利用荧光分析技术研究北极微藻对温度、光照变化的响应

论文摘要

荧光分析方法能对藻类生物量、群落组成、生产力和生理状态进行有效监测,具有灵敏度高和干扰小的特点。本文采用调制叶绿素荧光技术（脉冲-振幅-调制:Pulse-Amplitude-Modulation,简称为PAM技术）、流式细胞术（FCM）和荧光光谱三种活体荧光技术,研究了北极微藻对温度和光照变化的响应,建立了一种在快速变化的环境下对北极微藻进行综合监测的新方法。本文选取了北极异帽藻（Heterocapsa arctica）、红胞藻（Rhodomonas sp.）、衣藻（Chlamydomonas sp.）和Micromonas sp. 4种北极微藻作为研究对象,在预实验的基础上,选取5000 lux固定光照强度下3个不同温度水平（北极异帽藻和红胞藻为-2°C、2°C和6°C,衣藻和Micromonas sp.为-2°C、6°C、10°C）和6°C条件下3个不同光照强度水平（5000 lux、15000 lux和25000 lux）对4种北极微藻进行实验室培养,研究了主要环境因子温度和光照对其生长和生理状态的影响。主要研究成果如下:（1）对4种北极微藻在不同的温度、光照条件下的最大光化学量子产量Fv/Fm和快速光曲线拟合参数（动态荧光信息）进行分析研究。结果表明:北极异帽藻、红胞藻、衣藻和Micromonas sp.在其对应的3个培养温度水平下生长健康,并且分别在6°C,2°C,6°C和-2°C时光合能力最强;4种北极微藻在3个不同光照水平下光合生理变化特征相似,在15000 lux和25000 lux两个较强光照条件下,最大光合电子传递速率（rETRmax）没有提高,且捕光能力下降; 25000 lux光照强度下,除衣藻以外,其余3种藻均处于胁迫状态,但对强光的耐受能力增强。（2）对直径﹤20μm的3种北极微藻,红胞藻、衣藻和Micromonas sp.进行流式细胞术分析。3个不同温度的数据分析结果表明:2种微型北极微藻红胞藻和衣藻的细胞大小对温度变化有显著响应,且不同培养时间之间差异显著（P﹤0.05）;3种藻在-2°C条件下具有最高的单细胞Chl a含量,该色素在低温下起到补偿作用,红胞藻相对最高的单细胞藻胆素含量也使之能更有效的利用光能,而衣藻和Micromonas sp.的类胡萝卜素含量,在低温下显著高于两个较高温度下（P﹤0.05）,且在生长延迟期内迅速上升,出现明显的峰值,起到低温下的保护作用。3个光照条件下流式细胞术光学信息分析结果表明:红胞藻的藻胆素含量在光照强度升高到25000 lux条件下显著降低,以减小对光的吸收;衣藻的单细胞类胡萝卜素含量在较强光照条件下显著升高（P﹤0.05）,起到光保护作用,且在3个光照强度条件下细胞快速增殖使细胞碳含量、单细胞Chl a含量及类胡萝卜素含量在指数生长期内迅速降低,说明衣藻对强光的耐受能力较强,生长活跃;Micromonas sp.在较强光照下单细胞Chl a显著降低（P﹤0.05）,类胡萝卜素含量则显著升高（P﹤0.05）。（3）研究了微藻中不同的光合色素对于环境变化的响应。结果表明不同的光合色素对于环境变化表现出不同的特征。3个温度条件下光谱荧光强度比值分析表明:6°C条件下,Chl a（438 nm）本身是4种藻维持种群生存的最有效色素;类胡萝卜素（490 nm）（FCM中的橙色荧光）与Chl c（460 nm）为维持低温下较高的光合活性起到积极作用;衣藻和Micromonas sp.所含的Chl b对维持10°C下种群生存起到积极作用。光强对北极微藻色素的影响比温度小,其中Chl c对红胞藻在15000 lux条件下产生高的生物量产生积极作用,藻胆素则对红胞藻在5000 lux条件下维持种群生存起到积极作用。（4）考察了温度和光照对北极微藻种群丰度和种群Chl a荧光强度的影响。结果表明:温度和光照对北极微藻种群丰度和生物量有显著影响。北极微藻在低温下光合生理正常但生长相对缓慢,较高温度条件下延迟期减短,种群丰度增加,而强光在一定程度上能促进细胞分裂,使种群丰度增加。北极异帽藻、红胞藻、衣藻和Micromonas sp.在其对应的3个培养温度范围内分别在-2°C、2°C、10°C和-2°C条件下具有最高的种群Chl a荧光强度。在3个光照条件下,北极异帽藻和红胞藻在15000 lux条件下种群Chl a荧光强度最高,衣藻和Micromonas sp.在5000 lux条件下种群Chl a荧光强度最高。总的来说,微藻动态荧光是两种静态光学的综合反映,静态荧光为动态荧光提供了机理。FCM荧光测量更加灵敏但是较为粗略,而光谱荧光则较为细化,再配合以分辨率高的小波分析法,使对光合色素荧光变化的研究更加精确。所以,本文综合运用3种不同的荧光技术,对北极微藻在不同温度、光照条件下的光合生理、单细胞光学性质和荧光光谱进行研究,为实现北极微藻在快速变化环境下的综合监测提供了一种新方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 前言
• 1 文献综述
• 1.1 荧光分析方法在微藻研究中的应用
• 1.1.1 叶绿素荧光分析技术
• 1.1.2 流式细胞术
• 1.1.3 荧光光谱法
• 1.2 温度、光照与北冰洋微藻
• 1.2.1 全球气候变化背景下的北冰洋环境快速变化
• 1.2.2 温度和光照对微藻的影响
• 1.3 本文的研究内容及意义
• 2 实验部分
• 2.1 仪器和试剂
• 2.1.1 仪器
• 2.1.2 材料与试剂
• 2.2 微藻的选择及其实验室培养
• 2.2.1 实验藻种的选用
• 2.2.2 微藻的实验室培养
• 2.3 微藻活体荧光数据的测量
• 2.3.1 PAM 技术测量
• 2.3.2 FCM 测量
• 2.3.3 活体荧光光谱测量
• 3 北极微藻的 PAM 技术分析
• V/F_M值的影响'>3.1 温度和光照变化对北极微藻F_V/F_M值的影响
• 3.1.1 温度对北极微藻Fv/Fm的影响
• 3.1.2 光照对北极微藻Fv/Fm的影响
• 3.2 温度变化对北极微藻快速光曲线（RLC）拟合参数的影响
• 3.2.1 温度对北极异帽藻RLC 拟合参数的影响
• 3.2.2 温度对红胞藻RLC 拟合参数的影响
• 3.2.3 温度对衣藻RLC 拟合参数的影响
• 3.2.4 温度对Micromonas sp. RLC 拟合参数的影响
• 3.3 光照变化对北极微藻快速光曲线（RLC）拟合参数的影响
• 3.3.1 光照对北极异帽藻RLC 拟合参数的影响
• 3.3.2 光照对红胞藻RLC 拟合参数的影响
• 3.3.3 光照对衣藻RLC 拟合参数的影响
• 3.3.4 光照对Micromonas sp. RLC 拟合参数的影响
• 3.4 小结
• 4 北极微藻的流式细胞术分析
• 4.1 FCM 数据预处理
• 4.2 北极微藻对温度变化的响应
• 4.2.1 红胞藻对温度变化的响应
• 4.2.2 衣藻对温度变化的响应
• 4.2.3 Micromonas sp.对温度变化的响应
• 4.3 北极微藻对光照变化的响应
• 4.3.1 红胞藻对光照变化的响应
• 4.3.2 衣藻对光照变化的响应
• 4.3.3 Micromonas sp.对光照变化的响应
• 4.4 小结
• 5 北极微藻的荧光光谱特征分析
• 5.1 荧光光谱数据处理
• 5.1.1 原始荧光光谱数据预处理
• 5.1.2 数据处理
• 5.2 北极微藻对温度变化的响应
• 5.2.1 不同温度条件下北极微藻荧光光谱相似性分析
• 5.2.2 不同温度条件下北极微藻荧光光谱变化分析
• 5.3 北极微藻对光照变化的响应
• 5.3.1 不同光照条件下北极微藻荧光光谱相似性分析
• 5.3.2 不同光照条件下北极微藻荧光光谱变化分析
• 5.4 小结
• 6 结论
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 个人简历、在学校期间发表的学术论文与研究成果