光合作用研究范文

光合作用研究篇1

关键词：粳稻；光合作用；氮素；硝酸还原酶；抗氧化酶

中图分类号 Q945.11 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2014）01-02-13-07

1 引言

氮是影响水稻产量形成最敏感的元素，其吸收与积累是水稻产量形成的重要基础。水稻（Oryza sativa L.）是世界一半以上人群的主食，被称为最重要的粮食产物之一，作为人口最多的国家，中国水稻育种的水平处于世界前列，单产也十分高，但与日益增长人口的粮食需求来说，这是远不够的[1]。与此同时，现有水稻生产氮肥用量十分大。据统计，中国水稻氮肥用量已经达到世界水稻氮肥用量的30%以上[2]。安徽是中国水稻主产省之一，水稻是宣城市主要粮食作物，常年种植面积在15.33万hm2左右，约占全市粮食作物总种植面积的70%。研究表明在长期高量偏施氮素化肥的情况下，还会导致水稻的肥料利用率下降，而且投入过多氮肥，也会污染环境、浪费肥料，这与水稻生产的“高产、优质、高效、生态、安全”综合目标背道而驰[3]。研究不同施氮量下皖南粳稻品种光合差异机理很有必要。目前针对作物氮肥的吸收和利用效率的研究较多。如Koutroubas等[4]和Inthapanya等[5]的研究结果表明作物产量与氮肥的吸收和利用效率密切相关。其中有关水稻氮肥利用效率与其产量的关系研究已有不少报道，如殷春渊[6]等进行了水稻氮高产高效与低产低效两类品种株型特征差异研究，结果表明良好的株型是氮肥利用效率提高的前提。殷春渊[6]等研究表明相对于低产基因型水稻，高产基因型在各个生育阶段的氮素积累量、抽穗前的氮素吸收速率及氮素利用效率均较高。张洪程[7]等的研究表明水稻超高产栽培的根本在于“强支撑、扩库容、促充实”；周有炎[8]等的研究表明在减少氮肥施用量的基础上，通过协调氮、磷、钾肥比例，亦能达到高产增产的效果。可见，不同水稻材料对氮肥的利用存在品种间差异，而对于同一个水稻材料在不同生育期对氮肥的需求也有差异，在抽穗前水稻对氮肥的利用效率更有利于产量潜力的发挥，合理施肥可以通过调整水稻群体的株型而达到高产。刘晓晴[9]等研究表明高产优质水稻品种生育后期具有SOD活性高、MDA含量低等特点。袁红朝[10]等研究发现长期施肥影响土壤中核酮糖―1，5-二磷酸梭化酶/加氧酶（RubisCO），并对土壤固碳细菌群落结构、多样性及数量均有显著的影响。而光合作用是水稻产量形成的重要基础，研究不同施氮量下宣城地区水稻品种在整个产量形成的关键时期的光合作用差异机理以及光适应机制，对今后该地区选育光合潜力高的高产品种，减施氮肥，保护生态环境以及保证国家粮食安全等都有重要的意义。已有的水稻氮用量导致的产量差异研究大多为同一品种或同一类型株系材料，且集中在对群体的源、库等的研究，而关于不同施氮量对不同熟期水稻的光合特性、硝酸还原酶活性大小以及光合酶的保护以及产量的影响尚不多见。本研究选取了2种粳稻材料作为研究对象，重点比较其产量形成的关键时期―拔节到孕穗期的光合特性、硝酸还原酶和抗氧化酶等活性的差异，解析超级稻和对照在不同氮肥下光合生理特性与产量的关系；明确不同粳稻品种氮肥合理施用与其光合能力高效发挥的内在平衡的生理生态机制，期望从光合作用发挥角度解析供试品种在合理施肥条件下高产形成的规律，为今后选育光合能力高的氮高效烟稻轮作水稻材料以及适当降低宣城等高氮肥稻区的氮素施用量提供依据。

2 材料与方法

2.1 材料 供试品种为2个，南粳44和皖稻94，水稻种子来自江苏省农业科学院、安徽巢湖农科所。

2.2 试验设计 试验于2013年在安徽省宣城市杨柳镇新龙村进行，土壤为红壤土，氮肥用尿素（150.0kg/hm2：LN；250.0kg/hm2：MN；350.0kg/hm2：HN），氮肥为尿素（有效氮为46%），磷肥为过磷酸钙（有效磷为41%，8kg/667m2），钾肥为氯化钾（有效钾为60%，8kg/667m2）。氮肥作基肥、分蘖肥、保花肥的施用比例分别占总氮量的60%、30%、10%；磷肥一次性作基肥施入，钾肥作基肥和长粗肥施用，各占50%。将水稻种子用药剂浸种72h后催芽，5月15日直接播种于育秧的苗床中，湿润育秧。6月14日人工拉线定点栽插，移栽规格0.135m×0.230m，设9个小区，3个为重复，四周设有保护区。水分管理和病虫害防治等按常规栽培要求实施。

2.3 测定内容与方法 在开花后不同天数分别测定植株的各生理和生长指标。并在成熟期考查供试材料产量结构。

2.3.1 叶片的光强―光合曲线 按李霞等[11-15]的方法，采用美国LI-COR公司生产LI-6400便携式光合测量系统，用6400-02B LED红蓝光源叶室进行连体叶片瞬时光合速率（instantaneous apparenphotosynthetic rate，IAPR）测定。将红蓝光源LED设定一系列光合光通量密度（photosynthetic photo flux density，PPFD）梯度，测定光强分别为0、50、100、150、200、400、600、800、1 200、1 400μmol・m-2・s-1时叶片的光合速率（photosynthetic rates，P），每点测定4个重复，绘出光强―光合曲线，计算出光饱和条件下最大光合速率（Pmax）。

2.3.2 叶片的二氧化碳―光合曲线和表观羧化效率测定 按宋世威[14]的方法，测定时用光合仪控制光照强度（800±1）μmol・m-2・s-1、温度（32±1）℃，外接钢瓶供应CO2，浓度（μmol・mol-1）梯度设定为：0、20、50、100、150、200、250、300、400、600、800、1 000μmol・m-2・s-1、用SPSS 10.0软件将所得数据绘出净光合速率（Pn）对CO2的模拟曲线（CO2-Pn），求得CO2补偿点和CO2饱和点，用CO2浓度低于250μmol・mol-1的数据绘出响应直线，直线的斜率为表观羧化效率（ACE）[18]。

2.3.3 酶活性的测定

2.3.3.1 硝酸还原酶活性的测定 参照林振武[16]等的方法，采用体外测定法。

2.3.3.2 丙二醛（MDA）含量的测定 参照王爱国的方法[17]。

2.3.3.3 抗氧化酶活性的测定 超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、过氧化物酶（POD）活性测定参照李忠光等方法[18]；超氧化物歧化酶活性，采用已知SOD活性单位抑制NBT光还原的50%为1个酶活性单位（U）；过氧化氢酶活性，以每min内A240减少0.1的酶量为1个酶活单位（U）；过氧化物酶活性，以每min内A470变化0.01的酶量为1个活性单位（U）。

2.3.4.4 叶片总抗氧化能力的测定 采用南京建成的试剂盒，测定原理为：机体中有许多抗氧化物质，能使Fe3+还原成Fe2+，后者可与菲啉类物质形成稳固的络合物，通过比色可测出叶片内总的抗氧化剂的抗氧化能力。

2.3.4.5 叶片可溶性蛋白含量的测定 依Brandford（1976）考马斯亮蓝染色法进行。

2.4 统计分析 运用SPSS17.0软件，通过单因素方差分析Duncan检验来分析数据的显著性差异和Pearson系数分析参数的相关性。

3 结果与分析

3.1 不同施氮量供试材料的产量表现 通过单株产量的显著性分析发现（表2），不同处理不同品种在不同施氮量下单株产量的差异性达到了极显著水平。说明不同品种间有差异，相同品种相同氮素处理内的5次独立重复试验没有显著性差异，重复性较高。从表3可见，与中氮相比，在高氮下，南粳44、皖稻94单株产量比中氮高。在低氮下，所有供试材料单株产量比中氮低，其中南粳44在高氮下比对照皖稻94单株产量高30.96%，可以看出超级稻在高氮下比对照单株产量要高，超级稻品种在不同的处理下具有较高的结实率也是其具有超高产水稻品种产量潜力的一个重要特征。

3.2 不同氮肥下供试材料开花后第7d和21d剑叶的光强―光合作用响应曲线的比较 水稻80%的产量都是来自于花后叶片的光合作用所储存的物质，而水稻光合作用对光强的适应特性则反映了其决定源的供应能力。可以看出超级稻南粳44花后7d LN、MN、HN下比对照皖稻94高，分别高52.38%、29.83%、15.43%。花后21d，超级稻的最大净光合速率在不同氮素下表现比较平稳，可能有利于花后干物质的积累。

剑叶的光饱和下的最大净光合速率

3.3 不同氮肥下供试材料剑叶开花后7d剑叶CO2―光合作用响应曲线 众所周知，二氧化碳也是光合作用底物之一，水稻光合作用对二氧化碳浓度的利用也影响其产量的形成。开花后7d剑叶即发育为成熟的光合功能叶片。为此我们进一步测定供试材料在开花后7d后剑叶CO2―光合作用响应曲线。从结果可看出，较高氮素条件下，南粳44剑叶在高CO2浓度下的最大净光合速率（Pmax）最大，达53.07μmol・m-2・s-1，可以发挥最大的光合潜力（图2a）；在高CO2浓度下，中等氮素条件下可以发挥最大的光合潜力，这是由于增加了其表观羧化效率（图2b）；而且在中等氮素条件下，皖稻94的二氧化碳饱和点比较高（图2c），其中南粳44在各氮素水平表现比较稳定（图2c）。其中超级稻南粳44在MN、HN下最大净光合速率比对照皖稻94号高21.95%、20.2%。

3.4 不同氮肥下供试材料开花后第7d氮素代谢关键酶―硝酸还原酶活性的比较 硝酸还原酶（NR）是植物NO-3同化的关键酶，植物体内硝酸还原酶活力（NRA）的高低直接影响介质中NO-3的利用，作为作物的营养指标之一[19]，对植物生长发育、产量形成和蛋白质含量都有重要影响。从图3可看出，在开花后7d，硝酸还原酶诱导增加，但是不同供试品种表现有差异，低氮和高氮下，显著地诱导了皖稻94硝酸还原酶的活性，而南粳44则在低氮和中氮条件下，硝酸还原酶诱导增加，而高氮条件下则不明显，其中超级稻南粳44在MN下比对照皖稻94高53.22%。

3.6 不同施氮量下供试水稻生理参数与单株产量相关性分析 从表4不同施氮量下供试水稻生理参数（花后7d最大净光合速率、MDA含量、硝酸还原酶活性）与产量构成因子相关性分析中可看出，不同品种间花后7d最大净光合速率、单株穗数与品种间相关系数分别为0.51、0.45，都达到了极显著水平（P

4 讨论

氮是植物非常重要的营养元素之一，现在已经知道植物利用多种不同的机制来适应环境氮的变化[20-23]。根系是植物最先感受氮和吸收氮的部位。植物根系对土壤中的氮素分布和可获得性非常敏感。氮供应直接作为外源信号或者间接地影响植物体内的氮素分布而影响根系的生长，以硝态和铵态存在的氮素对植物生长是必需的而且能够调节根系的生长[24]。氮素与作物的产量与品质关系极大，被称为“生命元素”。氮肥是影响作物产量、品质以及环境最重要的肥料，在作物生产中有着极其重要的角色[25]。氮是植物的主要营养元素之一，氮素同化是指植物吸收环境中的NO3-或NH4+合成氨基酸和蛋白质等含氮有机化合物的过程。施氮不仅能反馈调节全球气候温度和环境碳循环[26]，而且也与激素信号互作影响植物生长[27]，依赖于高肥的水稻高产栽培也使我国内陆湖泊富营养化增加[28]。可见，施氮量变化显著影响环境可持续性、粮食生产安全[29]。如何在施氮量、产量以及环境之间找到一个平衡点至关重要。

众多研究表明，无论是粳稻，还是常规稻、杂交稻，不管是三系杂交稻还是两系杂交稻，对氮素利用率都存在显著的品种间差异[30-32]。Broadbent等[33]对24个常规稻基因型的氮肥利用效率进行比较发现，基因型间存在极显著差异，而不同施氮量对水稻干物质生产和产量形成的影响，前人也已做了不少的报道[34-35]，但是有关研究多是选取典型的氮素差异的水稻品种，而指标多为地上部分形态或生理指标的单一研究，兼顾两者的研究并不多。植物光合作用受到许多环境因素，如光照、温度、CO2浓度等的影响[36-38]。本研究发现不同粳稻品种在不同氮素下光合作用差异比较大，即剑叶光饱和条件的最大净光合速率以及开花后前期硝酸还原酶和开花后期抗氧化酶都比较高，高产水稻品种在不同时期的适应策略，即花后前期增强对高光强的利用能力以及花后21d增强抗氧化能力以抵御光氧化逆境等，均与其高产的发挥有密切关系。

土壤中二氧化碳（CO2）自养菌的同化是土壤碳循环的一个重要过程，并且有助于减少大气中的二氧化碳浓度，能减少目前约50%的二氧化碳浓度，这能减轻气候全球变暖所带来的威胁[39]。而二氧化碳也是光合作用的底物之一，随着全球气候变暖，未来大气中二氧化碳浓度发生改变，研究水稻的光合作用同环境中二氧化碳的互作关系以及产量的变化非常有必要。在低、中氮下各不同品种水稻最大净光合速率对于二氧化碳的响应能力差异分别达到显著水平和极显著水平，但在高氮下最大净光合速率差异不显著，我们发现高氮下，各品种可能通过提高表观羧化效率来消除各品种间的二氧化碳响应差异。

翟虎渠[40]等研究表明，超级稻剑叶的光合碳同化能力强，且能满足籽粒灌浆的要求。邓启云[41]等研究表明，培两优E32抽穗后剑叶和倒2叶的比叶重显著或极显著大于对照（汕优63），且叶单位面积气孔数目较对照多19.20%。王荣富[30]等的研究也表明，超级稻SOD酶和过氧化物酶（POD）活性较高，表现耐光氧化和抗早衰。研究还发现超级稻叶片光合能力与穗型有关，重穗型水稻剑叶的Rubsico酶活性和叶绿素含量高，后期净光合速率和茎鞘物质向穗部的转运率和转化率明显高于中、轻穗型品种[42]。

范淑秀[43]等研究表明，越是高产的水稻，后期叶片的光合作用对于产量影响越大。Motoyuki Ashikari[44]等研究发现细胞分裂素氧化酶调节水稻产量，通过QTL发现Gn1a基因控制的细胞分裂素氧化/脱氢酶（OsCKX2）调节再生器官。Lima，J.E[45]发现拟南芥中铵触发侧根分支伸长转运。Yoko Okushima[46]发现高浓度的硝酸盐（50Mm KNO3）可以通过影响植物侧根细胞的增殖从而抑制侧根生长，影响水稻产量。

本研究结果表明，随着氮素的增加，在水稻生育后期，抗氧化系统的诱导增加可一定程度上缓解植物的逆境状态，减轻对于功能叶片的损伤，从而使功能叶能维持比较高的叶绿素水平，进行较高的光合作用，表现对生育后期逆境（寒露风等）的抵抗能力，这与Victoria Bonnecarrère[47]等研究低温诱导高产粳稻品种抗氧化酶的结果类似。Hitoshi Sakakibara[48]的研究暗示NO3-的运转基因调控信号协同细胞分裂素（CK）可能对植物生物合成、氮肥吸收转运等方面起作用。

吴等[49]认为培育大穗是超级稻扩大库容量、增加颖花量的主要途径。超级稻具有耐肥能力比较强的特点，因此增施氮肥是扩大超级稻库容量的基本条件之一。有研究表明，超级稻生长发育中后期对养分的需求量大[30]，满足这一时期的氮素需求有利于在稳定有效穗的基础上主攻大穗，提高产量和肥料的吸收利用率。 而盲目地增施氮肥未必就能完全发掘出超级稻大库容量的潜力。本研究则发现超级稻南粳44剑叶在中等氮素栽培条件下，其光合碳同化能力强，且能满足籽粒灌浆的要求，而且高CO2条件可以降低对高肥的需求，结合未来大气CO2浓度的增加趋势和氮肥合理施用环境友好的要求，适当降低氮素的施用，可以适合未来CO2的环境，并充分发挥其最大的光合潜力，达到高产。总之，水稻整个生育期中对氮素的吸收利用是一个动态工程，涉及各水稻品种与氮素利用相关基因的差异，氮损失可能是抑制光合作用、叶绿素合成、质体蛋白合成的相关基因以及次生的代谢响应的主要原因之一[50]。

5 结论

超级稻品种如南粳44比较适合中等氮素和高氮的栽培条件，可通过产量形成的关键时期―生育后期不同时期的光适应策略，最大限度地发挥其叶片的光合功能，这有利于其产量的发挥。但是从光合作用发挥的角度，随着施氮量的增加，水稻对高光强的利用能力增强，而从CO2―光合曲线看，粳稻品种在中等或低氮条件下，低CO2下可通过提高表观羧化效率，高CO2下可通过提高其光合作用的CO2饱和点，而表现高的光合速率。结合宣城本地的气候条件及烟稻轮作的趋势，探索适宜宣城地区种植的水稻品种及配套栽培规程有待于进一步研究。

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光合作用研究篇2

【摘要】 利用荧光滴定法研究了9种金属离子与序列特异性的dna结合结构域(p53dbd)的结合反应，其结合能力依次为fe3+>zn2+>cu2+>ca2+>mg2+>ba2+>mn2+>ni2+>co2+。圆二色谱研究结果表明，ba2+, ca2+, co2+, mn2+及ni2+并未引起蛋白二级结构变化;　zn2+, mg2+及fe3+诱导蛋白结构细微调整;而cu2+结合导致蛋白螺旋结构大量丢失。ans结合研究结果表明, mg2+与zn2+相似，诱导p53dbd蛋白表面疏水性增强，而fe3+引起p53dbd蛋白表面疏水性降低。因此，mg2+和fe3+可能是影响或调节p53活性的潜在因子之一。

【关键词】 金属离子, 蛋白结构, 亲和性, 疏水性, 荧光光谱

1 引 言

自然界中大约1/4的蛋白需要金属离子的协助才能发挥正常功能[1,2]。肿瘤抑制蛋白p53是zn2+结合蛋白，它调控很多重要的生物学过程[3]。p53响应于多种dna损伤事件，被激活后作为一个转录因子进一步激活下游基因，从而可以导致细胞周期停留在g1/s期修复或者诱导凋亡[4]。所有这些已知的生物学功能都依赖于其dna结合特性[5]。野生型p53通过一个序列特异性的dna结合结构域(p53dbd)来结合dna[6]。p53基因在50%肿瘤中发生突变[7]，而这些突变主要发生在p53dbd，突变的p53不能激活下游基因转录[8]。因此，p53dbd结合和转录激活活性是p53最关键的生物学功能。晶体结构研究结果表明，p53核心结构域结构为β?三明治结构形成脚手架，支撑2个大环和1个环?片层?螺旋模序。2个大环形成空腔结合zn2+，而环?片层?螺旋模序形成p53dna结合表面。p53dbd上的3个半胱氨酸(cys176, cys238和cys242)和1个组氨酸(his179)结合1个zn2+[9]。zn2+的结合被认为是p53核心结构域正确折叠所必需的，这种结合如果被破坏将会使p53dbd减弱甚至失去dna结合和转录下游基因的功能[10]。核磁共振研究表明：在没有zn2+的情况下，p53蛋白的dna结合表面发生了结构变化;荧光各向异性研究表明：zn2+的去除使p53dbd失去了位点特异性的dna结合活性，但保留着非特异性的dna结合活性[11]。另外，cu2+结合p53蛋白，却导致p53构象和dna结合活性的破坏[12]。然而，金属离子与p53dbd的结合平衡的研究尚未见报道。

细胞内存在多种金属离子，为了研究这些金属离子是否结合并影响p53dbd，本实验克隆并纯化了p53dbd蛋白，并在体外应用光谱法研究这些金属离子与p53dbd蛋白的结合反应，以及金属离子对蛋白结构及表面疏水性的影响。

2 实验部分

2.1 仪器与试剂

f?4500荧光分光光度计(日本日立公司); jasco j?715分光偏振计(日本分光株式会社)。8?苯胺?1?萘磺酸(ans，sigma公司);二硫苏糖醇(dtt，merck公司);nacl(天津市试剂六厂);蔗糖、乙二胺四乙酸(edta)、异丙基?β?d?硫代半乳糖苷(iptg)、丙烯酰胺、十二烷基硫酸钠(sds)、四甲基乙二胺(temed)、tris?base及咪唑均购于北京鼎国试剂公司;zncl2, mgcl2, cacl2, fecl3, mncl2, cocl2, cucl2, bacl2及nicl2均购于天津大学科威公司。除特殊说明外，所用试剂均为分析纯。实验用水为二次蒸馏水。

高渗缓冲液a(20 mmol/l tris?hcl，2.5 mmol/l edta，200 g/l 蔗糖，ph 8.0);低渗缓冲液b(20 mmol/l tris?hcl，2.5 mmol/l edta，ph 8.0);缓冲液c(20 mmol/l tris?hcl，50 mmol/l nacl，2 mmol/l cacl2，ph 8.0);缓冲液d(0.5 mol/l nacl，20 mmol/l tris?hcl，5 mmol/l 咪唑，ph 8.0);缓冲液e(0.5 mol/l nacl，20 mmol/l tris?hcl，80 mmol/l 咪唑，ph 8.0);缓冲液f(0.5 mol/l nacl，20 mmol/l tris?hcl， 300 mmol/l 咪唑，ph 8.0);缓冲液g(50 mmol/l tris?hcl，100 mmol/l nacl，1 mmol/l dtt，ph 7.5)。

2.2 p53dbd的基因克隆、蛋白表达与纯化

利用密度梯度离心法从人全血中分离单个核细胞，然后使用trizol法从单个核细胞中提取总rna。以5′?tcccaagcaatggatgat?3′和5′?tttatggcgggaggtaga?3′为引物，通过rt?pcr方法从总rna中克隆出肿瘤抑制蛋白p53cdna片段。然后以5′?atcgtctcccatggctgtcccttcccagaaaa? cct?3′和5′?atatctcgagtcacagtgctcgcttagtgctc?3′为引物pcr编出氨基酸96～308的p53dbd基因片段。这个基因片段被克隆进表达载体pet32a(novagen)。重组质粒通过碱裂解法制备，测序证明插入序列的正确性。核心的dna结合结构域在escherichia coli bl21 (de3) trx b-中过量表达。细菌在lb培养基中37 ℃培养直到吸光度值a600达到0.6～1.0。用0.25 mmol/l异丙基?β?d?硫代半乳糖苷(iptg)诱导重组蛋白的表达，25 ℃条件下继续孵育6 h。后续的步骤都在4 ℃下进行。离心收集菌体，然后重悬于高渗缓冲液a中30 min。离心重新收集后，细菌溶解在低渗缓冲液b中裂解45 min。不溶物以13000 r/min离心30 min去除。蛋白上清液用缓冲液c透析12 h，然后流经缓冲液d平衡的亲和色谱柱(qiagen)。色谱层析后用缓冲液e清洗杂蛋白，用缓冲液f洗脱重组蛋白。洗脱的蛋白组分利用sds?page检测。重组的p53dbd蛋白进一步利用sephadex g?75凝胶过滤柱(pharmacia)于缓冲液c中纯化。从凝胶过滤柱中收集的蛋白用肠激酶在25 ℃下酶切7 h。酶切蛋白再次利用sephadex g?75凝胶过滤柱于缓冲液g(50 mmol/l tris?hcl, ph 7.5, 100 mmol/l nacl, 1 mmol/l dtt)中进一步纯化。纯化的p53dbd蛋白用2.5 mmol/l edta处理以去除zn2+，然后流经sephadex g?75凝胶柱更换缓冲液为缓冲液g。最后sds?page电泳检测纯度，运用bradford法以牛血清白蛋白为标准测定蛋白浓度。

2.3 荧光滴定

在室温条件下，以295 nm为激发波长，记录310～450 nm的发射谱。激发和发射的光谱带宽设置为5 nm，每个数据点测量3次。蛋白浓度为1.8 μmol/l，滴定反应于缓冲液g中进行。每个数据点都扣除背景，作荧光校正。

2.4 圆二色谱研究

圆二色谱测量在jasco j?715分光偏振计上进行，以1 mm石英比色皿为样品池，扫描波长范围为200～250 nm。每一个数据点取6次扫描的平均值。100 μmol/l金属离子与4.0 μmol/l蛋白结合反应于缓冲液g中进行。每个数据点都通过减去背景谱校正。

2.5 ans结合研究

通过测量ans的荧光增强来测量ans(8?苯胺?1?萘磺酸)与p53dbd的结合。100 μmol/l金属离子与1.8 μmol/l蛋白于缓冲液g中温浴30 min后，加入50 μmol/l ans，然后测量ans荧光光谱。激发波长设置为380 nm，发射谱扫描400～600 nm。所有的测量都通过减去缓冲液背景进行荧光校正。

3 结果与讨论

3.1 p53dbd表达、纯化以及内源的荧光性质

为了研究不同金属离子与p53dbd的结合反应，本实验克隆、表达并纯化了编码96～308氨基酸的p53dbd蛋白。sds?page分析表明，24 kda的p53dbd蛋白在纯化的部分中占主要部分(图1a)。蛋白的浓度为170 mg/l。图1b表示在室温条件下纯化的p53dbd蛋白于标准缓冲液g中的荧光发射谱。激发波长为295 nm，在此波长下只有色氨酸被激发。根据文献[13]报道，当发射谱最大波长在330～332 nm之间，表示色氨酸残基埋藏在蛋白的非极性区域内;当发射谱最大波长在340～342 nm之间，说明色氨酸残基固定在蛋白的表面并且与水接触受限;当发射谱最大波长在350～353 nm之间，表示色氨酸残基完全暴露于水中。分析p53dbd的荧光发射光谱表明重组蛋白在295 nm被激发时，最大发射波长为340 nm。这与p53dbd晶体结构色氨酸位于蛋白表面的结果相一致[9]。当p53dbd蛋白用4.2 mol/l盐酸胍处理1 h后，最大发射波长红移到352 nm，同时荧光强度降低，说明色氨酸残基转移到一个更强极性的环境之中。

3.2 金属离子与肿瘤抑制蛋白p53dbd的结合

金属离子与p53dbd结合的定量测量可以通过测量p53dbd荧光光谱的变化来完成。文献[14] 已报道金属离子的结合能够导致荧光发射强度的降低。本实验观测到p53dbd的荧光强度随着9种金属离子滴定的进行而逐渐减弱(图2a)。金属离子与蛋白的结合通常可以分为动态猝灭和静态猝灭这两种。动态猝灭涉及到在激发态短暂存在的瞬间荧光团与猝灭剂的接触。动态猝灭和静态猝灭都可以用stern?volmer方程来描述。f0/f=1+kqτ0[q]=1+ksv[q](1)f和f0分别表示在有和无猝灭剂存在的情况下，p53dbd蛋白的荧光强度。kq是生物分子的猝灭速率常数;ksv是stern?volmer猝灭常数;τ0是生物分子在没有猝灭剂的情况下的平均寿命;[q]是猝灭剂的浓度。可以通过式(1)直线的斜率得到ksv(图2b)。根据文献[15]报道，生物分子的τ0值约为10-8 s，因此可以计算出猝灭速率常数kq，其值列于表1中。生物分子与不同的猝灭剂所产生的最大碰撞猝灭常数为2.0×1010 l/(mol·s)[16]。从表1可见，9种金属离子导致p53dbd荧光猝灭的速率常数远大于碰撞猝灭常数。这些数据说明荧光猝灭是静态猝灭。

fig.2 a. fluorescence emission spectra of 1.8 μmol/l p53dbd treated with increasing amounts of ba2+; b. stern?volmer plots of fluorescence quenching of p53dbd with ba2+; c. logarithmic plots of fluorescence quenching of p53dbd treated with ba2+静态猝灭涉及荧光团?猝灭剂复合物的形成。在一个静态猝灭过程中，假设p53dbd蛋白上有n个配体结合位点，猝灭反应可以表示为方程(2)。

[p53dbd]和[q]分别表示自由蛋白和配体的浓度，[qn·p53dbd]表示蛋白复合物的浓度。总蛋白浓度等于自由蛋白与蛋白复合物浓度之和，因此，方程(3)可以变为方程(4)。

ka=[p53dbd]tot-[p53dbd][q]n·[p53dbd](4)

体系中，荧光强度与蛋白浓度成正比，所以

lgf0-ff=lgka+nlg[q](6)

在此方程中，n表示结合位点数。ka和n可以通过线性关系lg(f0-f)/f对lg[q]的截距和斜率得到[17](图2c)。

从表1中可以看出，金属离子结合p53dbd蛋白亲和性依次为fe3+>zn2+>cu2+>ca2+>mg2+>ba2+>mn2+>ni2+>co2+。表1 金属离子与p53dbd的结合常数(ka)、解离常数(kd)、结合位点数(n)以及猝灭速率常数(kq)

3.3 p53dbd二级结构的变化

内源荧光变化表示了色氨酸残基局部微环境的变化在一定程度上反映了p53dbd三级结构的变化。采用远紫外圆二色谱测量金属离子对p53dbd蛋白二级结构的影响(图3)。p53dbd远紫外圆二色谱曲线在208和220 nm处表现出2个负的特征峰，这是蛋白质α?螺旋典型的特征峰。ba2+, ca2+, co2+, mn2+及ni2+并不引起p53dbd蛋白二级结构变化。 图3 蛋白与金属离子作用的远紫外圆二色谱

1. p53dbd; 2. (1)+mg2+; 3. (1)+zn2+; 4. (1)+fe3+; 5. (1)+cu2+.而zn2+, mg2+, fe3+和cu2+结合p53dbd蛋白，引起圆二色谱两个负的特征峰值的降低，说明这些离子的结合导致了蛋白螺旋结构降低(图3)。zn2+, mg2+和fe3+作用相对较弱，引起蛋白螺旋结构的细微改变。zn2+结合p53dbd使得蛋白上的两个大环连接在一起，从而进行dna特异性结合[11]。而cu2+作用引起了蛋白螺旋结构大量丢失，这与文献[12]报道的cu2+结合p53导致p53构象和dna结合活性的破坏相一致。

3.4 p53dbd疏水性研究

考察了结构荧光探针与p53dbd的结合。ans在水相缓冲液中荧光较弱，但是结合蛋白疏水区域后其荧光发射谱显著增强。因此，可以通过测量ans的荧光变化研究p53dbd蛋白的疏水性变化[18]。图4a表示的是ans与p53dbd结合后的荧光光谱图，其激发波长为380 nm，最大发射波长为478 nm。当p53dbd蛋白与不同金属离子结合以后，其ans荧光有不同程度的增强。从图4b可见，ba2+, ca2+, co2+, mn2+及ni2+并没有引起p53dbd疏水性显著变化，zn2+, mg2+和cu2+结合诱导蛋白表面疏水性增强，而fe3+引起了p53dbd蛋白表面疏水性降低。p53dbd的晶体结构表明[9]，p53核心结构域结构为一个β?三明治结构形成脚手架，支撑2个大环和1个环?片层?螺旋模序。2个大环形成空腔结合zn2+，因此zn2+结合诱导蛋白表面疏水性增强。

4 结 论

综合以上实验结果，ba2+, ca2+, co2+, mn2+及ni2+虽然结合p53dbd蛋白，但是并未引起蛋白结构和疏水性的改变;zn2+结合p53dbd蛋白诱导蛋白结构细微调整，并引起表面疏水性增强，使得蛋白上的2个大环连接在一起，从而具备dna特异性结合活性;cu2+结合导致蛋白螺旋结构大量丢失，破坏p53构象和dna结合活性;mg2+和fe3+都能诱导蛋白结构细微调整，mg2+诱导蛋白表面疏水性增强，其作用方式可能与zn2+类似，而fe3+导致p53dbd蛋白表面疏水性降低。因此，mg2+和fe3+可能是影响或调节p53活性的潜在因子之一。

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光合作用研究篇3

【关键词】叶绿素；荧光分析；果树研究

光合作用是高等植物与外界进行能量交换的唯一途径，是高等植物生命活动的基础。而高等植物的光合作用都是靠叶片里的叶绿素完成的，通过植物叶绿素里微弱的荧光信号，可以精确的了解到植物体内的各种信息。如今，这种技术已经应用要生物研究的各个领域，在果树中的应用就是其中的一种。

1果树叶绿素荧光分析常用的参数

Fo：初始荧光，也叫基础荧光，荧光水平为0，是光系统完全开放时的荧光产量，和叶片内叶绿素的浓度有关。

Fm：最大荧光产量，是光系统II完全闭合时的荧光产量。这个值必须在叶片适应暗环境20min才能测定。

F：任意时间的荧光实际产量。

Fd：荧光下降。

Fs：稳定状态的荧光产量。

ΦPSⅡ：线性电子传递的量子效率。

FVv=Fm—Fo：可变荧光。

Fm/Fo：表示光系统II中电子的传递情况。

Fv/FO：度量光系统II的潜在活性。

Fv/Fm：光系统Ⅱ最大光化学量子产量，表示反应的光能转换效率，叶片适应暗环境20min后才能测得。

T1/2：从实始荧光到最大荧光的一半值所需的时间。

Fv/Fm：光系统Ⅱ有效光化学量子产量，表示反应中心原初的光能捕获效率。

ΔF/Fm：光系统Ⅱ实际光化学量子产量，表示反应中心部分关闭状态下的实际原初光能捕获效率。

2叶绿素荧光技术在果树研究中的应用

叶绿素荧光分析技术在果树研究中的应用主要有五个。

2.1果树栽培

（1）品种改良。叶绿素荧光可以用来选择耐热、耐寒、抗病的果树品种，也为选择矮化程度事宜的果木提供一项高效快速的方法。

（2）树体管理。叶绿素荧光技术能够清晰表明果木的光能转换效率和光系统Ⅱ电子传递效率，所以可以通过叶绿素荧光的测定来确定合理的树体管理措施。

2.2果树逆境生理

（1）温度胁迫。通过研究低温胁迫果木光合作用的影响发现，温度下降或者上升，光系统的光化学交率都会发生改变，通过对叶绿素荧光的各种参数进行测量分析，可以更好的的研究目的。

（2）光抑制。光抑制的机理有两种：第一，光合机构的光系统Ⅱ反应中心被强光破坏：第二，通过增强非辐射能量砂散来消砂过剩的光能，使光合机构免受破坏。通过对叶绿素荧光的各种参数进行测量分析，可以清晰的了解这些过程中果木各种情况，找出原因，提出解决方法。

（3）干旱胁迫。有些果树对干旱胁迫并不敏感，但是有些果树受此影响较大。通过对不同果树中叶绿素荧光的各种参数进行测量分析，可以充分了解各种植物在受到干旱胁迫的具体反应，做出应对措施。

2.3果树光合

通过对叶绿素荧光的各种参数进行测量分析，可以清楚了解果树在光合作用中光照强度、光化学量子产量等，对植物的实时状态做出直观评价，是研究果树特性的重要手段。比如，受光激发的叶绿素所产生的荧光一直被用来作为研究光合作用机理的探针，尤其是近年来随着叶绿素荧光理论和测定技术的进步，大大推动了光合作用超快原初反应及其他有关光合机理的研究。

2.4果实贮藏

通过对叶绿素荧光的各种参数进行测量分析，可以知道果实在不同储藏条件下的乙烯浓度和果实品相变化的原因，从而找出适应不同品种水果的最合适的储藏方法。事实上，叶绿素荧光常被用来做为苹果和其它含叶绿素的水果进行商业性的分类包装的标准。

2.5果实品质鉴定

科学家曾对不同光照强度下的叶绿素荧光参数测定来分析和预测采后的果实的伤害程度进行研究，结果表明，不同的果实叶绿素荧光图像揭示了在整个采后成熟过程中果实光合作用非常活跃。而由于光合作用对生物和非生物胁迫非常敏感，所以果实表面的荧光参数的变化可以预测最终将出现可见伤害的区域，也可以区分最终会扩散到整个果实表皮的和霉-感染和伤害区域不会在成熟期间再扩大的二种情况。这项研究表明了叶绿素荧光迅速成像的应用潜力，可以研制一种自动仪器在水果未出现可见伤害很长一段时间以前就能识别和剔除劣质的水果。

3结束语和研究前景

叶绿素荧光分析技术具有灵敏、快速和无破坏性等许多优点，近几年来有了非常好的发展。但相对于蔬菜和其他农作物，在果树研究中的应用起步相对较晚，研究的深度也较浅。但叶绿素荧光技术在果树中的应用前景显然是十分广阔的，今后，在叶绿素荧光分析技术对果树的研究方向是：

（1）扩展研究对象。目前研究的果树范围很小，只限于固定的几种，扩展研究对象，充分发挥这项技术能力是十分必要的。

（2）改进和完善叶绿素荧光分析技术，促进测定技术向着小型化、智能化的方向发展，并与其它非破坏性检测技术，如叶片的吸收光谱、光合放氧、二氧化碳固定等相结合，形成一种多功能综合性的检测研究手段；

（3）进一步扩展研究内容，目前的应用集中在果树栽培、果树逆境生理、果树贮藏、果树光合和果实品质鉴定等方面，还要深入探讨叶绿素荧光分析在果树栽培、果实品质鉴定和产量的预估预报等方面的应用问题。

参考文献：

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光合作用研究篇4

关键词：农业科技；光合细菌；生态农业

我国是农业大国，农业不仅仅是我国第一产业，更是我国的立国之本。改革开放以来，我国的农业得到快速发展，农业科技水平不断提高，农产品产量持续增长，产品种类不断丰富。然而与此同时，伴随着工业化的不断发展和人口的持续增长，工业生产和人们的生活排放也开始对农业种植环境造成污染，发展生态农业成为促进农业可持续发展的根本途径。

发展生态农业离不开农业科技水平的提高。在这其中，关于光合细菌的研究成为近几年的热点。光合细菌（Photosynthetic Bacteria，简称PSB）具有原始光能合成体系的原核生物的总称。光合细菌在自然界中分布非常广泛，凡是光能所及之处，如海洋、江河、湖泊、池沼、土壤、水田、极地或温泉高盐水体等各种生境中均能发现它们的踪迹[1]。光合细菌是微生物中一类可以利用太阳能生长繁殖的特殊类群，可以利用硫化氢、二氧化碳等进行光合作用，由于能够广泛应用于环境污染治理和可再生能源利用等多个方面，成为微生物学、农学、环境科学等多个领域的科学家研究的焦点[2]。

1 我国对于光合细菌的研究历史及现状

我国对光合细菌的研究起步较早，早在1987年，陈世阳等[3]就对海洋光合细菌的培养及作为水产养殖饲料的应用进行了研究，其研究首次提出了光合细菌作为饵料生物的研究价值。随后史家梁等[4]尝试使用光合细菌处理高浓度有机废水，取得了不错的效果。早期对于光合细菌的应用研究主要集中于有机污染的处理及作为饲料添加剂包括家禽、家畜及水产品等多种饲料添加剂中的应用。为了较好地发挥光合细菌的作用，制备合适的菌剂也是早期的研究热点，刘春朝等[5]对光合细菌菌剂的生产工艺及生长动力学进行了研究，战培荣等[6]研究了海藻酸钙、琼脂、聚乙烯醇等几种不同的光合细菌固定化包埋剂的优缺点以及对除氨活性的影响。同时随着光合细菌的应用价值不断被人们所了解，对于光合细菌的基础研究也在不断开展，王宇新等[7]研究了光合细菌的生长动力模型，崔武等[8]研究了光合细菌rbcL嵌合基因的构建问题并尝试了其在高等植物中的整合及表达，葛岚等[9]从细胞分子遗传学的角度对光合细菌与酵母菌的融合及产物进行了研究。进入21世纪以后，随着生物学愈发被人们所重视，对于光合细菌基础研究和应用研究逐渐成为热点，通过万方数据库以“光合细菌”为关键词进行搜索我们可以看到（图1-1），1997年以前每年关于光合细菌发表的研究论文及学位论文都只有个位数，1998年开始关于光合细菌的研究论文开始增长。从研究领域来看（图1-2），对于光合细菌的研究主要集中在农业科学、环境科学、生物科学及工业技术等几个领域，其中在农业科学中的研究和应用最为研究人员所关注，成为发展农业科技和建设生态农业的一项重要的技术手段。

2 光合细菌技术在生态农业领域应用

由于光合细菌可以利用有机物合成植物所需的养分，并生产促生长因子，激活植物细胞的活性，提高植物光合作用的能力，因此可以提高农作物的产量[10]。光合细菌在其生长过程中还可以降解和利用化肥和农药，达到降低污染、改善农业生态环境的效果，同时其代谢产生的有用分泌物质成为其他微生物生长的营养及原料，从而促进形成一个复杂而稳定的微生物系统，起到抑制病虫害发生的作用[11]。光合细菌在生态农业领域应用广泛，是一项非常重要的农业科技技术，以下是光合细菌技术在生态农业领域应用较多并且取得了较好的成果几个方面。

2.1 光合细菌用于改善土壤理化性质

在农业生产过程中，由于长期施肥和使用农药会造成土壤质量的下降，而光合细菌可以显著促进土壤中放线菌、异养细菌、固氮菌、氨化细菌和硝化细菌的生长，而抑制反硝化细菌数量[12]，细菌的增加对于土壤可给性氮素和磷素的增加是有利的：放线菌的增多有利于土壤中有机质分解和抗菌素及激素类物质的增加，对各种病原菌起一定的抑制作用。固氮菌的增殖能促进微生物的自生固氮作用，有利于增加土壤含氮量，从而提高土壤的肥力。光合细菌对过氧化氢酶、脲酶，转化酶、碱性磷酸酶、蛋白酶等多种土壤酶活性均有明显的促进作用[13]。同时光合细菌在进行光合作用的过程中能有效地固定大气中的N2，从而提高土壤氮素水平。而且，光合细菌还能促进土壤物质转化，同时改善土壤结构，促进植物根系发育，使种植系统能够进行高效的良性循环，达到高产效果。李俊峰[14]等研究表明，光合细菌可以改善表层土壤的疏松程度，提高土壤有机质含量，增加土壤中全氮和全磷的含量，对土壤起到良好的修复作用。

此外，光合细菌能有效地降解土壤中的残留农药、H2S、有机氨类等有毒化合物，缓解由于大量无机肥料与化学农药的使用造成的土壤残留农药毒害、土壤盐化、板结严重、土壤肥力衰竭等问题。光合细菌利用太阳热能或紫外线将土壤中的硫氢和碳氢化合物中的氢分离出来，变有害为无害，并和CO2、氮等合成糖类、氨基酸类、维生素类、生物活性物质（激素）等，培肥土壤[15]，从而减少有毒物质在农作物中的积累，对土壤起到解毒、净化作用，保证农产品质量。

2.2 光合细菌用于提高种子发芽率、出苗率

光合细菌发酵液中含有多种生理活性物质，如叶绿素A、叶绿素B、类胡萝卜素、多种维生素、多种植物激素和核酸、水杨酸、多种氨基酸以及单细胞蛋白质等物质，这些物质能促进种子发芽，打破种子休眠。钱森和等[16]采用玉米种子作为材料，研究了不同浓度的光合细菌（PSB）浸种对种子发芽率、发芽势、叶绿素等的影响，研究表明采用PSB菌液浸种，可以显著促进玉米种子的萌发和生长，提高叶绿素和可溶性糖的含量。马文丽等[17]用t测验显示，光合细菌稀释上清液处理对黑小麦种子萌发率有显著的激活效应，经过光合细菌处理过的种子，其发芽势及发芽率均高过未经处理的，大大提高了种子的发芽率。相关研究还表明多种蔬菜种子如辣椒、茄瓜、番茄种子经光合细菌发酵液处理后，成苗率明显提高，茎秆粗壮，叶色浓绿，根系更加发达[18]。采用光合细菌育苗，提高了农作物幼苗的品质，减少农民耕作成本，从而促进农民增产增收，提高农民的生活水平。

2.3 光合细菌用于促进作物生长及产量

植物的光合作用是借助于光能，通过光合磷酸化作用，合成能量和还原力，再通过RUDP羧化酶进行CO2的还原，合成有机物。而施用光合细菌可以提高叶绿素含量，增加RUDP羧化酶的活性，因而促进了植物的光合作用和光呼吸作用，这是光合细菌增产的基础所在。RUDP羧化酶是一种双功能调节酶，能够调节光合作用，经处理后从而提高了光合效率，使植物生长加快，积累物质增多。同时光合细菌在自然界具有和其他菌类广泛共生关系，大大提高了其固氮、固碳能力。

光合细菌增殖分泌的氨基酸、核酸等活性物质促进水稻根系生长，对叶片生长、花芽形成、稻粒的形成及干物质积累也有显著作用[19]。研究表明，将含有光合细菌的肥料在水稻穗分化后使用，对水稻有一定增产效果，对产量结构性状的促进作用主要是提高结实率，实粒数也有所增加而千粒重增加很少[20]。史清亮等[21]使用含光合细菌的不同剂型对水稻和玉米两种作物进行了肥效比较试验，结果表明施用PSB菌剂的不同制剂对水稻和玉米均有明显效果，其中可以提高水稻叶绿素含量0.05%，提高玉米叶绿素含量0.03，增加光合作用效果5.2%。同时PBS菌剂对两种作物的固氮能力有明显影响，根际土、水稻提高78.3%-107.1%，玉米提高3.6%-52.0%。叶绿素含量的增加有利于提高植物光合作用，而根际固氮活力的提高，则可以增加植物的根际养分，最终使两种大田作物增产7.7%-10.3%。吴国恩等[22]曾报道小麦施用光合细菌后，叶面积增大、穗长增加，公顷穗数平均增加1125万个，每公顷增产23.5%。光合细菌还可以明显提高农作物地上部分的含水量，由于含水量的增加，使叶菜类的品质更加细腻、鲜嫩，单位重量增加，产品质量提高。实验结果还表明，光合细菌能明显降低农作物地下部分的含水量，从而使根部纤维含量增多，维管组织发达、根毛密集，有壮苗作用，该作用对植物抗倒伏具有重要的意义，同时又增加了植物根的吸收能力[23]。

2.4 光合细菌用于提高植物抗逆性、抗病性

光合细菌含有抗细菌、抗病毒的物质，它在光照及黑暗条件下均有钝化病毒致病力的能力及抑制病原菌的能力。相关研究表明，施用光合细菌的土壤中放线菌和丝状真菌的比值增大，放线菌成为优势菌群，产生抗生素和激素，使丝状病原真菌的生长受到抑制，从而达到清除、防治由丝状真菌引起的植物病害[20]。此外，光合细菌本身就有抑制其它有害菌群以及病毒的能力。

2.5 光合细菌在水产养殖业上的应用

目前的水产养殖方式以高密度塘养为主，大量鱼、虾等水产动物的排泄物及残饵积聚池底，使养殖水环境恶化，动物生长受到抑制。传统上采用换水的方法来解决此问题，但频繁换水不仅不易保持水中最适微生物区系，而且成本较高，污染环境，不利于水产养殖业的可持续发展。目前，光合细菌广泛应用于海、淡水鱼类、虾类及贝类等的养殖、育苗，它能吸收利用有机质和氮、磷等物质[24，25]，消解硫化物。减少水体污染物，降低发生有毒分解产物的机会，与微生物共同作用，高效率地降解废水中的有机物，同时还能调节水体的pH值在适宜的范围内，增加水体中溶解[26]。

光合细菌菌体无毒，营养非常丰富，含60%以上的蛋白质，并富含多种维生素，特别是B12、叶酸、生物素的含量是酵母的几千倍，另外还含有生长促进因子，是一类营养价值高且成分较全的细菌，作为饲料添加剂在水产养殖领域具有明显的增产效果[27]。

2.6 基于光合细菌的有效菌群（EM）技术

有效菌群（EM）是由光合细菌、放线菌、酵母菌、乳酸菌等10属80余种微生物复合而成。EM是一种活菌制剂，着眼于强身固体，通过改善植物体内及环境微生态而发挥作用。醋酸杆菌是氮素合成中具代表性的微生物，它从光合作用微生物中摄取糖类固定氮，然后将固定的氮一部分供给植物，另一部分再还给光合细菌，形成好气性和嫌气性细菌的共生结构；放线菌将光合细菌生产的氮素作为基质就会使放线菌增加，各种各类的放线菌，具有抗生物质，能直接抑制病原菌。通过放线菌分解的物质容易被植物吸收，可增强动植物对病害的抵抗性和免疫性；乳酸摄取光合细菌生产的物质，分解在常温下不易分解的木质素和纤维素，使未腐熟的有机物发酵，转化成动植物有效的养分；酵母菌可产生出促进细菌分裂的生物活性物质，同时酵母菌还对促进其它有效微生物增殖的基质（食物）的生产起着重要作用。所生产的单细胞蛋白是动物的有效养分。

光合细菌与其它微生物的复合，大大提升了光合细菌能力，特别是在种植业方面取得了明显的效果，在我国引起了广泛的关注。近年来的国内相关研究表明[28]，EM技术在提高种子发芽率、提高土壤肥力、抵抗病虫害、促进作物生长、改善作物品质等方面都有显著成效。

3 未来的发展趋势及展望

我们可以看到，随着微生物新技术的飞跃发展和规模培养技术的应用，光合细菌这一新兴农业科技技术正不断从实验室走向农田，从科研产品变为推进农业发展的重要技术手段。对于光合细菌的基础研究不断深入，从生理研究到遗传学、分子生物学的研究都取得了可喜的进展，有效地指导了光合细菌技术的应用开发。光合细菌技术在生态农业领域应用呈现出多点开花的态势，在开发新型饲料添加剂、改善土壤性质、提高植物提高种子发芽率、提高作物抗病性、提高作物产量、处理环境污染物等多个方面都取得了较好的应用效果。从光合细菌技术的发展趋势来看，EM菌技术将成为未来的研究重点，该技术将光合细菌与其它微生物进行有效的复合，可以大大提升光合细菌的能力。

我们相信光合细菌技术的应用和发展将持续推动农业科技的发展，为实现农民增收、助推生态农业建设和促进我国农业可持续发展做出更大的贡献。

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光合作用研究篇5

光镊( optical tweezers)又称为单光束梯度力光阱( single-beam optical gradient forcetrap)，是一种利用高度汇聚的激光束形成的三维梯度势阱来俘获、操纵微小粒子的技术[1]。其中，势阱是指一个包围着局部最小势能的区域，因形如陷阱而被称为势阱。光镊自 1986 年由美国科学家 Arthur Ashkin[2]发明以来，已被广泛应用于生物医学、物理、化学等领域，成为一项重要的研究工具。最初，基于光学显微镜的光镊系统满足了对生物系统同时进行操纵和观测的需要。随着研究的深入，生命科学要求能够进行单分子层次的研究，光镊配套的成像观测系统因此发展出了在秒级时间尺度上的位移测量精度为10－10m级的光镊以提高空间分辨率；为了避免光镊高强度聚焦激光束可能产生的热效应和光化学效应，近场光镊和飞秒脉冲光镊应运而生，克服了传统光镊的热效应问题，有利于保持生物分子的稳定性。为适应生物系统的复杂性，双光镊、三光镊、四光镊和全息光镊等系统的出现实现了多粒子操控。随着光镊的进一步发展，光镊将有可能走出实验室，进入制造业、临床诊断等主流产业中去。本文将综述光镊及拉曼光镊的基本原理和特点，及其在生物医学领域中的研究进展、现状和展望。

光镊的原理和特点

光镊原理简述

光镊是基于光的力学效应的一种新的物理工具。这里以透明电介质小球为模型来阐明光镊的基本原理。如图 1，当一束光穿过电介质小球时，将发生反射和折射，在这个过程中，光子与小球碰撞产生的动量变化将使小球受到散射力和梯度力。散射力 (Fs)正比于入射光强，方向沿光传播的方向；梯度力(Fg)正比于入射光强的梯度，方向沿光强的梯度方向。光镊是依靠光的梯度力形成的，当达到焦点附近的梯度力大于散射力时才能形成一个稳定的三维光学势阱来稳定地捕获生物粒子。这一稳定的三维光学势阱是由一束激光通过一个短焦距透镜汇聚来实现的。如图 2 所示，无论入射光从法线之上或者法线之下入射小球，小球所受到的合力均指向焦点(f)，从而使小球被稳定“钳夹”在焦点的位置。

光镊的特点

光镊的基本功能赋予了其在生物医学研究领域中的独特优势。1) 光镊可捕获和操控数十纳米到数十微米的微粒，而大多数生物微粒，诸如细胞、细胞器甚至生物大分子，都恰好在这一尺度范围内。因此，光镊可用于操控和研究生物微粒。2) 光镊以一种温和的、非机械接触的方式完成夹持和操纵物体，捕获力是施加在整个微粒上，而不是像机械捕获那样集中在很小的面积上，不会对捕获的生物微粒造成机械损伤和污染。3) 由于光的无形性和穿透性，光镊可以在保持细胞自然生活环境的情况下对其进行捕获与操纵，而且，光镊的所有机械部件离捕获对象的距离都远大于捕获对象的尺度(1000倍)，是遥控操作，几乎不干扰生物粒子周围环境和它的正常生命活动。4)光镊能产生皮牛顿量级的力，且在捕获焦点附近表现出虎克弹簧的性质，能满足单分子力学和单细胞研究的需求，是重要的传感探测工具。另外，光镊与拉曼光谱结合被称为拉曼光镊技术。拉曼光镊被广泛应用于生物医学研究中，因其具有微量检测、快速和高精度等优点，特别适合生物样品的化学成分分析[3]。单独使用拉曼光谱进行测量时需要将激光束聚焦到样品上，再探测光束焦点处样品激发的光谱信号。用拉曼光谱技术研究活细胞时，待测细胞需要固定在载玻片上，这样就改变了细胞周围的微环境，可能对细胞机能产生影响。光镊的引入避免了这种情况，因为它可以非接触地操纵活细胞。因此，拉曼光镊可以获得单个活细胞的拉曼光谱，提取单个活细胞的结构信息[4]。

光镊和拉曼光镊技术在生物医学领域中的研究进展

基于多种成像技术的发展，光镊已经从物理学领域中脱颖而出，演变为一项适用于生物医学研究的多功能工具，这是由于光镊可以从单细胞的研究中获得详细的信息。其中，多光镊应用于单细胞的分析拥有巨大潜力，利用其平行测量功能，可以为研究人员提供良好的分析数据，例如，多光镊用于细胞异质性的研究、生物力的测量用于单细胞机械性能的研究等。利用光镊对分子马达和单分子力的研究可以得到其他方法难以获得的研究结果。光镊应用于细胞信号传导和组织工程也有广阔的前景。另外，光镊与微流控系统结合时，可以精确地控制细胞的化学环境，因而可以实现对酸碱性、渗透压、药物和温度等环境因素的实时、动态研究。随着自动化及其它便于操作的光镊设备的发展和跨学科学术合作的日益频繁，光镊技术将成为生物医学领域中一种经常使用的研究工具。

应用于血细胞和血液系统疾病的研究

血细胞

由于生物细胞的多样性和复杂性，在许多情况下，为了从研究中得到相关信息，需要对大量细胞进行研究。如果对细胞一个接一个地研究，研究过程会过分耗时。为了解决这一问题，多光镊被开发出来以实现对单细胞的平行研究。Ramser 等[5]开发了双光束光镊系统来研究红细胞，并使用不同波长的激光获得了红细胞的拉曼光谱，发现波长 514.5 nm 的激光激发出的光谱质量最好，且500～1650 cm－1范围内的光谱峰随时间发生了变化，这是由于这一区域的光谱对氧从血红素中解离的光解作用较为敏感所致。Cojoc 等[6]应用多光镊技术在多个位置成功捕获了红细胞，他们使用衍射分光镜将激光分裂为多光束，使用氩离子激光探测被捕获的红细胞。多光镊技术与单光镊相比有三个独特的优势：1) 允许细胞在三维空间内排布；2)允许细胞的侧向移动，激光可从不同位置激发拉曼光谱；3)入射在细胞上的激光强度分散，降低了光损伤的可能性。国内外有许多应用拉曼光镊对血细胞进行研究的报道。拉曼光镊基于光子的非弹性散射，通过获得入射光子与散射光子的能量差异，观察分子键的振动状态，从而获得丰富的分子结构信息。因此，拉曼光镊可以快速灵敏地分析红细胞，特别是分析血红蛋白的状态。Deng 等[7]使用拉曼光镊技术研究了酒精对红细胞的作用，他们记录了细胞与 20%酒精接触过程中的拉曼光谱随时间的变化情况，发现表示血红蛋白的光谱带强度随着红细胞与酒精接触时间的延长而下降。王桂文等[8]应用拉曼光镊技术俘获形态正常和发生形变的红细胞并获得其拉曼光谱，以平均光谱、主成分分析 (principal component analysis，PCA) 等方法分析不同形态红细胞的光谱差异与胞内血红蛋白的变化，以及这些差异和变化对光谱诊断分析的影响。结果发现，在正常的生理环境下，红细胞发生皱缩甚至形成棘形细胞，都不会影响光谱判别分析。最近，该实验组应用拉曼光镊结合气体循环供给装置，收集并分析了不同氧合状态的单个红细胞的拉曼光谱[9]，发现较强功率的激光照射会导致血红蛋白凝集特征峰(1248 cm－1和 1371 cm－1)升高。I1638/I1547比值是区分氧合态与去氧合态的良好标志，经较长时间保存的红细胞氧合能力增强，但去氧能力没有显著变化；α地中海贫血 HbH-CS患者的红细胞氧合能力比正常对照强，但其去氧能力较差。由此可见，拉曼光谱特别适合分析血红蛋白。这主要因为血红蛋白的活性中心由卟啉环组成，卟啉环可以吸收几个可见光区的波长，使用接近这些波长的激光照射红细胞，就会出现共振效应，测量集中在血红蛋白分子上，而不会受到其他细胞成分和环境的干扰。由于在全血中可以检查到许多血细胞缺陷，血液细胞的分选受到关注。Grover 等[10]使用两束相反方向的激光，在光捕获的基础上，通过图像处理系统区分红细胞、白细胞和血小板，并最终将分选好的各类细胞转运到微流系统的指定容器中。该分选方法快速、精准。这说明当分选对象在大小、形状上存在较大差异时，可以利用其在光场中所受作用力的不同对其进行分选。Paterson 等[11]利用 Bessel 光产生的环形对称光场将红细胞与淋巴细胞分开，正是由于两种细胞的受力不同，在光场中的行为也不同。在该研究中，研究者发现双凹形的红细胞在Bessel 光的外环上聚集后才到达 Bessel 光中心，而球形的淋巴细胞则直接到达 Bessel 光中心。最近，Yang 等[12]使用光镊技术来测量凝血细胞之间的力，通过观察血红细胞的活动，发现凝血共经历三个阶段；通过测量血红细胞间的相互作用力，发现肝素使血细胞之间的力变小并延长了凝血时间，而氨甲环酸使凝血过程跳过前两个阶段而直接进入最后阶段。由于光镊的力范围在飞牛至纳牛，正好涵盖了许多细胞内和细胞间的生命过程，所以，可以很好地应用于测量细胞间或细胞内分子之间的相互作用力。

血液系统疾病

血液系统疾病主要表现在血细胞的异质性，由于拉曼光镊可以获得详细的生物细胞分子的结构信息，因此，可用于对细胞异质性的研究。Chan等[13]利用拉曼光镊技术获得了正常和癌变白细胞的拉曼光谱，发现癌变的白细胞 DNA 光谱带强度比正常白细胞低。Chan等[14]还通过捕获白血病病人的活体白血病细胞获得了可复制性的拉曼光谱，并应用 PCA 方法将正常和癌变白细胞的拉曼光谱进行了区分。由主元线性鉴别分析法 (principlecomponent linear discriminant analysis，PC-LDA) 进行监督分类，敏感度可达到 95%。因为使用了真实的临床病例，提高了这项研究的应用价值。Jess 等[15]应用双光镊并结合拉曼光谱和微流控芯片，获得了单个 HI60 人类早幼粒白血病细胞的拉曼光谱。微流控芯片的应用显著加快了细胞的拉曼光谱检测进程。De Luca等[16]采用拉曼光镊技术，在单细胞水平上研究了β-地中海贫血红细胞的携氧能力和细胞膜脆性，发现地中海贫血红细胞的携氧能力下降，且其对于氧分压更为敏感；测量到的膜剪切系数显示地中海贫血红细胞膜脆性增加了40%，证实主要影响血红蛋白合成的基因缺陷对于红细胞的机械性能也存在强烈的影响。王桂文等[17]应用拉曼光镊技术收集了一例重型α地中海贫血患者单个红细胞的拉曼光谱。结果发现，重型 α 地中海贫血患者红细胞的拉曼光谱信号显著低于正常对照，并检测到一定比例的有核红细胞；正常对照的红细胞拉曼光谱均一，而重型α地中海贫血患者的细胞形态和拉曼光谱均显示出多样性；中等大小、形态接近正常的一类红细胞，其细胞间光谱差异最大；可观察到部分外表形态正常的红细胞，但其血红蛋白可能发生了血红素凝集和蛋白质变性。该实验组[18]还将 PCA和反向传播 BP 网络预测模型相结合，进行了地中海贫血红细胞类型的判别。PCA 结果显示，正常对照与中间型α地中海贫血细胞(HbH-CS)基本可以区分，但正常对照与重型β地中海贫血细胞及 HbH-CS 与重型 β 地中海贫血细胞间的差异不明显。将归一化处理的前5个主成分进行 BP 网络训练及预测，结果发现，正常对照与 HbH-CS 间的预测正确率高达97.90%，正常对照与重型β地中海贫血细胞及 HbH-CS 与重型 β 地中海贫血细胞间的预测正确率分别为 90.72%和 86.28%。综上所述，通过将光镊与拉曼光谱和微流控芯片相结合，可用于检测血细胞中血红蛋白的生理状态，并对血细胞进行分选，具有很大的临床应用潜力。应用该方法，可以获得异质红细胞与正常红细胞的拉曼光谱，通过PCA 等数据分析手段实现对异质红细胞的鉴别和分选。另外，多光镊的应用明显扩大了对血细胞的研究范围，提高了研究效率。

光镊和拉曼光镊技术应用于微生物和感染性疾病的研究

微生物

大肠埃希菌

由于通过拉曼光谱可获得被分析物的分子指纹，因此，拉曼光镊也可被应用于对单个微生物细胞组分的研究。Xie和 Li[19]使用波长为 785 nm 的激光获得了大肠埃希菌的拉曼光谱，用此方法获得的光谱具有较好的信噪比(signal noise ratio，SNR)和较小的背景干扰。他们发现，大肠埃希菌在 60℃以上培养时，代表核酸的光谱带强度显著下降。该实验组进一步的研究[20]还发现，使用拉曼光镊能够区分不同培养条件下平台期的细菌。生物对激光的反应取决于激光的波长和强度。与可见光相比，近红外激光能够降低光损伤。Neuman 等[21]研究了波长为 790～1064 nm 的激光对大肠杆菌的近红外光效应，发现光损伤最小的激光波长为830 nm 和 970 nm，而光损伤最大的激光波长为 870 nm 和930 nm。Rasmussen 等[22]研究光镊捕获对大肠杆菌的生理损伤，通过测量胞膜内外pH 梯度来确定细菌的生理状态，发现，波长 1064 nm、功率 6 mV 的激光捕获大肠杆菌 60 min，其细胞膜内外的pH 梯度无显著下降，而用同样波长、功率 18 mV 的激光捕获仅几分钟，大肠杆菌细胞膜内外的pH 梯度就明显下降；他们还发现，振荡条件下培养的大肠埃希菌比非振荡条件下培养的受到的生理损伤小。Mirsaidov 等[23]对大肠杆菌的生存力进行了研究，与之前的研究结果不同，研究人员发现光损伤与近红外激光波长(840～930 nm)的关系微弱，但与激光强度呈线性相关，大肠杆菌的致死光能量为 5 J。Moritz等[24]通过拉曼光镊技术结合 PCA 方法，在单细胞水平上研究了大肠埃希菌对抗生素的反应，发现，培养 4 h，无抗生素组在 729 和 1245 cm－1出现谱峰，而在 1660 cm－1没有谱峰；1 vol%青链霉素组和 5 vol%青链霉素组在 1660 cm－1出现谱峰，但是在729 和1245 cm－1没有谱峰。头孢菌素组的光谱在 729 和 1245 cm－1与青链霉素组相似，反应了抗生素存在下细菌胞内腺嘌呤的生理变化。但是，头孢菌素组的光谱在 1660 cm－1没有谱峰，这可能与青链霉素引起70S 核糖体单体在细胞内的聚集有关。可见，通过对获得的拉曼光谱进行数据处理分析，可得知细胞内外生物大分子的变化情况，因此，拉曼光镊可用于研究环境因素对微生物的作用及其机制。

酵母菌

Xie等[25]通过拉曼光镊技术获取酵母菌的拉曼光谱，再通过与已知正常和死亡酵母菌的拉曼光谱进行比较来筛选正常酵母菌。由于伊红只能使死亡的酵母细胞着色，因此通过拉曼光镊技术分选出的酵母细胞可以通过伊红染色的方法复查。应用此方法对 6 个酵母细胞进行筛选的精确度为 100%。说明可以利用拉曼光镊对酵母菌进行筛选。然而该研究只用了6个细胞，该方法的可靠性需要更大的样本量来加以验证。Creely等[26]通过波长 785 nm 的激光获取酵母菌的光谱，研究该波长的激光对酵母菌的损伤，发现酵母菌被 785 nm 的激光捕获 2 h 未出现细胞损伤，未在拉曼光谱中观察到蛋白质构型的改变，说明 785 nm 的激光对酵母菌的光损伤很小。Eriksson等[27]将光镊与微流控芯片相结合，研究酵母细胞氧化应激的信号路径。其中，绿色荧光蛋白(green fluorescent protein，GFP)与信号路径中的蛋白相结合，可通过荧光显微镜观察细胞的反应。他们发现，转录因子 Yap1p 是在抵抗氧化应激中起主要作用的调节因子。当细胞受到氧化应激时，Yap1p-GFP 进入细胞核，而在正常情况下，Yap1p-GFP 应回到细胞胞质中。该实验组还以同样的方式研究了不同葡萄糖浓度下的 Snf1 路径。Tao 等[28]应用拉曼光镊技术探测粘红酵母细胞内的胡萝卜素、核酸及其他重要生物分子。他们发现，胡萝卜素和脂质的合成在对数期末才出现显著增加，在平台期之后总量达到最大；核酸在早期的合成增加，随着酵母菌生长逐渐平稳，核酸合成反而逐渐下降。这些实验说明拉曼光镊系统作为一种快速、便捷、可靠的方法，可以用于胡萝卜素合成过程的菌体内研究。一般来说，生物对激光的反应取决于激光的波长和强度。通过改变捕获激光的光学性质，可以实现不同的研究目的。就非损害的光学捕获而言，应该使用近红外激光。但是，由于不同的生物分子和细胞对激光的反应不同，光镊用于捕获微生物时，应该探索特定波长和强度的激光对该生物的影响。将拉曼光谱与光镊相结合，能够获得细胞内各组分和细胞外分子的详细信息，可用于鉴别不同微生物，检测其生活状态及生命过程。另外，荧光显微镜和特定荧光团的使用能够帮助检测到细胞内某些特定物质的生命活动。

感染性疾病

Mohanty 等[29]基于红细胞在光镊夹持下的旋转运动提出了疟疾的高效诊断方法。当健康红细胞与高渗缓冲液接触时，红细胞变为半月形并在光镊捕获下旋转，而疟疾感染的红细胞不旋转，受感染个体中健康的红细胞低速旋转。该特征可被用于筛查血样。通过该方法在 30 s 内可分析完成 20 个红细胞。最近，Saraogi 等[30]通过用光镊测量受到疟原虫感染的单个红细胞的布朗运动来研究红细胞物理性质的改变。光镊捕获力是该实验的一个重要参数，因为光镊捕获力与激光强度、被捕获对象的物理性质有关。测量布朗运动的功率谱是确定光镊捕获力的方法，该实验就采用测量功率谱的办法来确定光镊的捕获力，进而了解被捕获红细胞的物理性质。研究发现，正常红细胞与被感染红细胞的功率谱出现具有统计学意义的角频率不同。由于感染引起红细胞物理性质的改变，从而使角频率发生变化，但是角频率的变化与感染各个阶段的关系不大。实验中发现仅有不到 10%的红细胞受到寄生虫感染，但是，从感染病人血液中提取的未受疟原虫侵染的细胞，角频率也存在明显的增加，这说明了旁观效应的存在。由于疟原虫可以引起血红细胞性质的变化，因此，通过光镊对受感染红细胞的运动、物理性质等数据进行测量，可为诊断疟疾提供帮助，有望成为疟疾的辅助诊断工具。目前，在口腔医学领域中应用光镊或者拉曼光镊技术进行的研究不多。梁裕芳等[31]应用拉曼光镊技术比较分析了口腔毛滴虫和阴道毛滴虫的拉曼吸收峰，并寻找具有分类学鉴别价值的特征拉曼峰。通过光镊随机俘获单个大小一致、有活力的虫体并记录其拉曼光谱，收集数据并做PCA分析。通过实验发现，不同来源的虫体在 937 cm－1、1002 cm－1和1446 cm－1谱峰的强度和谱型有差异，因此，根据 1002 cm－1谱峰的信号强度，并结合937 cm－1和1002 cm－1峰强度比值(I937/I1002)及1002 cm－1和1446 cm－1峰强度比值(I1002/I1446)，可以作为区分阴道毛滴虫和口腔毛滴虫的量化指标。可见，拉曼光镊技术可以用于鉴别两种毛滴虫。

光镊和拉曼光镊技术应用于肿瘤疾病和抗癌药物的研究

肿瘤疾病

乳腺癌

由于癌细胞在生物分子构成上发生了显著变化，癌细胞的大小、物理性质等也会发生相应的改变。Guck 等[32]使用以光镊为基础设计的“光担架”研究乳腺癌细胞，发现乳腺癌细胞比正常乳腺细胞更容易发生形变。更强的形变能力被认为与恶性肿瘤细胞需要形变后进入循环系统而发生远处转移有关。这一方法可以用于微流细胞筛选，并根据细胞膜变形能力进行诊断。

前列腺癌

由于前列腺特异性抗原检测的高假阳性率，临床上迫切要求提高诊断前列腺癌的准确性。由于拉曼光谱中包含了大量的化学物质结构信息，拉曼光镊被广泛应用于肿瘤细胞与正常细胞的鉴别。Harvey 等[33]应用拉曼光镊技术结合 PCA，区分前列腺癌细胞 (PC-3) 和膀胱细胞系(MGH-U1)，发现 MGH-U1 比 PC-3 含有更多的核酸和蛋白质。这项研究显示拉曼光谱包含大量化学物质的结构信息，例如，氨基化合物Ⅰ和氨基化合物Ⅱ的光谱带分别位于 1650 cm－1和 1570 cm－1，脂质的光谱带在 1200 cm－1至 1400 cm－1的区域内占优势，含苯丙氨酸的蛋白质在1002 cm－1能被清楚地观察到，也有蛋白质在 860 cm－1的位置出现光谱带，在 800 cm－1以下区域的弱带一般代表核酸。Harvey 等[34]还采用化学方法固定前列腺癌细胞、早期前列腺良性肥大细胞和尿道细胞，并应用拉曼光镊技术对这三种细胞进行鉴别。实验结果显示，敏感性大于72%，特异性大于 90%。可见，该研究方法有可能应用于临床，通过简单的尿液检查对前列腺癌进行诊断。与活体组织检查相比，该方法对患者造成的痛苦少，但就其敏感性和特异性而言，仍无法取代活检。

结直肠癌

Zheng等[35]应用拉曼光镊技术获得了 200 个正常和 200 个癌变结直肠细胞的拉曼光谱，并使用ANN和 PCA 对光谱进行分类。结果显示：80 个光谱的单盲试验，敏感性和特异性均达到 86.3%；双盲试验，敏感性达到 85%，特异性达到 92.5%。Chen 等[36]制备了取自直结肠癌变组织的细胞悬液，用光镊捕获正常和癌变结直肠上皮细胞并获得其拉曼光谱，分析显示癌细胞包含更多的核酸和蛋白质。通过单盲试验，敏感性达到 82.5%，特异性达到92.5%。Deng等[8]使用拉曼光镊技术对正常和癌变的直结肠细胞进行研究，发现正常直结肠细胞的光谱带强度比( 1002/1300)为 1.08，而癌变直结肠细胞的光谱带强度比为 0.85。1002 cm－1的光谱带代表蛋白质，1300 cm－1的光谱带代表脂质，可见，正常的直结肠细胞比癌变的直结肠细胞含有更多的蛋白质和更少的脂质，因此通过选择合适的参数(如光谱带强度比)，可实现对细胞良、恶性的快速鉴别。

其他肿瘤

Banerjee和 Zhang[37]应用拉曼光镊来区分星形胶质细胞和它的癌变细胞，与其他肿瘤的研究结果相似：癌变细胞的蛋白质和脂质的光谱带强度比星形胶质细胞的光谱带强度高，这项研究说明拉曼光镊有在较为复杂的领域中进行研究的潜力。姚辉璐等[38]利用拉曼光镊获得了鼻咽癌细胞株和正常人鼻咽部气道上皮细胞株的单细胞拉曼光谱，结果显示：正常细胞和癌细胞的平均拉曼光谱有显著差异，正常细胞的光谱强度比癌细胞明显要高，正常细胞的光谱带强度比(1304/1336)为 1.05，癌细胞为 1.22。证明拉曼光镊可以成为区别正常鼻咽细胞和鼻咽癌细胞的有效手段。该实验组[39]还应用相似的实验模型获得了正常肝细胞株和肝癌细胞株的单细胞拉曼光谱，得到了类似的结果：正常细胞和癌细胞的平均拉曼光谱存在显著差异；癌细胞谱线强度整体变弱；正常细胞1658 cm－1处峰和 1450 cm－1处峰的强度比值为 0.63，癌细胞为 0.99；癌细胞的核酸、蛋白质、脂类等重要生物分子在结构或含量上都发生了不同的改变。用 PCA 方法对单个细胞的平均拉曼光谱进行分析，结果发现PCA 可以正确区分出正常细胞和癌细胞。

抗癌药物

国外学者使用光镊研究 DNA 插入药物与 DNA 的结合方式和亲和性。过去的研究发现喹唑酮类药(PD153035)为新型酪氨酸激酶抑制剂，还发现 PD153035 可以直接插入 DNA，说明这种多靶向定位药物具有很大的治疗人类恶性肿瘤的潜能。Cheng等[40]使用双光镊来确定 PD153035 的亲和性常数 (KA)和插入位点之间最小的碱基对数(n)。光镊系统与一个倒置的光学显微镜结合，包含两束激光，一束采用减反射镜来控制，作为固定势阱，另一束采用扫描镜来控制，作为扫描势阱。另外，用一个四象限光电二极管探测被捕获微珠的位置。为了构建 DNA- 微珠复合体，将噬菌体 DNA 片段的生物素酰化末端与 T4DNA 连接酶捆绑，末端附着于抗生蛋白链霉素包裹的平均直径为 1.87 μm 的微珠上。实验结果表明，DNA在 1 mmol/L 的甲次砷酸钠液中明显增长，在 (23±0.5)℃的环境温度下，KA= (1.18±0.09)×104mol－1L，nPD153035=11 bp。在测量 DNA 分子力的实验中，直接进行 DNA 的操作并不方便，通常需要将DNA 链的一端与微珠相连，以便于对 DNA 的操控。

光镊和拉曼光镊技术应用于亚细胞结构的研究

除了细胞水平的研究，拉曼光镊也可应用于对亚细胞结构(如染色体、线粒体、DNA、RNA等)进行研究。Ojeda 等[41]采用拉曼光镊技术，捕获操控染色体并获得即时光谱，成功鉴别了三个不同的染色体。他们使用光镊分离三个不同的染色体，获得拉曼光谱并进行GDA分析，再用光镊将染色体放置于载玻片上，通过 G 带染色来验证光谱的检测结果。实验结果表明能够根据拉曼光谱区分这三个染色体，从而证实了使用拉曼光镊技术无需染色就能够鉴定人类染色体。Reiner等[42]使用光镊技术从溶解的人 HL-60 细胞中成功提取出单个线粒体并完成线粒体 DNA 异序性的检测。用线粒体绿色荧光染料 (Mitotraker Green FM) 对线粒体染色标记，利用紫外光使细胞溶解，用荧光辨认单个线粒体，再用红外激光捕获线粒体并将其移动到微小的吸液管尖端，线粒体被吸入缓冲液，为分析线粒体 DNA (mtDNA) 做准备。使用PCR 技术 3 次 DNA 扩增后，通过基因测序的方法发现单个线粒体中 mtDNA 的异序性比率约为 50%。该研究说明，荧光显微镜及荧光染料的发展为光镊对细胞中某些特定物质的研究打下了基础。Tang 等[43]应用拉曼光镊技术研究从大鼠的肝脏、心肌和肾脏组织中提取出来的线粒体。首先记录脂质、蛋白质、核酸的拉曼谱峰，再通过拉曼光镊获得各组织中提取出来的线粒体的拉曼光谱，发现从不同组织中提取的线粒体的差异是由于各组织中线粒体组分的不同造成的，例如，肝脏线粒体和心肌线粒体的光谱差异源于脂质的结构和蛋白质的分子量不同。Tang 等还发现，当线粒体与含 100 μmol/L Ca2+的 KCl 缓冲液接触时，1602 cm－1的拉曼谱峰强度下降。这项研究说明拉曼光镊技术可以研究单个线粒体的生命活动及其与药物、毒素接触时的组分变化情况。

光镊和拉曼光镊技术应用于生物学基础研究

在一些研究中，需要以可控的方式去除某些细胞成分而又不损伤其他细胞组分。此时，可以采用脉冲紫外激光或者近红外激光作为光刀攻击细胞器，使其不可逆地失去功能。Paterson等[11]使用紫外光二极管为光源，以相对较低强度的光切细胞膜，向仓鼠卵细胞中引入外源 DNA。Stevenson 等[44]使用钛宝石激光，以同样的实验模型研究细胞的转染率和生存力，研究显示光手术非线性地依赖于光强度，作用于细胞膜上的激光强度为 1.2 μJ/cm2时，细胞转染率为 50%。光刀也可应用于研究细胞不同部分的功能。Grigaravicius 等[45]将光刀应用于老化研究。DNA 的自我修复作用在维持胞内生化反应中起着至关重要的作用，为了更多地研究 DNA 修复分子与 DNA 损伤位点之间的动力学，在时间和空间上有控制地敲除特定DNA很重要，光刀提供了卓越的空间和时间控制，因而成为该实验的理想工具。将光刀与荧光显微镜结合，他们发现，对 DNA 轻度损伤的修复发生在实际发生 DNA 损伤位点的旁边而并不直接位于该位点上，其原因需要进一步的研究。另外，紫外激光也可在细胞膜上钻孔，以观察荧光染料在细胞内的扩散，该技术被应用于研究细胞内区室之间的连接情况[46,47]。将紫外光导向相邻两个细胞的邻接点可引起两个细胞的融合，He 等[48]应用这种方法，使用1550 nm 的飞秒脉冲激光将人肝癌细胞与人子宫颈癌细胞融合，细胞融合率为37%。多光镊的出现实现了多个粒子的同时操作，而使激光穿过空间光调制器(SLM-spatiallight modulator)可得到需要的光结构。随着成像技术和计算机的发展，实现了全息计算直接与 SLM 连接，最终建立起全息光镊系统。Monnoret 等[49]将设计的储液池与全息光镊结合，引导多个橡胶微珠与 cos-7 细胞的特定区域结合，这项研究作为使包裹配合基的橡胶微珠与细胞膜密切结合的基础，可应用于细胞膜受体的动力学研究。此外，光镊在组织工程学研究中有巨大的应用潜力，Mirsaidov 等[50]通过将微流控系统与分时光镊结合，成功构建了人工合成组织。其中，微流控系统将细胞导入组织装配区；分时光镊用于将细胞组装成为复杂的培养组织，之后，这些细胞被包裹在模拟细胞外基质的可光聚合水凝胶中。通过上述过程的反复操作，该人工合成组织的体积逐渐增大。

小结与展望

光合作用研究篇6

关键词: 光照强度;园艺植物;光合作用

中图分类号：K928文献标识码： A 文章编号：

引 言:光合作用是一种光化学反应过程.光不但是光合作用的动力,而且还调节光合酶的活性与叶片气孔的开度,因此光直接制约着光合速率的高低.光照条件包括光照强度、光质、光照时间等因素,这些因素对植物的光合作用有着深刻的影响.迄今为止关于光照强度与园艺植物光合作用的关系,已有大量报道.

一、 光照强度对园艺植物单叶光合作用的影响

1.1 光照强度对园艺植物光合作用生理特性的影响

在逆境光照条件下,植物的生理生化特性会发生相应的变化,如过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)的活性,膜脂过氧化产物(MDA)的含量以及叶绿素的含量等都会发生变化.这些变化又会进一步影响植物的光合作用,而且这种影响因其生长的生态环境不同而不同.在研究光强对辣椒、石斛等耐弱光园艺植物的影响时发现,随着光强的增加,叶绿素含量与CAT活性呈现先上升后下降的趋势,而MDA含量与POD活性则随光照强度的增加呈先降后升的趋势.这说明在一定的光强范围内,光照强度的增大延缓了植物叶片的衰老,提高了CAT活性.在研究弱光对黄瓜光合作用的影响后认为,弱光破坏叶片膜系统,造成光合过程酶活性的改变.此外,弱光造成叶绿体发育不良,排列紊乱,超微结构遭到破坏,叶绿体数量减少,叶绿素的降解加剧,使叶绿素含量降低,因而叶片捕捉和利用光能的能力下降,叶片光合能力下降.

1.2 光照强度对园艺植物单叶光合特性的影响

植物光合作用的研究多集中在单个叶片的水平上.迄今为止人们已经对黄瓜、番茄、辣椒、西葫芦等多种园艺植物单个叶片的光合作用进行过比较系统的研究,结果表明园艺植物光合作用对光强的响应表现为在黑暗中叶片不进行光合作用,通过呼吸作用释放CO2.随着光照强度的增大,光合速率相应增大,当达到某一光照强度值时,叶片的光合速率等于呼吸速率,此时光照强度即为光补偿点.在低光照强度时,光合速率会随着光照强度的增大而增大,当光强增加到达某一强度时,光合速度不再增加,此时的光照强度即为光饱和点若光强进一步升高,则会发生光抑制,光合速率反而下降.虽然园艺植物单叶光强-光合曲线总体趋势相似,但不同植物之间仍存在一定差别,其中光补偿点和光饱和点存在很大的差异.总体上讲,光补偿点高的植物一般光饱和点也高,对于光补偿点和光饱和点来说草本植物要高于木本植物,阳生植物要高于阴生植物,C4植物要高于C3植物.因此,光饱和点和光补偿点可以作为植物需光特性的主要指标,用来衡量需光量.但同种植物的光饱和点和光补偿点也不是固定不变的,它们会随外界条件的变化而变动,例如,当CO2浓度增高或温度降低时,光补偿点会降低;而当CO2浓度提升时,光饱和点则会升高.光照不足可成为光合作用的限制因素,而光照过强也会对光合作用产生不利的影响.当叶片吸收过多光能,又不能及时加以利用或耗散时,植物就会遭受强光胁迫,引起光合能力降低,发生光抑制. 光抑制现象的发现可以追溯到19世纪中期,但较完整的试验报道始见于20世纪初到20世纪80年代中期,叶绿素a荧光技术的应用极大地推进了光抑制研究的发展.植物对光抑制条件的敏感性受遗传因素影响和环境因素的影响,在没有光以外的其他环境因子胁迫下,中午强光下蔬菜等C3植物易发生光抑制,光饱和点低的阴生植物如人参更易由于光抑制而受到危害[41].高温、低温或冰冻、水分亏缺、营养不足等环境胁迫因素同时存在时,植物对光抑制条件的敏感性增加,在中低光照强度下就会发生光抑制.但是目前关于园艺植物光抑制方面的专题研究相对较少.对生姜的研究表明,午间强光使生姜叶片的叶绿素荧光参数(Fv/Fm)、表观量子效率(AQY)及Pn降低,发生明显的光抑制现象,而MDA含量明显升高,说明已发生光氧化.

1.3 光照强度与园艺植物光适应的关系

长期处于逆境光照强度下的植物对弱光和强光有一定的适应性.有关园艺植物光适应的生理特性国内外已从群体、个体、叶片、细胞器等各级水平上进行过研究.现已明确对外界高低光强适应要依靠调节光系统组分和光合酶活性来实现,在高低光强下PSÒ活性均有所降低,特别是在强光下更为明光照强度对园艺植物光合作用影响的研究进展.但在强光下可看到PSÑ活性和反应中心160kD蛋白的适应增加,在弱光下可看到PSÒ集光色素复合蛋白(LHCII)的适应增加.这些蛋白的增加,在高低光强逆境下对PSÒ活性起到补偿和稳定的作用.在弱光对甜椒的影响研究中也发现了类似的结果,弱光下PSÒ活性降低,但其捕光色素蛋白复合体(LHCP)含量增加,从而对PSÒ活性起到补偿和稳定作用.前人还依据在不同遮光条件下植物生长、发育及形态解剖特征等来研究植物的最适光强和光照适应性,研究光照强度对山茶花形态、解剖特征和生长发育的影响时发现,在不同的光照强度下山茶花的单叶面积比和叶质量随着遮光率的增加而递减,而叶片的厚度、栅栏组织的总厚度和栅栏组织的层数均随着遮光率的增加而下降.同时不同的光照强度对叶绿素的含量也有不同的影响.对于阴生和阳生植物来说遮光具有不同的效果.对耐阴植物适度遮光会提高其光合速率,而对阳生植物则会产生相反的结果.

1.4 光照强度与其它生态因子协同对园艺植物光合作用的影响

光照强度对园艺植物的光合作用的影响并不是孤立的,而是与CO2浓度、水分状况、温度、矿物质营养等生态因子协同作用的.首先,光强会影响CO2浓度与植物光合作用的关系.在研究生姜时发现,强光照条件下,提高大气CO2浓度对生姜群体光合速率提高有明显的效果.张效平等也发现,在强光照下,CO2浓度的提高有助于唐菖蒲光合速率的提高,进而使唐菖蒲的叶片生长量、叶面积和叶干质量明显增加,鲜花质量也明显提高.其次,光强还会影响矿物质元素与植物光合作用的关系.寿森延等研究发现,在较高光照下,施NO-3的番茄植株光合速率比施NH+4的植株光合速率高,且施NH+4的植株生长受到抑制,叶片单位叶绿素含量明显下降.人们对生姜、大白菜、大蒜、龙眼等植物的研究结果表明,正常水分条件下叶片的光合速率远大于水分胁迫条件下叶片的光合速率,且随着光强的增加其差异逐渐增大.

二、光照强度对园艺植物群体光合作用的影响

群体光合作用(CPn)可以反映出植物在其特定群体结构条件下干物质的生产速率,可以较准确地反映植物群体的光合作用.单叶光合特性的研究是测定在特定条件下(如正常功能叶、正常受光姿态及其正常的大气条件下)叶片的光合速率,而不能反映出某种植物在其特定群体结构条件下不同层次叶、茎、花、果的平均光合速率.而且由于测定技术与方法的限制,涉及光照强度对园艺植物群体光合的影响研究相对较少.但群体的光合特性并非单光合特性的简单迭加,群体的光合特性还受群体大小与结构的影响.群体的叶片分布在不同的层次中,植冠层上部的叶片截获光量较多,而中部和下部叶片由于上层遮荫,所接受的光量较少,因此植物群体光合作用的光补偿点和光饱和点大大高于单叶水平,田间条件下的自然光照很难达到多数植物的群体光饱和点.对大白菜、生姜和大蒜的研究也都发现,在一定的光照强度范围内,植物群体光合作用的与其单叶的光合作用有相似的变化趋势,即随着光照强度的增加群体光合作用随之增加,并且群体光合的适宜光照强度大大高于单叶光合作用的适宜光照强度.

结 语：

光照强度是影响园艺植物光合作用的重要生态因子,但迄今为止多数研究仍集中在揭示现象上,由于试验方法不同,且存在生物因素(如作物种类、品种等)和环境因素(如温度、水分、营养状况等)干扰,使得试验结果不尽相同;目前涉及光照强度对群体光合特性、光合产物输出量和分配方向的调节、光信号传递途径等机理方面研究较少.所以,光照强度与园艺植物光合作用之间的关系还有待从分子、细胞、组织、个体、群体等水平上进行深层次的研究.

参考文献

[1] 马德华,庞金安,霍振荣,等.环境因素对黄瓜幼苗光合特性的影响[J].华北农学报,1997,12(4):97-100

光合作用研究篇7

催化材料紫外拉曼光谱技术研究的带头人李灿院士告诉记者，作为化学反应中不可替代的催化剂，贵金属在诸多领域发挥着重要的作用。但是稀缺资源的价格都很昂贵，这无疑是横亘在催化剂制造的一道难题。而紫外拉曼光谱技术正是破解这一难题的金钥匙。紫外拉曼光谱是一种无损伤、高灵敏度的测量技术，在物理、化学、生物学、矿物学、材料学、考古学和工业产品质量控制等领域中有着广泛的应用，是研究分子结构和组态、物质成分鉴定、结构分析的有力工具。

紫外拉曼光谱技术破解了世界催化材料发展瓶颈，解决了催化材料关键科学难题，实现了四大突破。

一是利用紫外共振拉曼光谱技术解决了一系列重要分子筛材料中有关骨架金属活性中心的结构鉴定难题。建立了微孔和介孔分子筛骨架过渡金属杂原子活性中心鉴定的表征新方法，不仅可以大幅节约贵金属用量，而且单原子相对均一的催化环境有望实现化学反应的高选择性，减少副产物的出现，从而实现真正的绿色催化。

二是紫外拉曼光谱研究了金属氧化物催化材料表面物相结构问题，发现金属氧化物的表面与体相常常具有不同相结构，物相形成过程中表面和体相的相变表现不同步。在太阳能光催化材料研究中，发现表面物相结构和光催化活性有直接关联，提出了“表面异相结和异质结增强光催化活性”的概念。

三是发展了水热催化材料合成中的原位紫外拉曼光谱技术，观察到分子筛合成初期的分子碎片以及模板剂与分子碎片的相互作用形成的微孔结构，提出了分子筛初期形成的重要中间体决定最终分子筛结构的机理。他们的研究发展了表征催化材料的新方法，发现了催化材料合成的重要转化过程和活性中心中间物种，提出了催化材料合成的机理。

四是获得了具有与均相不对称催化相媲美的多相手性催化剂。该催化剂是一大类化合物——手性化合物的一种，而手性药物则是手性化合物中非常重要的一个分支。手性药物是指具有左旋或右旋对映体化学结构的单一对映体化合物，包括光学纯药品、光学纯农业化学品及其他光学纯产品与中间体。利用“手性”技术，人们可以有效地将药物中不起作用或有毒副作用的成分剔除，生产出具有单一定向结构的纯手性药物，从而让药物成分更纯，在治疗疾病时疗效更快、疗程更短。手性药物的研究目前已成为国际新药研究的新方向之一。在国际制药界，手性技术已被广泛应用到消化系统疾病、心血管疾病、癌症等领域新药研发中。

李灿院士告诉记者，1998年他们成功研制出我国第一台具有自主知识产权的紫外拉曼光谱仪，解决了国际拉曼光谱领域长期存在的荧光干扰问题，在国际上最早将其应用于催化及材料科学的研究。到2004年研究组研制成功紫外一可见全波段共振拉曼光谱议，使我国在拉曼光谱的催化表征研究走在世界前面。2008年，研究组与卓立汉光仪器公司合作，开始将紫外拉曼光谱仪产业化。2010年完成国家重大装备研制项目“深紫外拉曼光谱仪的研制”，获得世界上第一张激发波长低至177纳米的深紫外拉曼光谱。

光合作用研究篇8

关键字：光合细菌；废水处理；生物制氢；单细胞蛋白；饲料

中图分类号 S816 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2017）10-0036-03

光合细菌（Photosynthetic bacteria）是指可以在光照下进行光合作用的厌氧或兼氧生长的一类细菌。光合细菌在自然界的分布非常广泛，从土壤到江河湖海等各类型水体中均有分布，对自然界有非常重要的作用。早在19世纪，人们就知道光合细菌的存在，对其进行了长期的研究。目前，光合细菌已经被广泛运用到废水处理、资源化生产、预防鱼r类、家畜类疾病等各个领域。

1 光合细菌简介

光合细菌属革兰氏阴性菌，形状各异，颜色一般为红色、粉色、橙色、绿色等，主要通过二分裂、出芽等形式进行繁殖。光合细菌既可以作为原始的生产者固定太阳能，吸收CO2，也可以作为分解者通过太阳能分解其他物质。

光合细菌分为有产氧的光合细菌和不产氧的光合细菌，其中前者主要主要指蓝细菌目（Cyanobacteria）中的各种细菌。不产氧的光合细菌（Anoxygenic phototrophic bacteria）的种类非常多，主要包括以下4类：绿硫细菌（Green sulfur bacteria）、绿色非硫细菌（Green non-sulfur bacteria）、紫细菌（Purple bacteria）[1]。

2 光合细菌的研究现状

日本科学家M.Kobayashi于1960年发现光合细菌可以净化水质，由此引起了人们的广泛关注[2]。1987年，在上海召开的“第一届中日光合细菌国际学术会议”有力地推进了光合细菌的研究进程[3]。当前，光合细菌的研究大致分为以下4个方面：

2.1 光合细菌处理有机废水的研究 光合细菌在厌氧、光照环境时，能够发生光合磷酸化及相关反应，分解有机物营光能异养生长；如果是好氧环境，它又能利用有机物进行三羧酸循环。这种根据环境转变代谢类型、适应力极强的特点，使光合细菌成为处理有机废水的优良生物材料。光合细菌处理有机废水有节约土地和经费、可资源化、二次污染少等特点。20世纪70年代，小林正泰便尝试在有机废水的处理过程中添加光合细菌以提高处理效效率，并取得了不错的结果[4]。有研究指出，红假单胞菌（Rhodopseudomonas）具有耐毒性，它的细胞蛋白能吸收浓度较高的有机废水中难降解的有机大分子毒物，进而达到消除毒害的目的[5]。卢玉凤发现，通过提前驯化球形红假单胞菌并加入一定量的苹果酸，可以有效处理制糖业、乳制品、大豆加工、柠檬酸废水等[6]。董姗研究了添加球形红细菌（Rhodobacter sphaeroides）到啤酒废水中进行处理时，在F/M=5.0、且不另加P、N源、保持在光照和厌氧环境中静置，并同另一种菌，荚膜红细菌（Rhodopseudomona scapsulata）以1∶1的比例混合在一起的条件下去除COD的比率、菌体产量与沉降的效率均达到了最优值，依次为92.5%、1413mg/L、65%[7]。已有研究还展示了通过PSB方法来处理水产养殖池废水、生活污水、剩余污泥和海岸污染泥等。

2.2 光合细菌制氢的研究 氢能源作为二次能源具备许多优势，例如节能环保和可再生等。利用光合细菌产氢，能极高效地利用相应能量，并且能够同消除有机物和废水资源化结合起来，具有很大的发展潜力。Pandey通过研究揭示了[8]球形红细菌（Rhodobacter sphaeroides）在C/N=13时，制氢量能达到2000cm3/（m3・h），制氢最大速度为11.8cm3/（m3・h）。Hashesh研究发现连续流培养下的荚膜红假单胞菌（Rhodopseudomona scapsulata）在48h的水利停留时间下，每1mol葡萄糖可产生2.5mol氢气[9]。光合细菌产氢的原理为：光合细菌通过消耗ATP，在酶的参与下进行固氮作用，将NADPH中的氢还原，利用黄素蛋白（FAD/FMN，多肽与辅酶基结合形成的酶）、铁氧化还原蛋白（FD，一种氢酶）将电子传送到固氮酶中的铁蛋白（SF），进而传送到钼铁蛋白（MoFd），接着钼铁蛋白会将将氢和氮还原成氢气和氨，期间不产生氧气。李季伦提出N2在伴随固氮酶的催化、还原反应产生NH3过程中，其双位点会释放氢气[10]。当前对光合细菌的关注大多为如何筛选高效菌种。Masukawa等研究得出最优产氢条件下Anabaena吸氢酶缺失（hoxL-）变异株的产氢效率达到野生菌株的4～7倍[11]。Vignais研究了改造后的Rs.Capsulatus中Aut基因变异体，发现其制氢量比最初菌种相对增加81.94%[12]。刘颖将沼泽红假单胞菌和丁酸梭菌混合培养，在光-暗两步法下产氢，研究表明，在接种比例为5∶3、光强7500lx下，制氢性能最佳，此时的制氢量可以达到每1L菌液产2460mL氢气，其中每1mol葡萄糖可制4.9mol氢气[13]。

2.3 光合细菌生产高性价比有机物的研究 光合细菌能产生很多有价值的有机物，比如单细胞蛋白（又称微生物蛋白）、类胡萝卜素、维生素B、氨基酸等。微生物蛋白是一种细胞质团，因为含有大量的蛋白质、核酸、碳水化合物和脂肪等，富含维生素、泛醌、抗病毒的相关物质等，价值极高。王剑秋利用淀粉废水培养光合细菌[14]，结果表明，2d之内，在温度和光照不变，以及微好氧的环境中，进水COD为5g/L，每1kgCOD产出SCP（菌体蛋白）0.2～0.4kg，占菌体干重比例的30%～50%。类胡萝卜素不仅可作为天然色素，还可以提高视力，预防眼部疾病，抵抗衰老等。光合细菌由于光合作用的需要富含大量类胡萝卜素，种类丰富而且容易获取，是优质类胡萝卜素来源。李福枝等系统地研究了菌体收集、预处理、萃取，皂化、回收溶剂等得到类胡萝卜素的最佳提取工艺，并且可以与细胞叶绿素分离[15]。

2.4 光合细菌在动物饲养领域的研究 随着科技的发展，养殖业不断壮大，养殖密度和养殖产量也不断加大，饲料和动物粪便增多，导致养殖环境恶化，诱发疾病，同时也加大了养殖废水的污染程度。光合细菌由于其独特的生理特性，可以有效解决上述问题，受到了广泛关注。光合细菌在养殖中的运用主要有：（1）净化养殖环境。王艳锦发现光合细菌可以分解畜禽粪便，并且产生氢气，既环保又经济，应用前景非常乐观[16]。付保荣将光合细菌加入饲养鲤鱼的池塘中，发现它能明显地减小池里的游离态的氨及有机物浓度，同时提高溶解氧的浓度，稳定pH值[17]。（2）预防疾病。光合细菌可以抑制水中病原菌的生长，产生促免疫物质，有效预防疾病的爆发。杨绍斌发现将培养光合细菌的营养液加入鱼缸中能有效提高观赏鱼类水霉病和烂尾病的治愈率[18]，刘慧玲在罗非鱼养殖水体中加入光合细菌后，水中氨氮和亚硝氮含量显著下降，罗非鱼的抗病力也增强，表现为鱼体内各种酶的活性及抗菌能力均比对照组要高，其鱼苗存活率明显增加6.67%[19]。（3）作为饲料的添加剂。权小芳研究发现光合细菌有利于提高被养殖动物的体重和产量，对动物的各种疾病（特别是胃肠道疾病）也有很好的预防效果[20]。刘磊等发现将光合细菌添加剂放入猪饲料中，能增强其肠道内的定植能力，从而提高了养殖效率[21]。

3 展望

综上所述，光合细菌在废水处理、生物制氢、生产单细胞蛋白、动物饲料的各领域已经得到了广泛的关注和利用。但仍有一些不足之处，如：菌液易随废水流失，不适合处理大分子废水，生物产氢还没有得到大规模运用等。由于光合细菌具有独特的生理生化特性，虽然光合细菌的研究还存在一些不足，但仍将是环保、能源、养殖业等领域的研究重点，并随着科技的进步而不断发展。

参考文献

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