不同光照強度對一種新紫菜孢子體的光合色素和葉綠素熒光參數的影響

王楠 蘇妮 顧全 李信書 劉建羽

摘要 ?將新紫菜孢子體放置在5種不同的光照強度下［10、20、40、80、160 μmol/（m2 ·s）］培養，測量葉綠素a（Chl a）、類胡蘿卜素（Car）、藻紅蛋白（PE）、最大光合效率（Fv/Fm）和最大相對電子傳遞速率（rETRmax），探討光照強度對新紫菜孢子體的光合色素含量和葉綠素熒光參數的影響。結果表明，20 μmol/（m2 ·s）培養下的新紫菜光合色素（Chl a、Car和PE）含量在培養期間都呈現出一個較高的數值，培養30 d后的新紫菜孢子體的Fv/Fm呈現出較高值。80和160 μmol/（m2 ·s）處理下培養至15 d 時其葉綠素熒光參數（Fv/Fm和rETRmax）呈現出較高的數值，培養至30 d時其光合色素含量和葉綠素熒光參數均呈現出一個低值。20 μmol/（m2 ·s）條件培養下的新紫菜孢子體色澤呈現健康的紫紅色，高光［80、160 μmol/（m2 ·s）］培養下的新紫菜孢子體色澤變淡，發黃。根據其光合色素含量和葉綠素熒光參數來看，新紫菜孢子體最適培養光照強度應該在20 μmol/（m2 ·s）。

關鍵詞 ?新紫菜；光照強度；光合色素；葉綠素熒光參數

中圖分類號 ?S968.3+1? ?文獻標識碼 ?A? 文章編號 ?0517-6611（2024）07-0001-04

doi： 10.3969/j.issn.0517-6611.2024.07.001

Effects of Different Light Intensity on Photosynthetic Pigment and Chlorophyll Fluorescence Parameters of Neoporphyra sp.Sporophyte

WANG Nan，SU Ni，GU Quan et al

（Key Laboratory of Marine Biotechnology，College of Marine Science and Fisheries，Jiangsu Ocean University，Lianyungang，Jiangsu 222005）

Abstract ?The sporophytes of Neoporphyra? sp. were placed in 5 different light intensities，respectively 10，20，40，80 and 160 μmol/（m2 ·s），respectively.Chlorophyll a （Chl a），carotenoids （Car），phycoerythrin （PE），maximum photosynthetic efficiency （Fv/Fm） and maximum relative electron transfer rate （rETRmax） were measured，the effects of light intensity on photosynthetic pigment content and chlorophyll fluorescence parameters of Neoporphyra?sp.sporophyte were explored.The result showed that the photosynthetic pigment contents （Chl a，Car，and PE） of N.sp.sporophyte by 20 μmol/（m2 ·s） were relatively high during the cultivation period，and the Fv/Fm of Neoporphyra?sp.sporophyte after 30 days of cultivation showed a high value.The chlorophyll fluorescence parameters （Fv/Fm and rETRmax） showed high values after cultured at 80 and 160 μmol/（m2 ·s） for 15 days，while the photosynthetic pigment content and chlorophyll fluorescence parameters showed low values after 30 days of culture.The sporophytes of Neoporphyra?sp.were healthy purplish red in 20 μmol/（m2 ·s） cultures，while the sporophytes of Neoporphyra?sp.were light and yellow in high light cultures［80 and 160 μmol/（m2 ·s）］.According to the photosynthetic pigment content and chlorophyll fluorescence parameters，the optimal light intensity of Neoporphyra?sp.spores was 20 μmol/（m2 ·s）.

Key words ?Neoporphyra?sp.;Light intensity;Photosynthetic pigment;Chlorophyll fluorescence parameter

我國作為農業大國，紫菜是我國出口的重要海洋農作品中不可或缺的一部分，是食物的來源之一，同時也是我國沿海城市重要的經濟來源［1-2］。紫菜蘊含的營養物質的含量相對也比較高，物美價廉［3］。紫菜還能有效改善海洋環境的富營養化問題，增加溶解氧含量，調控海水環境，防治海洋酸化問題以及海洋低溶氧問題等［4］。紫菜富含人體所需的多種物質，長期食用能夠促進人體健康、提高人體防御抵抗能力等功效［5］。在連云港的海域地區調查中發現了一種紫菜，經過初步研究，這種紫菜只在Genebank有少量記錄，沒有正式命名。該種紫菜的孢子體具有形態細長、藻體較薄、耐干出等特點，具有潛在的栽培價值和生態價值。

光是植物生長發育的一部分，也是光合作用過程中不可缺乏的一部分，能夠促進植物體的新陳代謝，促進植物體細胞分化以及細胞分裂，是植物體不可缺少的外界條件［6］。生長在潮間帶的大型藻類紫菜在其培養過程中必須應對潮間帶環境因素的巨大變化，其中包括光照強度這一重要環境因 素。關于其他大型藻類的研究中，很多藻類的生長與其光合活性密切相關，例如螺旋藻。由于相對較高的光合生理活性可以加速藻體的生長，因此研究藻體的光合生理特性對藻種的選育具有重要意義［7］。從育種的角度來看，培育具有高光利用效率的品種也是至關重要的。在光照試驗中，試驗人員更多是使用人工光源培育植物體的生長發育，該試驗采用LED光源為紫菜生長提供培養光強［8］。為了更好地培育該種新紫菜，筆者研究新紫菜在不同時期下不同光照強度下葉綠素熒光特性、光合色素含量，探討其對不同光照強度的響應，找到其最適合的培養光照強度。

1 材料與方法

1.1 試驗材料 ???試驗材料為實驗室培養的新紫菜孢子體，在實驗室將孢子體在無菌海水內通空氣培養3 d即開始試驗，采用VSE滅菌天然海水培養基。

1.2 試驗條件設置

HP1000G-D型植物培養箱內設置5種不同的光照強度，分別為10、20、40、80和160 μmol/（m2 ·s）。 將新紫菜的孢子體放入500 mL培養瓶中，每個光照強度條件下設置3個平行試驗，溫度20 ℃，光周期為12 h/12 h。

1.3 試驗方法

1.3.1 ???葉綠素a（Chl a）和類胡蘿卜素（Car）的測定。

新紫菜孢子體培養至15和30 d后，稱取0.1 g左右的孢子體放入含有5 mL甲醇的離心管中，避光處理。放置4 ℃的冰箱冷藏24 h后，4 ℃、5 000 r/min離心10 min。吸取上清液3 mL，測量其在470、653、666 nm波長處的吸光度。Car和Chl a的計算公式如下：

Car=（1 000×A470+1 403.57×A666-3 473.87×A653）/221

Chl a=15.65×A666-7.53×A653

其中，A470、A653和A666代表在對應波長下的吸光度。

1.3.2 ???藻紅蛋白（PE）的測定。

新紫菜孢子體培養至15和30 d后，稱取0.1 g左右的孢子體與石英砂、磷酸緩沖液（pH=6.8）研磨碎。用磷酸緩沖液將其定容至15 mL，4 ℃、5 000 r/min離心15 min。吸取3 mL上清液，測量其在455、564、592、618、645 nm波長處的吸光度。PE和PC的計算公式如下：

PE=［（A564-A592）-（A455-A592）×0.2］×0.12

其中，A455、A564、A592代表對應波長下的吸光度。

1.3.3 ???葉綠素熒光參數的測定。

新紫菜孢子體培養至15和30 d后，取5種不同光照強度下等量新紫菜的孢子體放置于比色皿中，暗處理15 min，然后用手持便攜式葉綠素熒光測定儀測量最大光合效率（Fv/Fm）、相對電子傳遞速率（rETR）。

2 結果與分析

2.1 不同光照強度處理下新紫菜孢子體葉綠素a和類胡蘿卜素含量

從圖1A可以看出，不同光照強度下培養15 d的新紫菜孢子體的葉綠素a含量在20 μmol/（m2 ·s）條件下達到了最大值（281.35 μg/g），之后開始隨著光照強度的增加逐漸降低。20 μmol/（m2 ·s）條件下的葉綠素a顯著高于其他光照強度處理組， 在160 μmol/（m2 ·s）條件下達到了最低值（173.11 μg/g）。在20 μmol/（m2 ·s）條件下，類胡蘿卜素含量達到了最大值（53.36 μg/g），之后開始隨著光照強度的增加逐漸降低 ，在160 μmol/（m2 ·s）條件下達到了最低值（27.07 μg/g）。

從圖1B可以看出，不同光照強度下培養30 d的新紫菜孢子體的葉綠素a含量在10和20 μmol/（m2 ·s）光照強度條件下無顯著差異（P＞0.05）；在20 μmol/（m2 ·s）光照強度條件下達到了最大值（527.09 μg/g），之后開始隨著光照強度的增加逐漸降低，在160 μmol/（m2 ·s）條件下達到了最低值（249.95 μg/g）。新紫菜孢子體的類胡蘿卜素含量變化的趨勢與新紫菜孢子體的葉綠素a含量趨勢相同。在20 μmol/（m2 ·s）條件下含量達到了最大值（77.74? μg/g），之后隨著光照強度的增加而降低，在80 μmol/（m2 ·s）條件下達到了最低值（30.00 μg/g）。

2.2 不同光照強度處理下新紫菜孢子體藻紅蛋白含量

從圖2可以看出，不同光照強度下培養15 d的新紫菜孢子體藻紅蛋白含量隨著光照強度的增加而升高并在20 μmol/（m2 ·s）條件下達到了最大值（3 754.48 μg/g），之后隨著光照強度的增加逐漸降低。10、20和40 μmol/（m2 ·s）條件下的藻紅蛋白含量顯著高于80和160 μmol/（m2 ·s）條件下的藻紅蛋白含量，在160 μmol/（m2 ·s）條件下達到了最低值（1 363.12 μg/g）。

不同光照強度下培養30 d的新紫菜孢子體藻紅蛋白含量隨著光照強度的增加而升高并在20 μmol/（m2 ·s）條件下達到了最大值（3 965.68 μg/g），之后開始隨著光照強度的增加逐漸降低。10、20和40 μmol/（m2 ·s）條件下的藻紅蛋白含量顯著高于80和160 μmol/（m2 ·s）條件下的藻紅蛋白含量，在160 μmol/（m2 ·s）條件下達到了最低值（405.76 μg/g）。

2.3 不同光照強度處理下新紫菜孢子體的最大光合效率（Fv/Fm）

從圖3A可以看出，不同光照強度下培養15 d的新紫菜孢子體Fv/Fm在80 μmol/（m2 ·s）條件下達到了最大值（0.53）。高光照強度［80和160 μmol/（m2 ·s）］條件下的Fv/Fm顯著高于低光照強度［10、20和40 μmol/（m2 ·s）］條件下的Fv/Fm，在10和40 μmol/（m2 ·s）條件下達到了最低值（0.39）。

從圖3B可以看出，不同光照強度下培養的新紫菜孢子體Fv/Fm隨著光照強度的增加而升高，并在20 μmol/（m2 ·s）條件下達到了最大值（0.44），之后隨著光照強度的增加逐漸降低。20 μmol/（m2 ·s）條件下的Fv/Fm顯著高于其他光照強度條件下的Fv/Fm，在160 μmol/（m2 ·s）條件下達到了最低值（0.25）。

2.4 不同光照強度處理下新紫菜孢子體的相對電子傳遞速率（rETR）

從圖4可以看出，不同光照強度下培養15和30 d的新紫菜孢子體的快速光響應曲線達到峰值時的光照強度不同，且峰值也不同。不同光照強度條件下快速光響應曲線趨勢相似，15 d處理下的80和160 μmol/（m2 ·s）條件下峰值最高，顯著高于其他光照強度條件下的峰值。30 d處理下的20 μmol/（m2 ·s）條件下峰值最高，160 μmol/（m2 ·s）條件下峰值最低。

根據圖4，計算得出新紫菜孢子體在15和30 d的最大相對電子傳遞速率（rETRmax）、飽和光照強度（Ik）和低光利用率（α），如表1～2所示。15 d的新紫菜孢子體的rETRmax在80 μmol/（m2 ·s）條件下達到了最大值，為41.74 μmol/（e·m2 ·s）， 在40 μmol/（m2 ·s）條件下達到了最小值，為25.26 μmol/（e·m2 ·s）；15 d的新紫菜孢子體的Ik在20 μmol/（m2 ·s）條件下達到了最大值，為415.13 μmol/（m2 ·s），在10 μmol/（m2 ·s）條件下達到了最小值，為320.88 μmol/（m2 ·s）；15 d的新紫菜孢子體的α在10和40 μmol/（m2 ·s）條件下達到了最小值（0.14），在80和160 μmol/（m2 ·s）條件下達到了最大值（0.19）。30 d的新紫菜孢子體的rETRmax在40 μmol/（m2 ·s）條件下達到了最大值，為39.88 μmol/（e·m2 ·s），在160 μmol/（m2 ·s）條件下達到了最小值，為25.85 μmol/（e·m2 ·s）；30 d的新紫菜孢子體的Ik在20 μmol/（m2 ·s）條件下達到了最大值，為814.96 μmol/（m2 ·s），在160 μmol/（m2 ·s）條件下達到了最小值，為459.15 μmol/（m2 ·s）；30 d的新紫菜孢子體的α在20 μmol/（m2 ·s）條件下達到了最大值（0.21），在80和160 μmol/（m2 ·s）條件下達到了最小值（0.12）。

3 討論

3.1 不同光照強度處理對新紫菜孢子體光合色素的影響

在對紫菜的研究試驗中，光照強度作為重要的外界因素之一，對其的研究是不可分割的一部分。光合色素含量是紫

菜的重要組成部分，因為這些組成部分與紫菜本身色澤和生理組分組成密切相關［9］。該研究使用的實驗室培養的新紫

菜孢子體，不同光照強度處理下其光合色素含量發生了明顯的變化，這種變化可能會影響其光合特性和光適應能力。有研究表明壇紫菜的顏色基于主要光合色素如葉綠素a（Chl a）、藻紅蛋白（PE）和藻藍蛋白（PC）的相對含量，因此主要光合色素含量的測定可以在一定程度上反映光合色素產品的質量［10］。作為主要的捕光色素之一，PE含量的增加可以提高光吸收能力。葉綠素主要作為光合反應中心色素，Chl a和PE的增加可以將更多的能量轉移到反應中心，提高其光合利用效率［11-13］。因此，在短暫的高光照強度下生長時，新紫菜孢子體中PE可以通過狀態轉換將能量轉移給光系統 Ⅱ（PSⅡ） ，還可以通過狀態轉換將能量轉移給光系統 Ⅰ（PSⅠ），從而新紫菜孢子體在高光照強度下表現出更高的光能利用率，但是長時間處于高光照強度培養下會顯著降低新紫菜孢子體光合色素含量。

在目前的研究中，隨著培養時間的變化，培養至30 d的新紫菜孢子體在20 μmol/（m2 ·s）條件下的葉綠素a（Chl a）、類胡蘿卜素（Car）和藻紅蛋白（PE）的含量高于其他光照強度條件下的含量。這也說明在適宜的光照強度下有利于新紫菜孢子體的光合色素累積。

3.2 不同光照強度處理對新紫菜孢子體的葉綠素熒光參數的影響

生活在潮間帶養的紫菜孢子體，一定程度上必須應對高光照強度和脫水等脅迫環境［14］。實際上，光脅迫現象可能在紫菜的生長期間頻繁發生，這也降低了紫菜的數量和質量［15］。有相關研究表明為了在高光脅迫環境下生存，紅藻進化出了一種狀態轉換機制，以調節PSⅠ和PSⅡ間吸收的光能［16］。相關研究表明，葉綠素熒光和光合色素含量等光合參數的測定有助于分析在脅迫環境下生長的不同藻體的光合特性，因為這些特性與生長活性密切相關。因此，光合作用參數的測量可能有助于提高繁殖效率［17］。葉綠素熒光通常用于光合作用的研究，特別是PSⅡ參數，葉綠素熒光已被廣泛用于研究陸地植物和藻類的光合特性和脅迫耐受能力［18］。有相關研究表明藻體的PSⅡ在過度光照下受到抑制［19］。該研究中培養至30 d的新紫菜孢子體在160 μmol/（m2 ·s）處理下Fv/Fm顯著低于其他光照強度處理下，說明過高的光照強度抑制了其光合作用。長期的高強度光照會對紫菜的生長產生抑制作用。高光照強度下，紫菜的Fv/Fm會隨著光照強度的增加而增加，但同時也會增加光抑制作用，導致紫菜的光合作用達到飽和后， 繼續增加光照強度對光合作用并沒有促進作用。而低光照強度下，光照不足導致紫菜的光合作用速率下降，但同時也減少了光抑制作用，使得紫菜能夠更有效地利用有限的光能進行光合作用［20-21］。

4 結結

該研究將新紫菜孢子體放置在5種不同的光照強度下［10、20、40、80、160 μmol/（m2 ·s）］培養，測量葉綠素a（Chl a）、類胡蘿卜素（Car）、藻紅蛋白（PE）、最大光合效率（Fv/Fm）和最大相對電子傳遞速率（rETRmax），探討不同時期下不同光照強度對新紫菜孢子體的光合色素含量和葉綠素熒光參數的影響， 找到其最適合的培養光照強度。結果表明，20 μmol/（m2 ·s）培養下的新紫菜光合色素（Chl a、Car和PE）含量在培養期間都呈現出一個較高的數值，培養30 d后的新紫菜孢子體的Fv/Fm呈現出較高的值；80和160 μmol/（m2 ·s） 處理下培養至15 d 時其葉綠素熒光參數（Fv/Fm和rETRmax）呈現出較高的數值，培養至30 d時其光合色素含量和葉綠素熒光參數均呈現出一個低值。20 μmol/（m2 ·s）條件培養下的新紫菜孢子體色澤呈現健康的紫紅色，高光［80、160 μmol/（m2 ·s）］培養下的新紫菜孢子體色澤變淡，發黃。由此可見，光照強度在20 μmol/（m2 ·s）條件下有利于新紫菜孢子體的光合色素（Chl a、Car、PE）累積，從而增強其光合作用效率和抗氧化能力，提高其色澤強度，促進其進行有效的光合作用。長期處于過高的光照強度會使新紫菜孢子體葉綠素a、類胡蘿卜素、藻紅蛋白含量下降，從而抑制其光合作用。根據其光合色素含量和葉綠素熒光參數來看，新紫菜孢子體最適培養光照強度在20 μmol/（m2 ·s）。

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基金項目 ??江蘇省科技廳蘇北科技專項（LYG-SZ201817）；江蘇省現代農業重點項目（BE2018335）。

作者簡介 ??王楠（1999—），女，江蘇連云港人，碩士研究生，研究方向：海藻生物學。*通信作者，教授，碩士生導師，從事紫菜生物學研究。