Ростовые характеристики Phaeodactylum tricornutum Bohlin при непрерывном освещении и свето-темновых циклах

в Нижнем Поволжье // Лесоведение. - 2003. - № 6. - С. 28-33.

8. Числа хромосом некоторых видов хвойных / Седельникова Т.С., Пименов А.В., Вараксин Г.С., Янковска В. // Бот. журнал. - 2005. - Т. 90, № 10. - С. 1611-1612.

9. Числа хромосом некоторых видов хвойных в дендрариях и парковых насаждениях / Седельникова Т.С., Пименов А.В., Онучин А.А., Янковска В. // Бот. журнал. - 2008. - Т. 93, № 1. - С. 157-158.

10. Седельникова Т.С., Муратова Е.Н., Пименов А.В. Изменчивость хромосомных чисел голосеменных растений // Успехи соврем. биол. - 2010. - Т. 30, № 6. - С. 557-568.

11. Ahuja M. R. Polyploidy in gymnosperms: revisited // Silvae Genetica. - 2005. -Vol. 54, № 2. - Р. 59-69.

12. Teoh S.B., Rees H. B-chromosomes in white spruce // Proc. Roy. Soc. B. - 1977. -Vol. 198, № 1133. - Р. 325-344.

Рекомендовано к печати д.б.н. Захаренко Г.С.

БИОХИМИЯ РАСТЕНИЙ

РОСТОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ PHAEODACTYLUM TRICORNUTUMBOHLIN ПРИ НЕПРЕРЫВНОМ ОСВЕЩЕНИИ И СВЕТО-ТЕМНОВЫХ ЦИКЛАХ

АЛ. АВСИЯН

Институт биологии южных морей им. А. О. Ковалевского НАН Украины,

г. Севастополь

Введение

Физиологические характеристики микроводорослей в значительной мере определяются световым обеспечением клеток, в том числе и световым режимом.

Для различных видов низших фототрофов показано влияние продолжительности светового периода на интенсивность фотосинтеза, продуктивность, скорость деления клеток, потребление углерода [1, 6, 10]. Зачастую продуктивность клеток в условиях свето-темновых циклов была выше, чем при непрерывном освещении [6]. Так, для Arthrospira platensis нами ранее было показано увеличение продуктивности на свету при фотопериоде 16 ч. по сравнению с постоянным освещением [1]. Такое воздействие обусловлено не только различиями в обеспечении световой энергией, но и соотношением между фотосинтезом и дыханием, а также условиями углеродного обеспечения в культуре [6,10].

Phaeodactylum tricornutum Bohlin - диатомовая микроводоросль, широко используемая как модельный объект, а также являющаяся перспективным объектом альгобиотехнологии в качестве источника полиненасыщенных жирных кислот [8, 12].

Целью данной работы было исследование ростовых характеристик P. tricornutum при накопительном культивировании в условиях непрерывного освещения и при свето-темновых циклах.

Объекты и методы исследования

В эксперименте использовали одноклеточную диатомовую водоросль Phaeodactylum tricornutum Bohlin из коллекции культур ИнБЮМ. Культивирование

осуществляли в накопительном режиме на питательной среде Тренкеншу [2] в культиваторах плоскопараллельного типа объемом 3 л с толщиной слоя культуры 5 см. В контрольном варианте выращивание проходило при непрерывном освещении, в опытном варианте - в условиях свето-темнового режима 16 ч. : 8 ч. (свет : темнота). Освещенность рабочей поверхности культиваторов составляла 10 кЛк, температура в светлое время -17-18°С, в темное время - 14-16°С. Перемешивание культуры осуществляли посредством барботирования воздуха в светлое время. Ежедневно в начале и конце темнового периода отбирали пробы в 3-х повторностях, в которых измеряли рН, оптическую плотность культуры на длине волны 750 нм на фотоэлектроколориметре КФК-3 и подсчитывали численность клеток в камере Горяева [5].

Биомассу (абсолютно сухой вес) вычисляли, используя коэффициент перехода от оптической плотности к0750 = 0,576 г • л "1-ед. опт. пл. -1 [8].

Ночную потерю биомассы (как % от биомассы в конце светового периода) определяли следующим образом [7]:

Г =Вь~Вв .100о/

* V

НПБ (как % от продуктивности за предыдущий световой период):

т = В^~Вв л 00о/

где Бь' - плотность биомассы в конце предыдущего светового периода (мг абсолютно сухого вещества (АСВ)-л-1), Бо - плотность биомассы в конце темнового периода (мг АСВ-л-1), Бо'- плотность биомассы в конце предыдущего темнового периода (мг АСВ-л-1).

Максимальную продуктивность определяли на линейной стадии роста, аппроксимируя данные следующим уравнением [3]:

-1

где Б - биомасса, мг • л ; Рт - максимальная продуктивность, мг • л • ч ; t - время, ч.; Б1 - биомасса в начале линейной фазы роста, т.е. при t = tl.

Результаты и обсуждение

Микроводоросли культивировались в накопительном режиме до достижения ими стационарной фазы роста по накоплению биомассы. Накопительные кривые роста Р. МеогпиЫт по сухому весу и по численности клеток представлены на рис. 1.

-1

Начальная плотность культуры в обоих культиваторах составляла 60 мг • л абсолютно сухого вещества (рис. 1 А). В обоих вариантах опыта не наблюдалось экспоненциальной фазы роста по биомассе, либо она была слишком коротка для того, чтобы быть зафиксированной. Максимальная биомасса Бт для варианта с непрерывным освещением составила 436,2 мг • л-1, для культуры в условиях фотопериода Бт достигала 308,1 мг • л-1, то есть была в полтора раза меньше и соответствовала отношению суммарно полученной клетками световой энергии (16 ч. : 24 ч.).

Максимальная продуктивность Рт при постоянном освещении составила 6,74 мг • л-1 • ч.-1, для свето-темновых циклов среднесуточное значение Рт = 4,0 мг • л-1 • ч.-1. Максимальная продуктивность в течение только световых периодов была равна Рт = 6,76 мг • л-1 • ч.-1, то есть не отличалась от продуктивности в условиях постоянного освещения. Это согласуется с работами других авторов [12], где показано увеличение продуктивности Р. МеогпиЫт при постоянном освещении по сравнению с фотопериодом, но отсутствуют точные значения максимальной продуктивности.

Рис. 1. Динамика биомассы (А) и численности клеток (Б) в накопительной культуре P. tricornutum; • - свето-темновой цикл 16 ч. : 8 ч., о - непрерывное

освещение

Начальная численность клеток в обоих вариантах опыта составляла 3,48 ' 10 кл ' мл-1. В течение первых трёх суток наблюдалась фаза экспоненциального роста, затем переходившая в линейную (рис. 1 Б). Максимальная численность Nm в условиях постоянного освещения была в два раза выше, чем при свето-темновых циклах. Максимальная скорость деления в двух вариантах опыта достоверно не отличалась, составляя в обоих случаях 0,039 ч.-1. По литературным данным, у диатомовых водорослей [9] и, в частности, у P. tricornutum [9, 11] деление клеток происходит преимущественно ночью. В данном эксперименте деление происходило как на свету, так и в темноте, но имеется тенденция к более высоким значениям скорости деления клеток в течение темнового периода.

В процессе накопительного культивирования P. tricornutum в обоих вариантах опыта наблюдалось изменение соотношения биомассы к численности клеток, то есть изменялись масса и размер каждой отдельной клетки (рис. 2).

s

н О

о.

о

о'

•• ••

о

о

о

о

о

-1—I—I—I—I—I—I—I—I—I

0 40 80 120 160 200

Время, ч

Рис. 2. Динамика отношения биомассы к численности клеток в накопительной культуре P. tricornutum; • - свето-темновой цикл 16 ч. : 8 ч., о

освещение

непрерывное

50

40

30

20

10

Отношение биомасса/численность B/N для свето-темнового режима изменялось 12

от 45,97 до 24,77 10- г/кл. При постоянном освещении отношение B/N снижалось от

12

43,7 до 12,02 10- г/кл. Изменение размеров клеток при накопительном культивировании вызвано, по-видимому, изменением условий светового обеспечения. Чем выше плотность культуры, тем мельче становились клетки, что способствовало увеличению отношения поверхности к объёму и лучшему поглощению световой энергии.

При культивировании микроводорослей в условиях свето-темновых циклов важной характеристикой, влияющей на общую продуктивность, является ночная потеря биомассы (НПБ). НПБ отражает общее снижение биомассы в течение темнового периода и выражается как процент от биомассы или продуктивности [7]. Данные о динамике НПБ в накопительной культуре P. tricornutum представлены на рис. 3.

а и и й

I 6

S ю H о

W

I— 100

А

/ \\

— 80

'

/ /

!

—I-1-Г

4 6

Время, сут

s н и о s я s

60 * >у «

О &

В

H

40 О

20

W

и я

8

4 —

2

0

0

0

2

8

Рис. 3. Ночная потеря биомассы в накопительной культуре P. tricornutum;

- НПБ как % от биомассы; и - НПБ как % от продуктивности за предыдущий

световой период

Минимальное значение НПБ как процент от биомассы LB = 2,67% наблюдалось на третьи сут. эксперимента. Минимальное значение НПБ как процент от продуктивности за световой период LP = 11,83% было на первые сут. эксперимента, что обусловлено не только низкими темновыми потерями, но и высокой продуктивностью за этот период. Выше всего значения НПБ были на стадии замедления роста на шестые сут. эксперимента (LB = 8,09%, LP = 84,8%). Стоит также отметить, что в течение темнового периода происходило снижение pH культуры, обусловленное выделением СО2 в процессе темнового дыхания.

Изменение НПБ на разных фазах роста накопительной культуры вероятно обусловлено изменением интенсивности метаболизма клеток и, возможно, изменением их биохимического состава. По данным [11], в течение темнового периода у P. tricornutum происходит расход углеводов и синтез белка, содержание липидов остаётся практически неизменным.

Выводы

Исследованы ростовые характеристики у P. tricornutum в условиях непрерывного освещения и свето-темнового режима 16 ч. : 8 ч. Показано, что продуктивность и максимальная биомасса при постоянном освещении были выше, чем в условиях фотопериода. При этом не наблюдалось повышения продуктивности в течение светового периода при свето-темновом режиме, что характерно для некоторых других микроводорослей. Возможно, это обусловлено более эффективными механизмами потребления углерода, благодаря которым у P. tricornutum не происходит ингибирования синтетических процессов при постоянном освещении [8]. В процессе накопительного культивирования с ростом биомассы изменяется ее соотношение к численности клеток. Ночная потеря биомассы была различной на разных стадиях роста культуры. Для получения максимальной продукции в условиях свето-темновых режимов рекомендуется учитывать не только продуктивность микроводорослей на свету, но и её соотношение с ИНЬ.

Список литературы

1. Авсиян А. Л., Лелеков А. С. Влияние светового режима на продуктивность культуры Spirulina platensis // Pontus Euxinus - 2011: Тез. VII междунар. науч.-практ. конф. мол. учёных по проблемам водных экосистем, Севастополь, 24-27 мая 2011 г. -Севастополь, 2011. - С. 16-18.

2. Тренкеншу Р. П. Ростовые и фотоэнергетические характеристики морских микроводорослей в плотной культуре: Автореф. дис. ... канд. биол. наук / Ин-т физ. АН СССР. - Красноярск, 1984. - 28 с.

3. Тренкеншу Р. П. Простейшие модели роста микроводорослей. 1. Периодическая культура // Экология моря. - 2005. - Вып. 67. - С. 89-97.

4. Тренкеншу Р. П., Авсиян А. Л. Темновое дыхание как фактор потери биомассы микроводорослей // Экология моря. - 2009. - Вып. 79. - С. 63-66.

5. Топачевский А. В. Методы физиолого-биохимического исследования водорослей в гидробиологической практике - К.: Наук. думка, 1975. - 247 с.

6. Шушанашвили В. И., Семененко В. Е. Влияние свето-темновых периодов и интенсивности света на фотосинтез, прирост биомассы и скорость деления автотрофных клеток эвглены // Физиология растений. - 1985. - Т. 32, Вып. 2. - С. 323-331.

7. Hu Q., Guterman H., Richmond A. Physiological characteristics of Spirulina platensis (Cyanobacteria) cultured at ultrahigh cell densities // J. Phycol. - 1996. - Vol. 32. -P. 1066-1073.

8. Meiser A., Schmid-Staiger U., Trosch W. Optimization of eicosapentaenoic acid production by Phaeodactylum tricornutum in the flat panel airlift (FPA) reactor // J. Appl. Phycol. - 2004. - Vol. 16. - P. 215-225.

9. Nelson D. M., Brand L. E. Cell division periodicity in 13 species of marine phytoplankton on a light-dark cycle // J. Phycol. - 1979. - Vol. 15. - P. 67-75.

10. Rost B., Riebesell U., Sultemeyer D. Carbon acquisition of marine phytoplankton: effect of photoperiod length // Limnol. Oceanogr. - 2006. - Vol. 51, No 1. - P. 12-20.

11. Terry K. L., Hirata J., Laws E. A. Light-limited growth of two strains of the marine Phaeodactylum tricornutum Bohlin: Chemical composition, carbon partitioning and the diel periodicity of physiological processes // J. Exp. Mar. Biol. Ecol. - 1983. - Vol. 68. -P. 209-227.

12. Yongmanitchai W., Ward O. P. Growth and eicosapentaenoic acid production by Phaeodactylum tricornutum in batch and continuous culture systems // J. Am. Oil Chem. Soc. - 1992. - Vol. 69, No. 6. - P. 584-590.

Рекомендовано к печати к.б.н. Садогурским С.Е.