南极冰藻逆境适应性机理的研究进展

史翠娟, 阚光锋, 缪锦来, 李光友

(1. 哈尔滨工业大学(威海) 海洋学院, 山东 威海 264209; 2. 国家海洋局 海洋生物活性物质重点实验室 山东 青岛 266061)

南极冰藻逆境适应性机理的研究进展

Progress of the adversity acclimation of Antarctic ice microalgae

史翠娟1, 阚光锋1, 缪锦来2, 李光友2

(1. 哈尔滨工业大学(威海) 海洋学院, 山东 威海 264209; 2. 国家海洋局 海洋生物活性物质重点实验室 山东 青岛 266061)

1956年, Bunt等[1]在南极莫森站附近海域首先观察到了海冰中的有色物质——冰藻, 它主要是指生活在南极极端环境海冰中的一大类微型藻类(简称冰藻)。进入 20世纪 90年代, 随着“南极海冰区生态学研究计划”和“南极海冰区近岸和陆架系统生态学研究计划”的相继推出, 越来越多的科学家开始对海冰内的微藻等微生物表现出极大的兴趣, 在冰藻的生理生化特性以及对严酷极地环境适应性等方面开展了大量的研究工作[2～4]。

冰藻是南极冰层微生物生态环境中的主体, 春夏季(10月至次年1月份)达到最大生长量, 叶绿素含量每立方米能够达到几百甚至上千毫克[5]。同时, 冰藻能够分泌许多有机物, 残体分解也可产生大量的可溶性物质(主要是糖类)。当海冰融化时, 这些有机和无机营养物质被释放出来, 为浮游动植物的大量繁殖提供物质和能量基础。此外, 南极冰藻已经成为新技术研究的核心材料, 是研究宇宙中其他冰雪星球上生物体的模式生物[6,7]。科学家们发现, 冰藻中蛋白质、不饱和脂肪酸等含量较高[8], 是潜在的饲料和食品添加剂来源。

在南极, 海冰形成非常迅速, 冰藻的生长经历了生存环境的巨大变化： 温度、光照、碳源、盐度等,其中还必须经历几周没有光照的异养生活阶段。为了在南极生存, 冰藻必须有特殊的生理生化变化来适应这些极端环境。作者主要对南极冰藻的抗冻性、抗辐射和耐盐性进行了综述, 以期为南极微生物的开发利用起到抛砖引玉的作用。

1 南极冰藻对低温环境的适应性

南极是地球上最冷的地区, 低温是极地最基本的特征, 严寒的气候在南极已存在至少 1 400万年,海冰的温度从-50℃到-2℃, 在南大洋南部, 水温常年在 0℃以下[5], 低温适应性是南极冰藻最基本的特征。

Raymond等[9,10]研究发现, 南极的蓝藻突变体、绿藻、硅藻和苔藓等浮游生物体常常产生许多胞外分泌物(如黏液、冰活性物质等), 将冰核阻隔在藻体之外。其中冰活性物质(Ice-active substances, IASs)是一种重要的胞外分泌糖蛋白, 附着在增大的冰的表面, 蚀刻冰晶或使冰晶变形, 调整生长冰晶的形状[11]。同时, 冰藻能够分泌大量无机钙离子、糖类和多羟基类等物质, 大大降低了冰藻细胞及周围溶液的冰点, 既避免了胞内结冰对细胞器的直接伤害,同时减少了有毒物质的积累对细胞的间接伤害[5,12]。Clarke等[13]对 3种雪藻的超微结构进行了研究, 发现它们的质膜有许多内陷, 可以增加细胞膜的弹性,能够抵抗－20 ℃温度的反复冻溶。冰藻细胞中内含物质及细胞质膜弹性的增加使细胞器受冰晶体损害的几率大大减小, 维持正常的叶绿体光合和线粒体供能作用。

不饱和脂肪酸在冰藻的低温适应性中起重要作用。冰藻细胞质中含有常温藻不含有的二十二碳六烯酸, 这种脂肪酸主要存在于冷水域的无脊椎动物中, 其抗冻机制还不清楚。另一方面, 冰藻细胞膜中的不饱和脂肪酸含量远远高于常温藻, 同时脂肪酸链的缩短、支链的增加和环状脂肪酸的减少, 都能够在低温下维持正常的膜流动性[14], 使膜蛋白的运输、磷酸化以及光吸收等功能正常发挥。

科学家们在研究中[15,16]发现, 在海冰微生物中存在 β-牛乳糖蛋白质酶类、磷酸酶、淀粉酶和核酮糖-1,5-二磷酸羧化加氧酶等许多适冷或耐盐的蛋白质酶类, 能够保持冰藻细胞内的代谢速率, 维持冰藻的正常代谢。

2 南极冰藻对高辐射环境的适应性

近年来, 由于大量大气污染物(氯氟烃化物、一氧化氮、溴甲烷等)的释放, 平流层臭氧空前降低, 南极春季臭氧层厚度仅为平时的 50%, 紫外辐射波长也从299 nm扩展到294 nm[17], 特别是UV-B(280～320 nm)对生物体的生存环境影响很大。臭氧空洞使到达海冰的UV-B大量增加, 可以达到水下60 m, 其中0～30 m 处的UV-B有一定的生物学效应[18]。

UV-B对藻细胞中分子的伤害目标主要是蛋白质、色素和DNA等[19]。UV-B能够通过减小冰藻光合作用速率, 改变藻类色素的组成, 影响冰藻 RNA的转录和DNA的复制[20,21], 从而降低藻类的生长速率。但一些试验结果表明, UV-B对冰藻的影响不像人们预测的那样显著[22]。

其实, 对UV-B辐射最好的屏蔽物质就是南极的雪和冰层, 能够屏蔽绝大多数的UV辐射。研究表明[19],经常生活在阴凉处或深水区的藻类对 UV-B很敏感,细胞中含有UV-B受体蛋白, 这是一类光敏色素, 能感受UV-B强度。当环境中的UV-B强度超过一定限度时, 它能传递信号使藻向下或向阴凉处迁移, 以避开UV-B辐射。

大量研究表明, 绝大多数藻类含有或经诱导能合成 UV-B屏蔽色素, 各种色素吸收不同波长的UV-B, 使 UV-B在进入细胞之前就被减弱或过滤,这些 UV-B吸收物质常常分布在细胞壁中或分泌到周围的环境中。这些屏蔽物质, 有些是细胞固有的,有些是 UV-B诱导后形成的, 也有些本是细胞固有,但UV-B诱导后含量增加的[19]。藻类的UV-B屏障色素主要有 Sporopollenin、Mycosporine、类菌孢素氨基酸(MAAs)等[23,24]。MAAs是藻类普遍存在的UV-B屏障色素, 已经在南极浮游生物体中发现了 8种MAAs[25]。但不同的种类之间及同种藻在不同强度的UV-B下含量差别很大。MAAs复合物是在强光条件下合成的, 能够降低UV辐射对藻体的光抑制[26]; 同时, MAAs还能保护 DNA免受 UV损伤[27]; Garcia-Pichel等[28]研究了蓝细菌Cyanobacteria的20个株系, 证明了MAAs在320 nm能吸收10%～26%的光辐射, 这大大减少了 UV对生物体结构或生理方面的损害。科学家们对南极冰藻席藻 Phormidium sp.、Leptolyngbya sp.和棕囊藻 Phaeocystis pouchetii的研究[29]发现： 这些藻中含有较多的黏叶黄质、玉米黄质、岩藻黄质、硅甲藻黄素、硅藻黄质、β-胡萝卜素、海胆酮、19'-butanoyloxyfucoxanthin和19'-hexanoyloxyfucoxanthin等类胡萝卜素, 可以有效地减少UV-B造成的伤害。正是由于这些屏障色素的存在, 才使一定强度的UV-B不会对细胞造成伤害。有相当多的藻在刚遇到UV-B增强时, 会显出受伤害现象, 但一定时间后, 即使仍在同样强度的UV-B下,也不会表现出伤害迹象, 原因之一就是在UV-B的诱导下, 大量合成了吸收UV-B的物质, 而使UV-B在进入细胞之前已被减弱或滤除。Newman等[30]用Phaeocystis antarctica饲喂南极磷虾(Euphausia superba), 发现磷虾中MAAs含量大量升高, 抗辐射能力也相应提高, 这对人类抗辐射物质的开发是有益的启示。

研究表明, 有些藻类在 UV-B环境中, 合成抗UV-B的同功物质, 以适应这种环境。比较典型的例子是聚球藻Synechococcus sp. PCC7492[31,32]。当藻体受到UV-B辐射后, 编码PSⅡD1蛋白的基因簇psbA的表达迅速发生改变。原来编码PSⅡD1∶1的psAI表达减弱, 而编码 PSⅡD1∶2的基因 psAⅡ的表达明显增强。经过一段时间后, PSⅡD1∶1被PSⅡD1∶2所取代。实验证明, 缺psAⅡ和psAⅢ的突变品系对UV-B很敏感, 而表达psAⅡ和psAⅢ的突变品系几乎完全不受UV-B的影响。这也是有些藻只在短时间内受UV-B影响的原因之一。

一般情况下, 藻生活的环境中氧含量很高, 高UV-B环境中可以产生大量的活性氧、自由基和有毒化学物质[33], 对藻细胞的成分和结构都会产生破坏作用。2000年11月15到12月30日间, 科学家们测定南极冰藻生活的盐囊和盐通道中自由基的含量为2.5×106mol/mL, 远远高于人们预先的估计值[34]。科学家们的研究发现, 在藻细胞中存在大量能消除自由基的物质, 如谷胱甘肽氧化还原系统(GSH/GSSG)、维生素 C、过氧化物酶(POD)、超氧化物歧化酶(SOD)、类胡萝卜素(特别是γ-carotene)和酚类等, 它们在低温下仍保持高的活性。通过氧化还原反应消除藻体细胞中的自由基。Pratt等[35]认为,藻类是天然抗氧化剂的潜在来源, 而冰藻生活的特殊极端环境应该比常温藻具有更多更高的抗氧化剂。

太阳光中的 UV-A和蓝光能激活光复活酶, 冰藻细胞中光复活酶活性较强, 能够及时修复被UV-B损伤了的DNA, 避免了DNA伤害的积累效应。只有单位时间内 UV-B造成的损伤超出了其修复极限时,才会导致冰藻的伤害, 甚至死亡。

3 南极冰藻对高盐环境的适应性

与淡水冰不同, 海冰为半固体状态, 中间存在大量网状的通道和盐囊, 大小从几个毫米到几千米不等, 冰晶形成时排出的盐分都释放到这些孔洞之间。随温度的降低, 孔洞变小, 盐度可达到普通海水的 3～5倍[36,37]。Stevens[36]清楚地看到了这些通道,像一个完整的鸟巢, 每立方米有50～200个。冰藻就生活在这些高盐浓度的孔洞中, 融化时冰藻周围生活环境的盐度则接近淡水值, 在日积月累的海冰冻溶变化中, 冰藻逐渐形成了适应这种变化的生理生化机制。

高盐度对冰藻的伤害主要是高渗透压形成的脱水来胁迫细胞[38]。渗透压的调节, 需要胞内和胞外渗透调节剂的调整, 包括无机离子和一些有机物质(如,脯氨酸、甘露醇和甜菜碱)。高盐度下, 这些物质积累或者合成; 低盐度下分解或释放。目前, 在冰藻中已经发现了一种重要的渗透调节剂——dimethylsulfonioproprionate(DMSP)。同时科学家们发现冰藻细胞中不饱和脂肪酸比例的增加与冰藻的耐盐性呈正比例关系[39]。

在耐盐的生物体中, 找到了一些在宽盐度范围内起作用的耐盐酶类[16,39], 其在高盐环境下保持生物体的正常新陈代谢。

4 总结与展望

除了冰藻生活的低温、强辐射和高盐的极端环境之外, 冰藻生存在封闭或者是半封闭的盐囊中,缺乏气体的传播和无机营养的交换, CO2含量较低,不溶性有机物高, 营养物质低, 氨的含量高, pH偏高等条件, 在长期的生存过程中, 南极冰藻形成了一系列的生理生化机制来适应南极海冰中这些极端条件。

正是由于冰藻这种特殊的生理特征, 必然使其成为研究低温生物学的良好试验材料和新型活性物质的潜在来源。本文为更加合理地开发南极的低温藻类资源, 从应用上丰富我国现有的微生物资源,从中开发出有价值的生理活性物质和产品提供有益启示。

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Q178

A

1000-3096(2010)04-0100-04

2008-04-20;

2008-10-31

国家自然科学基金项目(40506005)

史翠娟(1977-), 女, 山东招远人, 硕士, 工程师, 研究方向为极端海洋生物与分子遗传发育, E-mall： shicjwh@126.com

(本文编辑： 张培新)