半导体激光对钝顶螺旋藻形态和生长的影响

第29卷第5期 光　子　学　报 V o1129N o15 2000年5月 A CTA PHO TON I CA S I N I CA M ay2000　半导体激光对钝顶螺旋藻形态和生长的影响Ξ陈必链1　王明兹1　庄惠如1　陈　荣2(1福建师范大学生物工程学院,福州350007)(2福建师范大学激光研究所,福州350007)摘　要　采用半导体激光(波长650nm,功率40mW,功率密度13mW c m2)辐照钝顶螺旋藻,辐照时间为30m in、15m in、8m in1通过测定藻丝形态参量、叶绿素a、Β胡萝卜素,研究半导体激光对藻生长的影响1结果表明:三个辐照时间都对藻丝形态产生影响,使藻丝长、螺旋数、螺旋长发生变化;30m in辐照组抑制藻体叶绿素a、Β胡萝卜素的合成,8m in和15m in辐照组促进藻体叶绿素a 和Β胡萝卜素的合成,Β胡萝卜素增幅最高达1719%18m in促长作用最明显,使比生长速率提高1019%,15m in略有促长作用,而30m in则起抑制生长作用1 关键词　钝顶螺旋藻;半导体激光;形态;生长0　引言 螺旋藻含有极丰富的营养成分和多种生理活性物质,引起植物学、营养学及医学研究人员的重视,许多研究人员已经开展有关螺旋藻潜在药用价值的研究,包括降低血液中的胆固醇含量、防癌抗癌、增强免疫功能、增加肠道乳酸菌群、降低重金属和药物的肾毒性以及放射防护等11因此螺旋藻的开发和利用引起世界许多国家和地区的高度重视1筛选优质高产螺旋藻藻种成为螺旋藻产业的主攻目标之一,人们已通过采用自然分离、化学诱变剂(N T G、D ES等)、物理诱变剂(60Co2•射线、H e2N e激光、U V)等诱变获得许多具有优良性状的螺旋藻藻种1激光辐射可以通过光、热、压力和电磁效应的综合作用,直接或间接影响生物有机体,引起细胞DNA或RNA、质粒、染色体畸变效应、酶的激活或钝化,以及细胞分裂和细胞代谢活动的改变,这为激光诱变育种提供了有利条件1本文首次采用自行研制的半导体激光对钝顶螺旋藻辐照所产生的诱变效应进行了初步研究11　材料与方法111　藻种钝顶螺旋藻(S p iru lina p la tensis),引自中国科学院典型培养物保藏委员会淡水藻种库1112　培养液和培养条件Zarrouk培养液2、光照强度3000lx,日光灯为光源,明暗周期12h∶12h,培养温度26℃, 500mL,三角烧瓶200mL培养液,接入对数生长期藻种,接种量10%,光照期间每天定时间歇摇动四次1113　激光器FGZ28型半导体激光生物组织辐照仪(福建师范大学激光所研制),波长650nm,光纤输出> 50mW1114　半导体激光诱变取对数生长期藻液3mL于直径2c m的无菌小玻璃管内进行半导体激光辐照,辐照过程保持搅拌1半导体激光波长650nm,功率40mW,功率密度13mW c m2,辐照时间为30m in、15m in、8m in,编号为L230、L215、L28,将辐照后的藻液移入内装20mL培养液的100mL三角烧瓶中,经过连续二次扩养,进行诱变效应的研究1115　藻生长速度测定3生长速率测定采用光密度法1用752分光光Ξ福建省自然科学基金、省教委基金资助项目　收稿日期:1999—11—16度计(上海第三分析仪器厂)测藻液在560nm 波长下的光密度值1生长速率计算公式:K =(lg N -lg N 0) t ,N 0为初始光密度(OD )值,N 为培养第t 天的OD 值,t 为培养时间116叶绿素a 含量测定1参照H an s m ann (1973)方法41117　Β胡萝卜素含量测定参照刘建国等(1996)方法51118　藻形态参量的测定在N ikon 光学显微镜下,每个辐照组用测微尺随机测20根藻丝体的长度、螺距、螺径及螺旋数等参量,然后进行统计分析12　结果211　对藻丝形态的影响经半导体激光辐照后,钝顶螺旋藻的藻丝形态发生如表1所示的变化1表1　半导体激光对钝顶螺旋藻形态的影响藻体长 Λm 螺距 Λm螺径 Λm 螺旋数个出发株辐照组L 230L 215L 28622±38511±47548±32562±2880±61257615±317575±412578±612532±11331±11530±31332±211718±114618±111713±118712±213与出发株相比,经半导体激光辐照后,藻丝形态参量发生变化,三个处理组L 230(辐照30m in )、L 215(辐照15m in )、L 28(辐照8m in )的藻丝长、螺距、螺旋数都较出发株变小;而螺径的变化较小,L 230、L 215处理组还使螺旋变松驰1212　对藻生长速度的影响半导体激光对藻生长速度的影响如图1所示,出发株的生长速率K IS =0.1279,30m in 辐照K L 230=011123,15m in 辐照K L 215=011326,8min图1　半导体激光对藻生长速度的影响F ig .1　Effect of LD L aser on the grow th of Sp iru lina—▲—IS —●—L 230　—■—L 215　—・—L 28辐照K L 28=0114191因此,8m in 辐照对藻生长促进作用最明显,生长速率提高1019%,而30m in 辐照则抑制藻的生长,15m in 辐照略有促长作用1213　对叶绿素a 含量的影响叶绿素a 含量的变化与藻生长呈同步性,半导体激光对藻叶绿素a 含量的影响如图2所示1 图2　半导体激光对藻叶绿素a 含量的影响 F ig .2　Effect of LD L aser on ch lo rophyll a —▲—IS —■—L 215　—●—L 230　—・—L 28图2提示在整个藻生长周期,半导体激光的三个诱变剂量对藻叶绿素a 含量的影响表现为较高剂量(辐照30m in )抑制叶绿素a 含量的合成,低剂量(辐照8m in )有利于叶绿素a 合成,15m in 辐照略有利于叶绿素a 合成1214　对Β胡萝卜素积累的影响经半导体激光诱变后,藻体内Β胡萝卜素含量发生如表2所示变化1表2　半导体激光对藻Β胡萝卜素含量的影响出发株辐照组L 230L 215L 28Β胡萝卜素 Λg ・m g -1增幅%11121104-7111126121511321719表2说明较低剂量的半导体激光(辐照时间15m in ,8m in )有利于藻体积累Β胡萝卜素,其中8m in 辐照对Β胡萝卜素积累效果最好13　讨论与结语激光诱变育种具有简单、方便和安全等优点,在工业微生物育种中已取得多方面的进展6,但在螺旋藻育种中的应用报道不多1半导体激光是一种较新的激光源,在生物育种领域的应用还不多见1陈荣等(1998)7用K +、A r +、H e 2N e 、LD 、YA G 倍频等多种激光辐照果胶酶产生菌—黑曲酶,其中半导体激光(波长810nm ,剂量360Jc m 2)使果酶酶活最大增幅达19%11)在本实验所采用的半导体激光对钝顶螺旋藻藻丝形态的影响明显,三个辐照时间都使藻形214光　子　学　报29卷态产生变化,一些化学诱变剂(如N T G 、D ES )和物理诱变剂(H e 2N e 激光、60Co 2•射线)都会使螺旋藻形态发生变化8～1112)从实验结果可以得出较高剂量(辐照30m in )抑制叶绿素a 合成和Β胡萝卜素的积累,较低剂量(8m in 辐照)则促进叶绿素a 和Β胡萝卜的积累和促进藻生长;而中等剂量(辐照15m in )有利于积累Β胡萝卜素,对叶绿素a 含量和促长作用较弱1赵炎生等(1997)9用H e 2N e 激光照射钝顶螺旋藻,照射时间30m in ,60+30m in (照射60m in ,24h r 后再照射30m in )均促进藻生长,且使藻胞外多糖增幅最大达193%1V ladeanu 等(1994)12用60Co 2•射线处理钝顶螺旋藻,剂量为1k rads 、3k rads 、5k rads 和7k rads ,结果表明3k rads 和5k rads 的剂量能促进螺旋藻生长、生物量积累、光合作用、核酸的合成、类胡萝卜素和叶绿素a 增加,5k rads 剂量使细胞光合器和Carbox isom e 更加发达1作者用倍频N d ∶YA G 激光(波长532nm ,功率500mW ,功率密度160mW c m 2)处理钝顶螺旋藻,选用15m in 、10m in 、5m in 三个时间剂量,结果这三个时间剂量使藻丝形态参数发生变化,出现螺旋变松驰;有利于藻体积累Β胡萝卜素,5m in 辐照剂量促长作用明显,15m in 辐照剂量则抑制藻的生长和叶绿素a 合成1由此可见激光(H e 2N e 、倍频N d ∶YA G 、半导体)对钝顶螺旋藻的诱变作用明显,其诱变效应有许多类似之处1用于诱变的螺旋藻藻龄、藻浓度及激光的时空相干性、偏振特性等参数对螺旋藻育种效果的影响,有待于进一步研究1参考文献1　张成武,吴洁,欧阳平凯1钝顶螺旋藻的药用价值1中国海洋药物,1998,17(4):26～292　Zarrouk C .Con tribu ti on a l ′etude d ′une cyanophycee .Influence de divrts facteu rs et ch i m iques su r la cro issance et lapho to syn these de S p iru lina m ax i m a .[dissertati on ].U n iversity of Paris ,F rance ,1966:4～53　谭桂英,周百成1钝顶螺旋藻优良品系S 6的生长特性及光合特性的研究1海洋学报,1993,15(3):88～934　H an s m ann E .P igm en t analysis .In :Stein J R ed .H andbook of phyco logical m ethods :Cu ltu re m ethods and grow thm easu rem en ts.L ondon :Cam b ridge U n iversity P ress ,1973:362～3665　刘建国,赵学武,王玉君等1胁迫条件下盐藻Β胡萝卜素及其异构体累积的研究—盐度的影响1海洋与湖沼11994,25(1):71～756　毛宁,陈必链1激光在工业微生物育种中的应用研究1应用激光,1997,17(1):27～297　陈荣,谢必峰,陈哲超等1激光参数对果胶酶产生菌变株产酶特性的影响1激光生物学报11998,7(1):18～218　崔海瑞,汪志平,徐步进1甲基磺酸乙酯对钝顶螺旋藻生长和形态的影响1浙江农业大学学报11997,23(6):645～6489　殷春涛,胡鸿钧,李夜光等1中温螺旋藻新品系的选育研究1武汉植物学研究,1997,15(3):250～25410　赵炎生,陈向东,谈震1H e 2N e 激光诱变钝顶螺旋藻的初步研究1光电子・激光11997,8(6):471～47411　龚小敏,胡鸿均160Co 2•射线诱变钝顶螺旋藻的研究1武汉植物学研究11996,14(1):58～6612　V ladeanu G ,M itrea N ,T itu H .Physi o logical and electron m icro scop ic characteristics of the cyanobacteria S p iru linap la tenses after 60Co gamm a irradiati on .Stud Cercet B i o l Ser B i o l V eg ,1994,46(2):143～1483145期 陈必链等1半导体激光对钝顶螺旋藻形态和生长的影响414光　子　学　报29卷EFFECTS OF LD LASER ON THE GROW TH ANDMORPHOLOG Y OF SP IRUL INA PLA TEN S ISChen B ilian1,W ang M ingzi1,Zhuang H u iru1,Chen Rong21B ioeng ineering Colleg e,F uj ian N or m a l U n iversity,F uz hou3500072Institu te of L aser,F uj ian N or m a l U n iversityR eceived date:1999—11—16Abstract　S p iru lina p la tensis w as irradiated w ith does of30m in,15m in,and8m in of LD laser(w ave length650nm,pow er40mW,pow er den sity13mW c m2).T he fo llow ing p aram eters w ere u sed in assays:m o rp ho logy,ch lo rop hyll a andΒ2caro tene.T he resu lts show ed:th ree does of LD laser affected the filam en ts m o rp ho logy,the length of filam en t and th read p itch and helix num bers w ere variety com p are to in itial strain.T he do se of30m in restricted ch lo rop hyll a andΒ2caro tene,bu t8m in and 15m in does sti m u lated ch lo rop h ll a andΒ2caro tene,and caro tene p roductivity increased m o st by 17.9%,also30m in restricted the grow th sp eed,bu t8m in p rom o ted in best.Keywords　S p iru lina p la tensis;LD laser;M o rp ho logy;Grow th Chen B il i an　m ale,bo rn in June,1963,graduated from East Ch inaIn stitu te of Chem ical T echno logy in Ju ly,1986,m aj o r in b i ochem icalengineering.N ow he w o rk s as associate p rofesso r at B i oengineeringCo llege of Fu jian N o rm al U n iversity.A nd h is m aj o r w o rk of teach ingand research has been m icroalgae cu ltu re and ferm en tati onengineering.H e has j o in ted o r m anaged m any p ro jects w h ichsuppo rted by Ch inese N ati onal P rogram s fo r Science and T echno logyD evelopm en t,P lan ing Comm ittee,Educati on Comm ittee and ScienceComm ittee of Fu jian P rovincial Govermm en t.H is18theses w asp ub lished,som e of them w ere ab stract by SC I,CA,and recite.。