极地雪藻的研究进展与前景分析

文章篇号:1007-2764(2006)03-0243-088极地雪藻的研究进展与前景分析耿予欢，魏东，李国基（华南理工大学轻工与食品学院，广东广州，510640）摘要：综述了富含类胡萝卜素（虾青素）的极地雪藻Chlamydomonas nivalis研究开发的最新进展，并对其研究的前景作了分析。

关键词：极地雪藻；虾青素；极端环境Research Development and Prospect Analysis of Chlamydomonas nivalisGeng Yu-huan, Wei Dong, Li Guo-ji(College of Light Industry and Food Engineering, South China Univ. of Tech., Guangzhou 510640, China) Abstract：This article summarized the latest research development of Chlamydomanas Nivalis and analyzed its prospect of development.Keywords：Chlamydomanas nivalis; Astaxanthin; Extreme condition雪藻（snow algae）是生活在南、北极地区以及地球上相近的极端环境中的一类特殊的单细胞低等植物类群，已发现有上百种之多，分属不同的门类[1]。

雪藻可适应极端恶劣的生活环境，例如低温、高光强、强紫外线辐射等。

它们大部分细胞分布在雪地几厘米深的表层，在冰雪融化时形成雪地藻华（snow algal bloom），因细胞富含类胡萝卜素（如虾青素）而呈深红色，因此又被称为“血雪（blood snow）” 或被称作“watermelon snow”。

我国首批北极科考队在北纬79的冰缘上也发现了这类红色的微藻，也被称为“冰藻”（ice algae）。

1996年探险队发现的大部分有色雪藻可被分成5种：(1)小的，在休眠孢子里有橘红色素，主要生长在光滑或纹理粗糙的雪里；(2)大的，黑红色素椭圆或圆形的接合子；(3)大的，黑红色休眠孢子，生长在冰上和厚的冰冻的雪岸；(4)在融化的雪水中的绿色双鞭毛运动细胞；(5)Chlamydomonas brevispina 的接合子，有很大细胞的chlamydomonas nivalis，Rhaphidonema spp.和Stichococcus bacillaris[2]。

１ 分类和地理分布在种类众多的雪藻中，Chlamydomonas nivalis（或Chlamydomonas augustae）是其中一类分类地位明确、生态分布广泛、已在实验室内进行过初步生理学研究的特殊种质，在分类学上属于绿藻门（Chlorophata）、收稿日期：2006-01-04广东省自然科学基金资助项目（05006524）作者简介：耿予欢，讲师，在职博士，主要从事食品生物工程和海洋生物技术研究 绿藻纲（Chlorophyceae）、团藻目（V olvocales）。

广泛的分布在北极、南极及其岛屿，以及在全球相似的极端环境中，如在阿尔卑斯山、阿拉斯加、洛基山脉、日本富士山和我国的喜马拉雅山脉等，这些地区几乎都是海拔在2500米以上的雪山。

目前，国际上对雪藻Chlamydomonas nivalis的研究主要集中在藻的分类、生活史、繁殖方式、生态和地理分布调查，以及细胞壁结构、细胞超微结构和细胞内含物分析等方面[3~5]。

在极地和海拔高的地区发现的大部分雪藻chlamydomonas nivalis是绿色或红色的[6-8]。

不同季节雪藻的存在状态也有所不同：在仲夏看到的藻完全是大的红色球状细胞的chlamydomonas nivalis，而在春末和夏初的时候见到的Chlamydomonas nivalis则是直径大约10µm的较小的绿色不动球状细胞[9,10]。

在天然样品中看到的Chlamydomonas nivalis一般是球状的或接近球状的红色“静息细胞”，拥有一个可改变厚度的粘性细胞膜，大部分直径是15-30µm[11]。

Chlamydomonas nivalis包括运动细胞和不动细胞。

在有利的温度和光照下，大多数细胞是运动的[12]，运动细胞顶端有两条鞭毛；当这些细胞在一个地方逗留或积极的运动时，他们就会旋转振动[13]。

运动细胞还有一个厚壁，他们在大小和外形（从球状细胞或顶端上有一点椭圆突出的球状）上是可变的：椭圆细胞直径是20～32.5 µm，豆形细胞长20～25 µm，宽10～20 µm。

另一小部分是由不动的细胞构成的，这些细胞直径是20～50 µm，通常由含有多层的厚细胞壁覆盖，同时在母细胞里有2～16个子细胞[12,13 ]。

2432 极地雪藻生长的环境特点低温、高光照和强紫外辐射是极地雪藻生长环境的主要特点[14]。

2.1 温度雪藻Chlamydomonas nivalis生活在接近-8~1 °C 的雪或冰中，在冬季还要忍受低至-35 °C的低温，当温度低于水的凝固点时，雪藻进入休眠状态[15]。

有研究表明，它的最适生长温度在0～10 °C之间，并具有富集金属离子的强大能力，其体内的离子浓度可高于体外的成千上万倍。

2.2 光强由于阳光的直射、冰雪的反射和散射，致使雪地的光照强度极高，可达到86,000 lx，被认为是地球上光照最强的地方；光合作用需要的透射光强度高于54,000 lx，但是当光强逐渐增大超过86,000 lx时，光合作用就会被抑制，而如果低于54,000 lx，光合作用也会随着逐渐减弱的光强而减弱[16]。

而雪藻能够在雪地中生存，可见雪藻Chlamydomonas nivalis的光合作用不受高光强（≤86,000 lx，约1600 µmol/m2s）的抑制，具有适应高光照的超强能力。

2.3 紫外辐射臭氧层具有屏障紫外线（UVR）的功能，在减少紫外强度上起着重要的作用，它能过滤99 %的紫外线。

如果臭氧减少1 %，那么对紫外线吸收率将减少2 %。

因此，臭氧层的破坏甚至出现臭氧空洞带来的直接后果是太阳光中的紫外线透过大气层的量加大。

在海拔3000米以上分布的藻类，其所受到的UV辐射比海平面要高出30 %，而在两极地区由于近年来臭氧层的破坏紫外线辐射强度就更高。

众所周知，高光照和强紫外辐射作用于植物细胞，将在叶绿体和细胞内产生大量的自由基，对细胞的DNA、膜脂质、酶有着巨大的氧化破坏作用，直接威胁着细胞的生存。

Chlamydomonas nivalis却能在这种极端环境中存活，必定有一套强大的抗氧化系统来消除自由基、保护光合作用系统和生物膜系统，以保证细胞生理活动的正常进行，而且这套系统必须能在低温下高效率发挥作用。

3 极地雪藻的繁殖[17,18]极地雪藻Chlamydomonas nivalis的繁殖分为无性繁殖和有性繁殖，它的无性繁殖是通过细胞分裂成倍地增加。

雪藻的有性繁殖在雪水中进行，运动细胞（motile cells）可以担当配子。

这些配子在大小和形式上明显不同。

在Chlamydomonas nivalis的有性繁殖中，存在两种接合子形式：1）众多配子之中的一个原生质体进入其他的配子；2) 配子融合，两个配子的细胞壁融合成一个单一细胞。

细胞中心部分一样的配子的原生质体融合，从两个配子的细胞壁之中形成新细胞壁。

如果配子大小有差异，则较小的配子成分进入到较大的那个细胞里。

原生质体延伸形成圆锥形突起同时细胞壁与原生质体分离，这样的细胞就转化为静孢子。

原生质体突起的部分红色逐渐消失，然后缩小，并最终与原生质体分离。

所以，长在突起顶端部分的鞭毛的基本部分也被分离，同时这个细胞进入一个不动阶段。

被分离的原生质体的剩下部分仍然悬在原生质体与被分离的细胞壁之间，然后，细胞壁在原生质体周围形成。

最后，被分离的细胞壁破裂，静孢子被释放出来。

在细胞生长期间，细胞维持它的椭圆型，或成为球形。

静孢子仍然是球状红色的，能够很好的忍受冰冻和黑暗，并在适宜他们生长的条件下，很快开始进行繁殖。

4 极地雪藻的研究进展目前，国际上对雪藻Chlamydomonas nivalis的研究主要集中在藻的分类、生活史、繁殖方式、生态和地理分布调查，以及细胞壁结构、细胞超微结构和细胞内含物分析等方面[3,4,19]。

研究发现，雪藻Chlamydomonas nivalis在营养丰富和低光强下保持绿色并快速生长，而在营养贫乏和高光强下细胞生长减缓并开始积累大量一种红色类胡萝卜素——虾青素[21,21]，积累量主要受氮缺乏的影响，同时磷、硫、钾和铁的耗尽也有同样的效果。

它可耐受NaCl浓度的半致死计量为1.2 M，是莱茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）的3倍；绿色和红色细胞中都富含磷、硫和硅，而红色细胞中则钙含量较低[4]。

实验分析表明，在含有雪藻的雪上出现了Si、Cl、Fe、Ca和K元素，并且Fe在藻中有最大的累积浓度，其成分几乎是恒定的。

从这可以看出Fe是生物体至关重要的一种物质[22]。

雪藻Chlamydomonas nivalis的光合作用不受高光强的抑制，在0℃仍有光合活性，且不被UV抑制；细胞光合作用产生有机物（有机酸、多糖）并分泌到环境中，使环境pH值降低。

我们的研究表明，极地雪藻具有较强的抵抗紫外辐射的能力，紫外辐射后细胞叶绿素和类胡萝卜素含量增加，增幅随着辐射时间的延长而加大。

紫外辐射能使极地雪藻细胞中虾青素含量显著提高。

UV-B辐244射后，极地雪藻的基本生化成分含量发生了较为明显的变化：蛋白质含量随辐射时间的增长而逐渐降低，辐射8hr后降低了18.3 %，而总脂含量则逐步增加，辐射8 h后增加了32.0 %。

经过不同时间UV-B辐射培养以后，极地雪藻在有机溶剂系统中的清除自由基能力有所提高，辐射１～８h后继续接种培养的雪藻，其甲醇提取液清除自由基活性分别比对照组增加了24.8~83.5 %。

研究表明，雪藻Chlamydomonas nivalis主要依靠合成特殊的细胞成分来适应极端环境，包括类胡萝卜素、不饱和脂肪酸、胞外多糖、酚类物质和游离脯氨酸等。

首先，在胁迫条件下细胞能够在叶绿体外的脂质球中合成并积累大量的虾青素（astaxanthin）， 虾青素化学名称为3 ,3’-二羟基-β-β’胡萝卜素-4 ,4’-二酮，是一种氧合的类胡萝卜素。

虾青素及其异构体的化学结构见图1。

虾青素是一种天然的红色素，它覆盖在叶绿体表面，可吸收大量光线（尤其是蓝光）从而保护了光合作用器，同时它又是自由基的强大淬灭剂，其抗氧化活性是维生素E的550倍、类胡萝卜素的10倍，且有抗肿瘤、增加免疫力等功效[23-25]，被誉为“超级抗氧化剂”，其分子结构中有很长的共轭双键，有羟基和在共轭双键链末端的不饱和酮，其中羟基和酮基又构成α－羟基酮。