植物激素對螺旋藻生長和代謝產(chǎn)物含量的影響

植物激素對螺旋藻生長和代謝產(chǎn)物含量的影響

植物生長發(fā)育對高等植物的生長發(fā)育和生長發(fā)育起到了明顯的促進作用，因此在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上發(fā)揮著更多的作用。近年研究發(fā)現(xiàn)植物激素對藻類的生長和代謝產(chǎn)物的合成也具有顯著的刺激作用。曾曉春等發(fā)現(xiàn)2,4-二氯苯氧基乙酸(2,4-D)和6-芐基氨基嘌呤(6-BA)使鈍頂螺旋藻的生物產(chǎn)量具有明顯的提高趨勢。吲哚乙酸可以促進單細胞和多細胞藻的生長和分裂,赤霉素(GA)可增加大型海藻的生長速率,細胞激動素可以促進藻類的生長,加速細胞分裂,增加蛋白質(zhì)和葉綠素的含量,并可調(diào)節(jié)藻類的形態(tài)建成和再生。而系統(tǒng)地研究植物激素對鈍頂螺旋藻和極大螺旋藻生物學(xué)的影響少見報道。本文通過研究植物激素對螺旋藻生物量、生長速率、總糖、蛋白、SOD產(chǎn)量的影響,確定提高螺旋藻生物量和代謝產(chǎn)物含量的最佳激素種類及作用濃度,為螺旋藻的規(guī)模化培養(yǎng)提供理論依據(jù)。1材料和方法1.1材料表面1.1.1實驗用培養(yǎng)基螺旋藻由中國科學(xué)院典型培養(yǎng)物保藏委員會淡水藻種庫提供,分為鈍頂螺旋藻(Spirulinaplatensis)(#834)和極大螺旋藻(Spirulinamaximum)(#438)兩類。實驗前接種到1000mL三角燒瓶中進行活化純培養(yǎng),接種密度約為104個/mL。以AB培養(yǎng)基培養(yǎng)。光強設(shè)定為3000lx,pH為10.0,溫度為30℃±1℃,光暗周期為14h∶10h,不充氣培養(yǎng),每天搖動3次,取指數(shù)生長期的藻液進行實驗。1.1.2試劑6-芐基氨基嘌呤(6-BA)、萘乙酸(NAA)和赤霉素(GA),由上海萊鑫儀器有限公司提供。1.1.3精密設(shè)備的使用LD5-10型低速離心機(北京醫(yī)用離心機廠);LDZX-40BQ立式自動壓力蒸汽滅菌器(天津奧特賽恩斯儀器有限公司);JY型電子天平(上海精密科學(xué)儀器有限公司);凈化工作臺(上海博迅實業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠);7230G型分光光度計(上海精密科學(xué)儀器有限公司);玻璃儀器氣流烘干器(鄭州長城科工貿(mào)有限公司)。1.2激素試驗在基礎(chǔ)培養(yǎng)基AB中加入不同種類和濃度的激素,如表1所示。2結(jié)果2.13植物激素添加量的影響以添加0.4mg/L的NAA為例(圖1),螺旋藻空白樣品在生長3～7d時處于對數(shù)期,激素的添加使對數(shù)期增加至9d,而且每天的生物量均大于空白樣。加入植物激素確實在一定程度上加速藻體細胞增殖分裂,并明顯延長其對數(shù)期。在第9天后,激素濃度明顯減少。過低或過高的激素濃度會抑制植物生長,適宜的激素濃度會明顯使藻液產(chǎn)氣量增加,可在實驗中觀察到藻液中氣泡含量增加,代謝旺盛。2.1.1不同濃度的naa和ga比對說以最終獲得的產(chǎn)物量相比,在各激素及其濃度中,添加0.4mg/L的NAA使生物量達到最佳值。對鈍頂螺旋藻來說,分別加入0.4mg/L的6-BA、0.4mg/L的NAA及0.5mg/L的GA比加入其他濃度的激素效果好,分別使其生物量增加了25.4%、49.1%、15.2%(圖2)。將3種最適濃度激素進行對比發(fā)現(xiàn),加入NAA后能明顯延長對數(shù)期,加入GA能明顯提高藻體生物量。2.1.2ga比的延長將最終獲得的產(chǎn)物量相比,GA的效果明顯好于6-BA和NAA。和鈍頂螺旋藻相同,植物激素加速極大螺旋藻藻體細胞增殖分裂,延長了對數(shù)期。分別加入0.2mg/L的6-BA、1.6mg/L的NAA及1.0mg/L的GA比加入其他濃度的激素效果好。它們分別使其生物量增加44.9%、56.5%、65.2%將三種最適濃度激素進行對比發(fā)現(xiàn),加入GA后能明顯延長對數(shù)期,并且能明顯提高藻體干重生物量。NAA次之,6-BA最差。螺旋藻對GA更敏感。微量就能影響螺旋藻的生長繁殖。2.23植物激素對鈍頂螺旋比生長速率的影響2.2.1最大生長速率比生長率是衡量生物量增加快慢的參數(shù)。由圖4可以看出,當(dāng)激素濃度較低時,添加NAA的藻株生長速率明顯高于添加6-BA和GA的藻株。當(dāng)激素水平在高濃度時,三者相近。添加6-BA時,1.6mg/L6-BA是最大生長速率的濃度;添加NAA時,0.4mg/LNAA是最大生長速率的濃度;添加GA時,1.0mg/LGA是最大生長速率的濃度。整體上看,各激素水平中,NAA(0.4mg/L)是生長速率最大的,也即是相同時間內(nèi)生產(chǎn)生物量最大的,它使比生長率提高了66.7%。不同的激素及其濃度對螺旋藻的生長狀況影響不同,有其最適的激素水平。2.2.2最大生長速率由圖5可以看出,當(dāng)激素濃度較低時,添加NAA的螺旋藻的比生長速率明顯低于添加6-BA和GA的。當(dāng)激素水平在高濃度時,三者相近。添加6-BA時,0.2mg/L是最大生長速率的濃度,其生長速度高于其他任何濃度水平;添加NAA時,1.6mg/L是最大生長速率的濃度;添加GA時,1.0mg/L是最大生長速率的濃度。整體上看,各激素水平的生長速率差別不大,激素的添加明顯提高螺旋藻的生長速率,并且有其最適的激素濃度。2.33胞外蛋白元素藻類,特別是單細胞或群居的藻類,在他們所在的環(huán)境中排泄出大量的各種有機物和無機物以及低分子物質(zhì),包括糖、有機酸和肽類。這些過量的細胞內(nèi)合成物,通過細胞壁排泄到環(huán)境中。藻類培養(yǎng)時間的長短由排泄到細胞外的蛋白量來決定。隨著藻的生長,胞外蛋白的含量逐漸增加。影響藻類生長繁殖的又一重要因素是磷元素。在激素和磷的協(xié)同作用下會增加光合作用,同時磷也是進入卡爾文循環(huán)的化合物,糖的產(chǎn)生促進光合作用,進而刺激了藻類的生長繁殖。2.3.1胞內(nèi)總糖的濃度和濃度,是激對于鈍頂螺旋藻,以每克藻體干物質(zhì)為基準(zhǔn),衡量胞外總糖的產(chǎn)量,激素的添加明顯使產(chǎn)量提高。由圖6看出,對于6-BA,低濃度和高濃度均有較高產(chǎn)量;NAA隨濃度增加,產(chǎn)量隨之增加;對于GA,中間濃度較差,但仍明顯高于不加激素的產(chǎn)量。效果最好的是GA(0.1mg/L,和不加激素相比產(chǎn)量增加5倍),6-BA(0.2mg/L),NAA(1.6mg/L)。從整體上看,GA效果最好,6-BA次之,NAA最差。由圖7可知,對于胞內(nèi)總糖,加入6-BA,低濃度和高濃度均有較高產(chǎn)量;NAA隨濃度增加,產(chǎn)量隨之增加;對于GA,中間濃度較差,就其產(chǎn)量而言明顯高于不加激素的。此情況和產(chǎn)胞外總糖的激素水平參數(shù)一致,說明對于相同藻種,任一激素水平的添加對胞內(nèi)和胞外總糖的影響是一致的。效果最好的是GA(0.3mg/L),6-BA(1.6mg/L),NAA(1.6mg/L)。2.3.2最佳激素添加量的確定對于極大螺旋藻,以每克藻體干物質(zhì)為基準(zhǔn),衡量胞外總糖的產(chǎn)量,加入的6-BA隨濃度增加,產(chǎn)量隨之增加;由圖8可以看出,對于GA,中間濃度較差,低濃度和高濃度較好。效果最好的是GA(0.3mg/L),6-BA(1.6mg/L),NAA(1.6mg/L)。從整體上看,GA效果最好,和不加激素相比產(chǎn)量增加1.32倍。6-BA次之,NAA最差。對于不同的藻種,促使其產(chǎn)糖的激素水平不同;單純生物量的多少,不能衡量多糖產(chǎn)量的多少。衡量胞內(nèi)總糖的產(chǎn)量,發(fā)現(xiàn)激素的添加明顯使產(chǎn)量提高,由圖9可以看出,對于6-BA,隨濃度增加,產(chǎn)量隨之增加;對于GA,中間濃度較差,低濃度和高濃度較好。此情況和產(chǎn)胞外總糖的激素水平參數(shù)一致,說明對于相同藻種,任一激素水平的添加對胞內(nèi)和胞外總糖的影響是一致的。效果最好的是GA(0.3mg/L),6-BA(1.6mg/L),NAA(1.6mg/L)。從整體上看,6-BA的效果明顯優(yōu)于NAA,和不加激素相比產(chǎn)量增加2.4倍。2.3.3藻細胞的激素水平檢測對于鈍頂螺旋藻,以每克藻體干物質(zhì)為基準(zhǔn),由圖10可以看出,對于6-BA,低濃度和高濃度均有較高產(chǎn)量;NAA的中間濃度較差;對于GA,中間濃度較好。衡量胞內(nèi)蛋白的產(chǎn)量,效果最好的是6-BA(0.2mg/L),NAA(1.6mg/L),GA(0.5mg/L)。添加6-BA(0.2mg/L)和不加激素相比產(chǎn)量增加27.8%。不同的藻種,促使其產(chǎn)蛋白的激素水平不同;單純生物量的多少,不能衡量蛋白產(chǎn)量的多少。2.3.4胞內(nèi)蛋白的濃度和用量對于極大螺旋藻,以每克藻體干重為基準(zhǔn),由圖11可以看出,對于6-BA,隨濃度增加,產(chǎn)量隨之減少,有其最適的激素濃度,激素量過大會抑制螺旋藻的產(chǎn)蛋白能力;對于GA,濃度影響無太大差別,0.5mg/L最差。衡量胞內(nèi)蛋白的產(chǎn)量,效果最好的是NAA(1.6mg/L),GA(0.3mg/L),6-BA(0.2mg/L)。從整體上看,GA效果最好,NAA次之,6-BA最差。2.3.5藻細胞對sod酶的產(chǎn)酶由圖12可知,對于鈍頂螺旋藻,當(dāng)6-BA濃度為0.2mg/L時產(chǎn)SOD酶最多,過高濃度會抑制SOD的產(chǎn)量,當(dāng)NAA濃度為0.2mg/L時產(chǎn)SOD酶最多,當(dāng)GA濃度為0.5mg/L時產(chǎn)SOD酶最多,過低過高的濃度都不適于SOD的產(chǎn)出。不同的藻種,促使其產(chǎn)SOD的激素水平不同;單純生物量的多少,不能衡量SOD產(chǎn)量的多少。2.3.6sod酶的產(chǎn)酶由圖13可以看出,對于極大螺旋藻,當(dāng)6-BA濃度為1.6mg/L時產(chǎn)SOD酶最多,NAA的中間濃度最好,當(dāng)NAA濃度為0.8mg/L時產(chǎn)SOD酶最多,當(dāng)GA濃度為0.5mg/L時產(chǎn)SOD酶最多。3激素對藻類生長的促進作用從實驗結(jié)果可以得到:激素的添加明顯優(yōu)化了螺旋藻的生長態(tài)勢(圖1～4),同時也極大地提高螺旋藻的代謝產(chǎn)物含量(圖5～10)。在實驗中,螺旋藻生長對GA最敏感。添加GA(0.5mg/L),鈍頂螺旋藻生物量增加15.2%;添加GA(1.0mg/L),極大螺旋藻生物量增加65.2%。GA是一種高效能的植物生長刺激素,促進細胞分裂和增長,促進RNA和蛋白質(zhì)合成,使細胞壁酸化或消除細胞壁中Ca而使細胞壽命延長。GA對藻類生長的促進作用也已有很多報道。熊凡進行了GA對加速小球藻繁殖的作用實驗,證明其作用十分明顯。張坤城研究指出,質(zhì)量濃度為0.1mg/L的GA可以誘導(dǎo)孔石莼(Ulvalactuca)管狀結(jié)構(gòu)的加長,質(zhì)量濃度為0.1mg/L的GA能使小球藻(Chlorellasp.)的產(chǎn)量增加20%,質(zhì)量濃度為34mg/L時,可使裸甲藻產(chǎn)量增加40%。質(zhì)量濃度為0.4mg/L時,可使昆布的生長增加3倍;張芬來報道了GA對于扁藻生長的最適質(zhì)量濃度為0.1mg/L,GA對2種底棲硅藻的最佳質(zhì)量濃度均為0.5mg/L,低于或高于最佳質(zhì)量濃度,2種底棲硅藻的生長速率均有所下降,此實驗結(jié)果與作者得到的結(jié)論類似。植物激素促進螺旋藻生長的原因可能是它們