盐度对盐生杜氏藻叶绿体超微结构的影响

盐度对盐生杜氏藻叶绿体超微结构的影响 ()第 17 卷 第 4 期 Vol . 17 ,No . 4 徐州师范大学学报 自然科学版 ( ) J . of Xuzho u No r mal U ni . Nat ural SciencesDec . ,1999 1999 年 12 月 盐度对盐生杜氏藻叶绿体超微结构的影响 华 栋 , 耿德贵 ( )徐州师范大学 生物系 ,江苏 徐州 221009 ( ( ) ) 摘要 :研究不同盐度对盐生杜氏藻 D u n al iel l a sal i n a D u n al . Teod . 叶绿体超微结构的影响. 结果显示 ,在 NaCl 浓 度为 2 . 7 mol/ L 的培养液中 ,其叶绿体为典型的杯状结构 . 在 NaCl 浓度从 2 . 7 mol/ L 增加到 4 . 3 mol/ L 时 ,其杯状叶绿 体逐渐离解为多个相互连结或分离的部分 ;叶绿体内的类囊体片层系统解体并出现大量的嗜锇质体小球 ;在分离的叶绿 体间隙中形成多个线粒体. 在培养液的 NaCl 浓度逐步从 4 . 3 mol/ L 降低到 2 . 7 mol/ L 后 ,盐藻的叶绿体又逐步恢复为典 型的杯状结构. 由此可知 ,不同盐度下盐藻叶绿体的结构变化是一个可逆的过程 ,这种可逆变化是盐藻得以在高盐度 ,强 光照 ,易蒸发的自然环境中生存的一种适应机制 . 关键词 :盐生杜氏藻 ; 盐度 ; 叶绿体 ; 超微结构 () 文章编号 :100726573 19990420054205 中图分类号 : Q949 文献标识码 :A ( ( ) ) 盐生杜氏藻 D u n al iel l a sal i n a D u n al . Teod . 又名盐藻 , 是一种广盐性的单细胞绿藻 . 由于该藻 具有很强的耐盐特性和渗透调节能力 , 因此它可以生存于普通海水到各种盐度的水体中. 许多研究表 β明 , 高盐度的水体能促进藻细胞中 2胡萝卜素的积累 , 藻体的颜色会随之由绿色逐渐变为橙红色 ; 反 β之 , 水体盐度的降低则又能使藻体颜色由橙红色转变为绿色. 有关盐度变化对盐生杜氏藻积累 2胡萝 [ 1 , 2 ] 卜素的影响已有许多研究和报道, 但是与该藻体色变化相关的叶绿体形态结构变化的研究报道尚 不多见. 为了解盐度变化对该藻叶绿体形态结构的影响规律 , 笔者近年进行了盐生杜氏藻的培养和细胞 超微结构的观察研究. 现将研究结果报道如下. 1 材料与方法 1 . 1 藻种来源 3 试验藻种取自江苏台南盐场 ,经室内分离纯化而来. 1 . 2 样品培养 试验样品共分四组 ,各组培养条件如下 : 4 ( 1 号样品 将藻种接种于 NaCl 浓度为 2 . 7 mol/ L 的 Jo hnso n 培养液中其中的 KNO含量改为3 ) () 0 . 5 g/ L ,下同,置室内向阳窗下利用自然光照在室温 15,30 ?下培养. 接种培养 15 d 后取样固定. 2 号样品 在 1 号样品培养 7 d 后 ,将处于对数生长期的藻液分出一半进行加盐处理 . 具体方法是 每隔 12 h 向培养液中加入 NaCl ,每次加入量为每 100 ml 培养液加盐 2 . 5 g. 经 4 次添加使培养液的 Na2 Cl 浓度达到 4 . 3 mol/ L . 然后继续在原有的温度和光照条件下培养. 在高盐培养 15 d 后 ,藻体颜色变成 桔红色时取出部分藻液供取样固定. 3 号样品 在取过 2 号样品后剩余的藻液中加入不含 NaCl 的 Jo hnso n 培养液 ,加入量为原培养液 体积的 1/ 10 ,以后每隔 2 h 再添加一次 ,经过 5 次添加 ,使培养液的 NaCl 浓度降至 2 . 7 mol/ L 左右 ,然 后在上述的光照和温度条件下继续培养 ,4 d 后取出部分藻液供取样固定. (的 4 . 5 %戊二醛溶液中 等渗缓冲液系根据不同样品培养液的含盐量 ,在磷酸缓冲液中分别加入适量 ) NaCl 配成. 后经等渗磷酸缓冲液洗涤 ; 1 %锇酸溶液后固定 ; 系列酒精脱水 ; Epo n812 环氧树脂包埋 L KB —?型超薄切片机切片 ;醋酸双氧铀 ,柠檬酸铅染色 ; H —600 透射电镜观察照相. 2 实验结果 2 . 1 1 号样品的生长情况和叶绿体结构 在 NaCl 浓度为 2 . 7 mol/ L 的培养液中 ,盐藻的生长情况良好 ,体色呈黄绿色 ,细胞分裂繁殖过程 常 . 电镜照片显示 ,藻细胞内有一个大型的杯状叶绿体 ,叶绿体内的类囊体片层结构与叶绿体表面呈 行方向排列 ,稠密而整齐 ,片层结构间的基质清晰透明. 叶绿体中央有一个大型的蛋白核 ,蛋白核外有 () 著的淀粉鞘包被 见文后图版中图 1. 2 . 2 2 号样品的生长情况和叶绿体结构 在 NaCl 浓度为 4 . 3 mol/ L 的培养液中 ,盐藻细胞的体色变为桔红色 ,生长和繁殖处于抑制状态 , 检中未见细胞分裂现象. 电镜照片显示 ,细胞内的杯状叶绿体分离成数个大小不等 、形状不规则 、相互 系或独立的部分. 叶绿体内的类囊体片层大部分已经解体 ,仅能见到少数分散而且模糊的片层结构. 绿体基质浓厚 ,基质中出现大量的质体小球. 蛋白核和淀粉鞘依然存在 ,但淀粉鞘的体积略有减小 . 在 () 绿体之间的空隙中出现了多个已经形成或正在形成的线粒体 图 2 ,3 ,4. 2 . 3 3 号样品的细胞生长情况和叶绿体结构 在培养液的 NaCl 浓度从 4 . 3 mol/ L 降低到 2 . 7 mol/ L 后 4 d ,盐藻的体色随之由桔红色转变为 绿色. 镜检可见许多细胞分裂现象. 电镜照片显示 ,原来分散的叶绿体彼此结合形成杯状 ,并由外而内 步形成典型的片层结构 ,片层间的基质逐渐变得清澈透明. 但根据片层结构的排列方向仍可看出原来 离状态时的叶绿体痕迹. 蛋白核依然存在 ,淀粉鞘不完整且体积显著缩小 ,淀粉鞘四周的叶绿体基质 然浓厚而模糊 ,其中片层结构尚未恢复. 叶绿体中的质体小球数量显著减少. 原来存在于分散叶绿体 () 隙中的线粒体依然存在 图 5. 2 . 4 4 号样品的细胞生长情况和叶绿体结构 在培养液中的 NaCl 浓度降到 2 . 7 mol/ L 并继续培养 11 d 后 ,盐藻细胞的体色和生长情况已经 全恢复到正常状况. 镜检表明 ,细胞分裂活动活跃 ,细胞数量显著增长. 电镜照片显示 ,4 号样品的叶 体结构与 1 号样品完全一致. 叶绿体内已很少见到质体小球 ,在整个杯状叶绿体范围内线粒体已全部 )(失 . 本文不再另附 4 号样品的电镜照片 3 讨论 本项实验表明 ,盐藻在适生的盐度范围内 ,其细胞内具有一个大形的杯状叶绿体 ,叶绿体的超微 构与许多文献的描述完全一致. 然而 ,在 NaCl 浓度达 4 . 3 mol/ L 以上的高盐情况下 ,盐藻处于生长受 状态 ,此时的叶绿体会发生显著的形态 、结构和成分的变化 ,如杯状叶绿体的离解 、类囊体片层系统的 体 、质体小球的大量产生和类胡萝卜素的大量积累等 ,其中有些变化与被子植物花果中杂色体的形成 5 为相似. 但是盐藻叶绿体结构的变化是一个可逆的过程 ,一旦盐度降低 ,叶绿体又可恢复为典型的 状结构 ,这与被子植物花果中杂色体的形成是一种不可逆的分化发育成熟的过程有着本质上的区别. 5 盐藻在高盐环境下 ,叶绿体中出现大量质体小球 ,这种现象可视为积累类胡萝卜素的标志. 事 ()第 17 卷 56 徐州师范大学学报 自然科学版 现象表明 ,盐藻的营养方式已由完全的光合自养方式向消耗体内贮存养分的途径转化 ,其呼吸作用因此 8 也会有显著的增强. 有关实验 证明 住所证明下载场所使用证明下载诊断证明下载住所证明下载爱问住所证明下载爱问 ,高盐协迫会加重盐藻细胞的能量消耗. 在盐度重新降低 ,光合片 层系统重新形成的过程中 ,淀粉鞘的体积仍然在继续减小 ,叶绿体间的线粒体则依然存在. 这表明 ,在新 生的光合片层尚不足以提供细胞的能量需要时 ,仍然需要贮存淀粉的分解来补充能量供应的不足 . 在盐 藻的杯状叶绿体完全恢复为正常结构后 ,叶绿体之间的线粒体也随之消失 ,淀粉鞘的体积逐渐增大 ,由 此表明盐藻已完全恢复光合自养的营养方式. 本项实验从细胞形态结构的角度为这种能量代谢方式转 化过程的存在提供了有力的证据. 在盐度引起的盐藻细胞结构变化中 ,最显著的变化就是叶绿体片层系统的解体和重建 ,质体小球的 形成和消失以及线粒体数量的增加和减少. 所有这些变化均涉及膜结构的发生与解体. CAMA RA B 等 9 在论述辣椒杂色体的转化时曾经指出 ,从质膜的内层经内折 ,可形成小泡或其它内膜. 但在我们的盐 藻实验中没有观察到这种现象. 从光合片层的大量解体的同时又有质体小球的大量发生来看 ,可以认为 解体的光合片层可以成为组成质体小球被膜结构的材料 ;同样 ,从质体小球大量解体的同时 ,光合片层 迅速形成来看 ,质体小球解体后的膜结构又可以成为重新形成光合片层的材料. 值得指出的是 ,在 2 号样品的电镜照片上可以看到 ,光合片层已经解体的叶绿体中出现了几个由多 ( ) 层膜围成的同心圆结构 ,其中心有一个已经形成的线粒体 图 3. 这一现象是以前文献中从未报道过 的 . 但要证明盐藻此类线粒体是否被叶绿体完全包被 ,是否可以完全不依靠原有线粒体而重新产生 ,则 需要通过连续切片的观察和同位素标记等更进一步的研究手段才能得出明确的结论 . P F E IHO F ER A O ,B E I TON J C 曾报道指出 ,生活于 3 . 5 %,25 % NaCl 浓度范围内的盐藻 ,在其完 10 整叶绿体的冰冻破裂复型膜和超薄切片上均未显示出任何可以令人注意的结构变化. 然而 ,我们的 实验结果与他们有很大不同. 其原因可能与实验所用的盐藻种系 、培养条件 、制片的方法手段不同有关 . 参考文献 : β刘建国 ,赵学武 ,王玉君 ,等 . 胁迫条件下盐藻2胡萝卜素及其异构体积累的研究 ———盐度的影响 J . 海洋与湖沼 , 1 () 1994 ,25 1:71 . () 姜建国 ,姚汝华 . 盐生杜氏藻生长及胡萝卜素累积的动力学过程 J . 水生生物学报 ,1998 ,22 4:393 . 华栋 ,2 () () 刘文 ,倪士峰 . 盐生杜氏藻新品系的选育 J . 徐州师范大学学报 自然科学版,1998 ,16 2:60 . BOROW I 3 TZKA M A ,BOROW I TZKA L J . Micro2Algae BiotechnologyM . Cambrid ge U ni Press ,1988 . 27,51 . 朱徵 ,方4 () 昭希 . 珊瑚豆果实成熟过程中叶绿体转化为杂色体的研究 J . 植物学报 ,1995 ,37 2:81 . 5 L O EBL ICH L A. Photosynt hesis and pigment s influenced by light intensity and salinity in t he halop hilic D . sal i n a 6 ( ) Chlorop hytaJ . J Mar Biol Ass U K ,1982 ,62 :493 . 李杰芬等 . 植物生理学 M . 北京 :北京师范大学出版社 ,1988 . 62 . () 陈志 ,焦新之 ,刘虹. 杜氏盐藻质膜 A TPase 在渗透调节中的可能作用 J . 植物生理学报 ,1991 ,17 4:333 . 7 CAMARA B ,B RAN GEON J . Carotenoid metabolism during chloroplast to chro moplast t ransformatio n in Capsicu m an2 8 n u u m caltiver , Yoto Wo nder f ruit J . Planta . 1981 ,151 :359 . 9 PF EIF HO F ER A O ,B EL TON J C. Ult rast ruct ural changes in chloroplast s resulting f ro m fluct uatio ns in NaCl co ncent ra2 () tio n : f reeze2f ract ure of t hylakoid membranes in D u n al iel l a sal i n a J . J Cell Sci ,1975 . 18 2:287 . 10 ()第 17 卷 58 徐州师范大学学报 自然科学版 图版 说明 关于失联党员情况说明岗位说明总经理岗位说明书会计岗位说明书行政主管岗位说明书 N . 细胞核 P. 淀粉核 SS. 淀粉鞘 M . 线粒体 G. 高尔基体 F. 鞭毛 T. 类囊体 P G. 质体小球 CH. 叶绿体 图 1 示 NaCl 浓度为 2 . 7 mol/ L 培养液中盐藻叶绿体的典型杯状结构 . ×60 000 图 2 示 NaCl 浓度为 4 . 3 mol/ L 培养液中盐藻叶绿体的超微结构 ,片层系统解体 ,叶绿体中出现大量质 体小球 . ×60 000 图 2 部分放大 ,示叶绿体之间的两个线粒体 . ×180 000 图 3 图 4 生活于 NaCl 浓度为 4 . 3 mol/ L 的培养液中的盐藻细胞横切面 ,示叶绿体离解成独立的或彼此相连 的若干部分 . ×120 000 图 5 在培养液的 NaCl 浓度从 4 . 3 mol/ L 下降到 2 . 7 mol/ L 4 d 后的盐藻细胞纵切面 ,示杯状叶绿体重 新形成 ,光合片层之中的线粒体仍然存在. ×120 000 Explanat ion of Plate N . nucleus P. p yrenoid SS. starch sheat h M . mitocho ndrio n F. flagellum G. golgi apparat us T. t hylakoid P G. plastoglobule CH. Chloroplast Fig. 1 Showing t ypical cup2shaped chloroplast of an algal cell living in t he medium co ntaining 2 . 7 mol/ L Na2 Cl . ×60 000 Fig. 2 Showing t he ult rast ruct ure of t he algal cell living in t he medium co ntaining 4 . 3 mol/ L NaCl . ×60 000 Fig. 3 An enlarged portio n of fig. 2 , showing t wo mitocho ndria wit hin t he chloroplast . ×180 000 Fig. 4 A t ransverse sedtio n of t he algal cell living in t he medium co ntaining 4 . 3 mol/ L NaCl , showing t he chloroplast break into so me part s eit her independent or co ntacting. ×120 000 Fig. 5 A lehgisdetio n of t he algal cell t hat 4 days af ter t he ext racellular NaCl co ncent ratio n decreased f ro m 4 . 3 mol/ L to 2 . 7 mol/ L , showing t he chloroplast is resuming it s cup2shape , t he mitocho ndria are still existing amo ng t he t hylakoids yet . ×120 000 Eff ect of Sal in ity on Ultra structure of Chl oropla st in D u n a l iel l a s a l i n a HU A Don g , G EN G De2g ui ()Depart ment of Biology , Xuzhou Normal U niversity , Xuzhou 221009 ,China Abstract :The ult rast ruct ure of chlo roplast in D u n al iel l a sal i n a is st udied under varied co ncent ratio ns of NaCl . The result s show t hat t he algal cell has a t ypical cup2shaped chlo roplast in t he medium co ntaining 2 . 7 mol/ L NaCl . As t he co ncent ratio n of NaCl increases f ro m 2 . 7 to 4 . 3 mol/ L , t he chlo roplast breaks in2 to sevaral eit her independent o r co ntacting part s gradually ; t he t hylakoid system is disintegrated and re2 placed by numero us o smiop hilic plasto glo buli ; so me mitocho ndria appear amo ng t he chlo roplast s. As co n2 cent ratio n of NaCl decreases f ro m 4 . 3 to 2 . 7 mol/ L , t he chlo roplast s of t he alga can resume p rogressively to a t ypical cup2shaped st ruct ure . Therefo re , t he change of chlo roplast of D u n al iel l a sal i n a is a reversible p rocess , such reversibility makes it po ssible t hat t he alga can live under t he hypersaline , high light and e2 vapo rative enviro nment s. Key words : D u n al iel l a s al i n a ; salinit y ; chlo roplast ; ult rast ruct ure