度的鎘離子對草履蟲增殖數量的影響見圖3、圖4，實驗結果表明前4 個小時內草履蟲的數量在各個濃度鎘離子的條件下都有所下降，對照組下降最少，且隨著鎘離子濃度增加，草履蟲下降數量逐漸增多，鎘離子濃度為20、30nmol/L 時草履蟲增殖數量沒有顯著性差異，這兩組與對照、10 和40 nmol/L條件下的草履蟲增殖數量有顯著性差異。后4 個小時內除了20nmol/L 以外的其他組中草履蟲數量有所上升，且實驗組的草履蟲增殖數量都略低于對照組，鎘離子濃度為10、40nmol/L 時草履蟲增殖數量沒有顯著性差異，這兩組與對照、20 和30 nmol/L 條件下的草履蟲增殖數量有顯著性差異。

3 結論

圖1

圖2

在不同溫度條件下，從整體上看，草履蟲對溫度有一定程度的抗逆性，且這種抗逆性隨時間不斷提升，并且在9:00-17:00 之間，在不同溫度條件下，草履蟲有一定的增殖節律。溫度是影響生物體內熱激蛋白含量的一個重要因素，在不同溫度下的熱激蛋白含量也會產生一定的變化。還有研究表明，在動物體中存在著生物節律基因來調控生物節律的變化，我們可以推測出了依靠基因來表達熱激蛋白之外，熱激蛋白的表達或許還受到生物節律基因的調控[24]。

圖3

圖4

在不同濃度的鎘離子對草履蟲的增殖節律影響實驗中，在9:00-13:00 時間段中草履蟲數量減少并且隨著鎘離子濃度增加，草履蟲死亡的數量也相應增加，而在13:00-17:00 時間段中，草履蟲的數量有所上升，且在鎘離子濃度為30nmol/L 時草履蟲增殖量達到最高，或許是此濃度的鎘離子刺激其體內表達了一定量的熱激蛋白從而對其自身起到了保護作用。這兩個時間段中草履蟲的增長差異性側面證明了草履蟲對鎘離子的抗性差異或許與生物節律相關。有相關研究證明，草履蟲在12L：12D的光照條件下對鎘離子的抗性會出現相應的生物節律變化，鎘離子在自然界的積累會使動植物造成一定的毒害作用，從而間接影響生物的生長發育繁殖過程中的生理生化反應。不過這種毒害作用也有反例，如在某些魚類、甲殼類生物的研究中發現一定量的重金屬離子可能會在某種程度上促進這些生物的繁殖[25]。除了鎘離子之外還有許多重金屬都會對動植物體內的熱激蛋白的表達量有一定的影響，影響熱激蛋白表達的因素除了有重金屬、高溫以外還有低溫、饑餓、甚至包括過高的種群密度[26]。

結合Hinrichsen RD 在2008 年的研究報告，本實驗通過研究草履蟲的增殖情況來驗證其體內的熱激蛋白的表達有周期性的特點，這周周期性表達很有可能與生物節律基因的表達有關[26]。治療腫瘤的新型方法之一——熱化療法就是利用熱激蛋白的表達來提高免疫效應細胞對腫瘤細胞的特異性免疫作用，達到殺死腫瘤細胞的目的[27][28]。但是溫度的升高和加熱時間過長都會對細胞有一定的損害作用，所以尋找最合適的條件是我們研究過程中的難題之一。本實驗從溫度脅迫和毒脅迫兩個方面來驗證草履蟲生物節律的變化，為以后研究熱激蛋白的表達和生物節律之間的潛在關系積累一定的數據，有助于人類關于腫瘤、癌癥等醫學方面的研究。