北极小球藻光合作用对温度胁迫的响应
在当前全球变暖的大背景下，极地微藻能否快速适应极区温度变化，会影响北极生态系统群落的结构，乃至该地区海洋的碳汇能力。一株适冷北极小球藻（Chlorella sp. Lw2006/68）表现出很强的广温适应性。本文通过运用叶绿素荧光技术测定该株小球藻最大光化学效率Fv/Fm，实际光化学效率yield II， qRT-PCR检测rbcl基因表达来探究北极小球藻光合作用对温度胁迫的响应。研究发现，该藻在3-27℃范围内，均表现出较好的生长状况，低温胁迫对小球藻的影响要高于高温胁迫，而低温下能够长时间保持高效的电子传递效率的这种特异能力使得北极小球藻拥有了较高的光合能力。
目录
摘要1
关键词1
Abstract1
Key words1
引言1
1材料与方法3
1.1材料及其培养 3
1.2实验方法 3
1.2.1测定该藻在不同温度下的生长曲线 3
1.2.2测定该藻在不同温度下的光合效率 3
1.2.3总RNA提取及cDNA第一条链的合成 4
1.2.4目的基因荧光定量PCR表达量变化的检测 4
2结果与分析 4
2.1不同温度下的北极小球藻生长状态 5
2.2不同温度下的北极小球藻的光合效率7
2.3总RNA质量检测8
2.4荧光定量的目的基因片段制备结果8
3讨论 9
3.1北极小球藻的光合效率9
3.2北极小球藻rbcl基因的表达9
致谢10
参考文献11
北极小球藻光合作用对温度胁迫的响应
引言
引言
作为地球上最重要的高寒生态系统之一，在北极地区生长的微藻是极地生态系统中最主要的初级生产者[1]。在当前全球变暖的严酷形势下，极地微藻是否能够快速适应极地地区温度变化，会影响到北极生态系统群落的结构，甚至是该地区海洋的碳汇能力[2, 3]。因此极地微藻对于环境温度的适应机制一直是极地生物环境适应性的研究焦点之一。
极地微藻主要分布的地区包括南极地区、北极地区和海拔较高的雪山上。这些 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
微藻在海冰中繁殖旺盛 ,使得海冰表面看起来为棕色[4]；每年夏天的优良条件还会促进藻类迅速繁殖产生厚厚的藻华。因此每年夏季的开始，冰体破裂融化后，微藻就成为了极地地区主要的生物量和能量流。目前已知的冷适应（Coldadapted algae）藻类主要包括嗜寒藻类（Psychrophilic）和适冷藻类（Psychrotrophic），嗜寒藻类生长的最适温度低于15℃，同时致死温度低于20℃ ，而适冷藻类生长的最适温度和致死温度则高于15和20℃[4]。 这体现出适冷藻强大而又神奇的适应能力。
目前嗜寒微藻的低温适应机理方面的研究占据了极地微藻环境温度适应性研究的主要地位[5]。由于嗜寒藻与适冷藻对温度的耐受性不同且生境的环境因子也存在极大差异，导致其对温度的适应机制也存在较大差异。寒冷低温是极地环境的一个重要特征，极地微藻通过降低自身的生化反应速率、改变某些细胞组分的稳定性等其他多种途径来调整生命活动适应极地环境。
光合作用以及能量代谢都是对藻类生产力输出至关重要的基础代谢[6]，同时也都是对环境温度极为敏感的感受器[7,8]。由于光化学反应和能量代谢的酶促反应对温度胁迫的敏感程度不同，在低温胁迫下，常使得光化学反应阶段形成的电子激发压和光能代谢库耗散的不平衡。藻类需要协调两者之间的平衡，来达到所谓的“光稳态”（Photostasis），才能适应环境温度胁迫。研究发现，低温胁迫下，极地藻类可采用多种调节方式来达到光稳态。适冷微藻有着比嗜冷微藻更加强大的适应能力，尽管环境条件苛刻，环境影响因子会对适冷微藻产生不同程度的影响，但是适冷微藻依旧能够形成一套自己的体系来对抗各种胁迫，然而相关方面的研究甚少。
卡尔文循环，又称光合碳循环（暗反应）。它是生物有机体固定碳、把光能转化为化学能的重要途径，可使其动物质以分子的形态进入和离开此循环后发生再生。碳以二氧化碳的形态进入并以糖的形态离开卡尔文循环。卡尔文循环普遍地存在于藻类、绿色植物和光合细菌中。Rubisco酶（核酮糖1,5二磷酸羧化/氧化酶）是碳同化过程中的关键酶,它不仅有催化CO2还原的功能，同时还有催化1,5二磷酸核酮糖氧化的功能,参与地球的碳循环,因此对农业和环境都具有特殊意义。Rubisco作为CO2固定过程中的关键酶，可能是地球上含量最丰富的蛋白质，每年可以从大气中固定约1011 t CO2 。它是光合生物中研究得最多、最深入的一个酶，正是由于它提供了生命活动所需的有机碳的缘故。在低温和高温的胁迫下，Rubisco酶的活性受到了抑制，且低温时抑制更加明显。有研究表明，Rubisco活性关系到植物光合作用所需的各种生态因子，因此其活性受抑制必然会影响微藻的光合作用。在Rubisco催化羧化反应开始前，首先要进行活化[9]。其活化的过程是一个H+ 、活化分子CO2 、Mg2+ 与酶结合的过程，过程中需要ATP水解提供能量，ATP水解受温度影响，所以由于温度影响到了ATP的水解，进而也会影响到Rubisco的活性。
Rubisco主要有三种类型，微藻主要包括的是第一种类型，它由8个大亚基（大亚基基因(rbcL)相对保守）和8个小亚基（小亚基基因变异大）组成。Ⅰ型rbcL基因又可分为A、B、C、D 4类。A类主要包括原细菌(protobacteria);B类主要由蓝细菌、绿藻和高等植物组成;C类主要由部分原细菌组成;而D类主要包括了杂色藻，这是根据氨基酸序列的不同而确定的。正是因为大亚基基因(rbcL)相对保守的特性，在研究物种间系统学关系方面，常将Rubisco大亚基基因(rbcL)用作一种比较恰当的指示基因,它目前已经在植物系统学、海洋浮游植物系统学及多样性、淡水浮游植物遗传多样性、海洋浮游植物群体rbcL基因表达及其海洋环境变化相关性等研究领域广泛地应用[10]。
本次课题希望通过叶绿素荧光技术针对北极小球藻光合作用对温度胁迫这一环境因子变化所做出的响应进行细致研究，进一步测定光合作用与能量代谢途径关键酶——碳同化关键酶 Rubisco的大亚基基因rbcl的表达，通过 qRTPCR 技术检测rbcl基因表达，探究其适应温度逆境的特殊机理。
选题立足于极地生物与环境温度适应这个国家和社会高度关注的问题，通过研究一种具有特殊广温适应性的适冷极地小球藻的光合作用对低/高温胁迫的响应，从其光合作用的角度初步阐明这类具有良好温度适应能力的极地生物适应温度逆境的特殊抗逆机理，提供理论基础和数据资料。应用基础上，由于我国北方地区冬季比较寒冷，低温条件下微藻的室外大规模培养难以进行。本研究实验中所选育的适冷小球藻可以在低温较低温度下正常生长繁殖，通过探讨适冷小球藻对环境温度的适应机制，本研究可为人工大规模培养适冷小球藻技术提供理论支撑。
目录
摘要1
关键词1
Abstract1
Key words1
引言1
1材料与方法3
1.1材料及其培养 3
1.2实验方法 3
1.2.1测定该藻在不同温度下的生长曲线 3
1.2.2测定该藻在不同温度下的光合效率 3
1.2.3总RNA提取及cDNA第一条链的合成 4
1.2.4目的基因荧光定量PCR表达量变化的检测 4
2结果与分析 4
2.1不同温度下的北极小球藻生长状态 5
2.2不同温度下的北极小球藻的光合效率7
2.3总RNA质量检测8
2.4荧光定量的目的基因片段制备结果8
3讨论 9
3.1北极小球藻的光合效率9
3.2北极小球藻rbcl基因的表达9
致谢10
参考文献11
北极小球藻光合作用对温度胁迫的响应
引言
引言
作为地球上最重要的高寒生态系统之一，在北极地区生长的微藻是极地生态系统中最主要的初级生产者[1]。在当前全球变暖的严酷形势下，极地微藻是否能够快速适应极地地区温度变化，会影响到北极生态系统群落的结构，甚至是该地区海洋的碳汇能力[2, 3]。因此极地微藻对于环境温度的适应机制一直是极地生物环境适应性的研究焦点之一。
极地微藻主要分布的地区包括南极地区、北极地区和海拔较高的雪山上。这些 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
微藻在海冰中繁殖旺盛 ,使得海冰表面看起来为棕色[4]；每年夏天的优良条件还会促进藻类迅速繁殖产生厚厚的藻华。因此每年夏季的开始，冰体破裂融化后，微藻就成为了极地地区主要的生物量和能量流。目前已知的冷适应（Coldadapted algae）藻类主要包括嗜寒藻类（Psychrophilic）和适冷藻类（Psychrotrophic），嗜寒藻类生长的最适温度低于15℃，同时致死温度低于20℃ ，而适冷藻类生长的最适温度和致死温度则高于15和20℃[4]。 这体现出适冷藻强大而又神奇的适应能力。
目前嗜寒微藻的低温适应机理方面的研究占据了极地微藻环境温度适应性研究的主要地位[5]。由于嗜寒藻与适冷藻对温度的耐受性不同且生境的环境因子也存在极大差异，导致其对温度的适应机制也存在较大差异。寒冷低温是极地环境的一个重要特征，极地微藻通过降低自身的生化反应速率、改变某些细胞组分的稳定性等其他多种途径来调整生命活动适应极地环境。
光合作用以及能量代谢都是对藻类生产力输出至关重要的基础代谢[6]，同时也都是对环境温度极为敏感的感受器[7,8]。由于光化学反应和能量代谢的酶促反应对温度胁迫的敏感程度不同，在低温胁迫下，常使得光化学反应阶段形成的电子激发压和光能代谢库耗散的不平衡。藻类需要协调两者之间的平衡，来达到所谓的“光稳态”（Photostasis），才能适应环境温度胁迫。研究发现，低温胁迫下，极地藻类可采用多种调节方式来达到光稳态。适冷微藻有着比嗜冷微藻更加强大的适应能力，尽管环境条件苛刻，环境影响因子会对适冷微藻产生不同程度的影响，但是适冷微藻依旧能够形成一套自己的体系来对抗各种胁迫，然而相关方面的研究甚少。
卡尔文循环，又称光合碳循环（暗反应）。它是生物有机体固定碳、把光能转化为化学能的重要途径，可使其动物质以分子的形态进入和离开此循环后发生再生。碳以二氧化碳的形态进入并以糖的形态离开卡尔文循环。卡尔文循环普遍地存在于藻类、绿色植物和光合细菌中。Rubisco酶（核酮糖1,5二磷酸羧化/氧化酶）是碳同化过程中的关键酶,它不仅有催化CO2还原的功能，同时还有催化1,5二磷酸核酮糖氧化的功能,参与地球的碳循环,因此对农业和环境都具有特殊意义。Rubisco作为CO2固定过程中的关键酶，可能是地球上含量最丰富的蛋白质，每年可以从大气中固定约1011 t CO2 。它是光合生物中研究得最多、最深入的一个酶，正是由于它提供了生命活动所需的有机碳的缘故。在低温和高温的胁迫下，Rubisco酶的活性受到了抑制，且低温时抑制更加明显。有研究表明，Rubisco活性关系到植物光合作用所需的各种生态因子，因此其活性受抑制必然会影响微藻的光合作用。在Rubisco催化羧化反应开始前，首先要进行活化[9]。其活化的过程是一个H+ 、活化分子CO2 、Mg2+ 与酶结合的过程，过程中需要ATP水解提供能量，ATP水解受温度影响，所以由于温度影响到了ATP的水解，进而也会影响到Rubisco的活性。
Rubisco主要有三种类型，微藻主要包括的是第一种类型，它由8个大亚基（大亚基基因(rbcL)相对保守）和8个小亚基（小亚基基因变异大）组成。Ⅰ型rbcL基因又可分为A、B、C、D 4类。A类主要包括原细菌(protobacteria);B类主要由蓝细菌、绿藻和高等植物组成;C类主要由部分原细菌组成;而D类主要包括了杂色藻，这是根据氨基酸序列的不同而确定的。正是因为大亚基基因(rbcL)相对保守的特性，在研究物种间系统学关系方面，常将Rubisco大亚基基因(rbcL)用作一种比较恰当的指示基因,它目前已经在植物系统学、海洋浮游植物系统学及多样性、淡水浮游植物遗传多样性、海洋浮游植物群体rbcL基因表达及其海洋环境变化相关性等研究领域广泛地应用[10]。
本次课题希望通过叶绿素荧光技术针对北极小球藻光合作用对温度胁迫这一环境因子变化所做出的响应进行细致研究，进一步测定光合作用与能量代谢途径关键酶——碳同化关键酶 Rubisco的大亚基基因rbcl的表达，通过 qRTPCR 技术检测rbcl基因表达，探究其适应温度逆境的特殊机理。
选题立足于极地生物与环境温度适应这个国家和社会高度关注的问题，通过研究一种具有特殊广温适应性的适冷极地小球藻的光合作用对低/高温胁迫的响应，从其光合作用的角度初步阐明这类具有良好温度适应能力的极地生物适应温度逆境的特殊抗逆机理，提供理论基础和数据资料。应用基础上，由于我国北方地区冬季比较寒冷，低温条件下微藻的室外大规模培养难以进行。本研究实验中所选育的适冷小球藻可以在低温较低温度下正常生长繁殖，通过探讨适冷小球藻对环境温度的适应机制，本研究可为人工大规模培养适冷小球藻技术提供理论支撑。
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