异形胞与蓝藻的固氮

一些丝状蓝藻具有异形胞,它们是由丝状体中的营养细胞转化而来的,异形胞能够直接固定大气中的Ｎ２（分子态）,形成可为植物利用的氮素化合物,具异形胞的丝状蓝藻在保持自然界中的氮素循环,增加土壤肥力,提高农作物产量等方面均有重要意义。     

东湖项圈藻异形胞的分离

异形胞(heterocysts)是丝状固氮蓝藻的一种分化细胞。由于其形态明显区别于其他细胞而引起注意。1966年,Fay和Walsby首次通过French压力室分离了有生活力的蓝藻异形胞。其原理在于利用异形胞和其他营养细胞在细胞壁结构上的差异,使用760apm高压处理引起营养细胞破裂而保留了异形胞。根据同样选择性地破坏营养细胞的原理,随后又产生了     

鱼腥藻PCC7120基因组中一个影响异形胞发育和图式形成的新区域

以Tn5 10 87b诱变鱼腥藻PCC712 0 ,筛选不能利用氮气生长、异形胞图式发生变化的突变株。突变株 # 180 1经缺氮诱导 2 4h后无异形胞形成 ,48h后沿藻丝形成少量成熟异形胞 ,占藻细胞总数比例为 2 .8% ,其异形胞发育速度和形成频率均与野生型有显著区别。以ClaⅠ酶切该突变株总DNA、自环化后以电泳冲法转化大肠杆菌 ,回收带有插入位点两侧DNA片段的转座子Tn5 10 87b。经测序确定转座子位于未知功能基因alr0 0 99第 14 8和 14 9碱基之间。为证明突变性状确由alr0 0 99内的插入突变引起而不是由于其他二次突变 ,通过同源双交换将含新霉素抗性基因的C .K2片段定向插入基因组中alr0 0 99的EcoRV位点 ,获得重构的鱼腥藻突变株DR2 14 ,其表型与原突变株 # 180 1相同。以上结果表明alr0 0 99或其下游基因是鱼腥藻PCC712 0基因组中与异形胞发育和图式形成相关的一个新区域。     

多变鱼腥藻可逆氢酶的诱导及其特性

在NH4^ 或在无氮培养条件下,对多变鱼腥藻的营养细胞照光并通过N3气24小时,均可诱导出可逆氢酶,照光和厌氧是在多变鱼腥藻营养胞中诱导出可逆氢酶的必要条件。－－在NH4^ 或无氮两种培养条件下所诱导出的可逆氢酶的性质基本相同。（1）当提供还原甲基紫精做它的电子供体时,它们能够放氢;当提供苄基紫精做它的电子受体时,它们都可以吸氢。（2）它们都是热稳定的,并对O2都是不敏感的。（3）它们的放氢活性的最适pH相同,为pH7－7．5。（4）在NH4^ 和无氮培养条件下,所诱导的可逆氢酶的Km值（对于放氢）分别为300umol/l和295umol/l,大致相同,如此高的Km值表示它们在细胞中的代谢功能可能是放氢。（5）CO抑制它们的放氢活性,而C2H2对它们的放氢活性没有影响,在NH4^ 培养条件下,从从变鱼腥藻营养细胞所诱导出的可逆氢酶的放氢活性可达1530nmol H2/mg. 干重．小时。它比在无氮培养条件下所诱导的可逆氢酶的放氢活性高3－5倍,以上实验结果表明,多变鱼腥藻在无氮培养条件下,异形胞的出现影响营养细胞中可逆氢酶的合成和活性的调节。     

鱼腥藻7120异形胞分化的调节及细胞蛋白的变化

分离了有固氮活性的异形胞,它的可溶部分和膜部分的吸收光谱与营养细胞明显不同。SDS凝胶电泳图谱表明,营养细胞中存在的可溶蛋白,在异形胞中有一半左右被降解,最明显的是藻蓝蛋白。异形孢具有与营养细胞共同的肽带,但也合成了一些新的多肽。异形胞可溶蛋白有五条最主要的肽带,表观分子量约为73K,54K,48K,4lK和34K。膜蛋白中至少有2个多肽带(4lK,35K)在营养细胞膜蛋白中是缺少的。     

异形胞分化相关基因在点形念珠藻厚壁孢子中的转录表达

点形念珠藻(Nostoc punctiforme)ATCC29133是一种丝状固氮蓝藻,能分化产生异形胞、厚壁孢子、藻殖段等细胞类型。异形胞是一种提供微氧条件以进行固氮作用的特化细胞,厚壁孢子是在逆境下产生的能耐受干旱、冰冻等恶劣环境的细胞1。与异形胞相似,厚壁孢子的外被也具有多糖和糖脂成分2,3。厚壁孢子在某些蓝藻藻丝       

蓝藻Anabaena7120的固氮活力及其和光合作用的关系

蓝藻Anabaena 7120经用Ar+CO_2、空气和Ar处理后,固氮活性有明显不同。Ar+CO_2处理的活性比空气处理的高出数倍,而Ar处理的则比空气中的低很多。以上三种处理的Anabaena 7120固氮对不同生理条件反应不一样,固氮活性高者对CO和O_2的敏感程度小些、受到CO_2和N_2的抑制程度也轻。但是分子氢对三者固氮作用的支持效用相同,并且也是和氢酶活动有联系。弱光下固氮活力低的蓝藻固氮活性下降得更大些。光合抑制剂和结合态氮对固氮活力高的蓝藻固氮活性的抑制显著比固氮活力低者小。三者的放氢和放氧能力也不同,固氮活力高者放氧高而放氢量小些,低固氮活力的蓝藻正好相反。     

四唑（Tetrazolium）对固氮鱼腥藻固氮和氢代谢的影响

固氮鱼腥藻(Anabaena azotica Ley)细胞能还原无色的TTC和NBT分别成为红色或蓝色的甲zan(formazan)沉淀。异形胞还原TTC的速率高于营养细胞。前异形胞及异形胞附近的营养细胞对NBT的还原作用最强。而异形胞对NBT不起还原作用。无论在异形胞形成红色甲zan或在营养细胞形成蓝色甲zan后都抑制固氮酶活性。NBT甲zan对固氮酶活性的抑制作用大于TTC甲zan,因为NBT氧化还原电位低于TTC。TTC和NBT两者都明显地抑制固氮鱼腥藻完整细胞的放氢。因鱼腥藻的放氢是由固氮酶催化的结果。四唑抑制放氢推想是由于它截取了固氮酶催化系统中的电子的缘故。固氮微生物(包括蓝色细菌和根瘤菌)对四唑还原与吸氢酶之间有无相关是一个争论的问题。一些学者认为分离豆科植物体的一些根瘤菌株培养于含有TTC的琼脂培养基,如还原,便可证明这些根瘤菌株能氧化氢;换言之,应用TTC的还原可作为一些根瘤菌的菌落具有吸氢酶的验证。相反,我们发现固氮鱼腥藻还原TTC和NBT之后,都没有影响吸氢的能力。因此,我们推想固氮鱼腥藻对四唑之还原与吸氢酶是没有直接的关系。     

丝状固氮蓝藻柱胞鱼腥藻原生质球的培养再生

丝状固氮蓝藻柱胞鱼腥藻 (Anabaena cylindrica)在含 0 .1mol/ L KCl的 Allen液体培养基中培养7～ 9d,90 %以上细胞转化为原生质球或半原生质球 ,对低渗敏感或抗低渗。此种材料经 0 .1%溶菌酶 ,在 2 8℃下处理 3～ 4h,细胞低渗破裂率约 10 0 % ,成为质量较高的原生质球。用 0 .15mol/ L Ca Cl2 液体无机盐培养基培养 ,原生质球再生和分裂。不同原生质球再生不同步 ,最快培养 3 d分裂。再生分裂的主要方式为均等分裂 ,但有不规则分裂和出芽方式 ,再生率在 2 5%以上。     

多变鱼腥藻可逆氢酶的诱导及其特性

在NH4^+或在无氮培养条件下,对多变鱼腥藻的营养细胞照光并通过N3气24小时,均可诱导出可逆氢酶,照光和厌氧是在多变鱼腥藻营养胞中诱导出可逆氢酶的必要条件。－－在NH4^+或无氮两种培养条件下所诱导出的可逆氢酶的性质基本相同。（1）当提供还原甲基紫精做它的电子供体时,它们能够放氢;当提供苄基紫精做它的电子受体时,它们都可以吸氢。（2）它们都是热稳定的,并对O2都是不敏感的。（3）它们的放氢活性的最适pH相同,为pH7－7．5。（4）在NH4^+和无氮培养条件下,所诱导的可逆氢酶的Km值（对于放氢）分别为300umol/l和295umol/l,大致相同,如此高的Km值表示它们在细胞中的代谢功能可能是放氢。（5）CO抑制它们的放氢活性,而C2H2对它们的放氢活性没有影响,在NH4^+培养条件下,从从变鱼腥藻营养细胞所诱导出的可逆氢酶的放氢活性可达1530nmol H2/mg. 干重．小时。它比在无氮培养条件下所诱导的可逆氢酶的放氢活性高3－5倍,以上实验结果表明,多变鱼腥藻在无氮培养条件下,异形胞的出现影响营养细胞中可逆氢酶的合成和活性的调节。     

固氮鱼腥藻的蛋白水解酶及其部分性质的研究

应用溶菌酶处理,超声破碎细胞,通过差异离心和解离剂处理,将细胞的不同部分分开。以水解α-酪蛋白反应检测蛋白水解酶活性,结果表明,在细胞的可溶部分、内细胞质膜、外膜及胞浆周围区均存在蛋白水解酶活性。异形胞可溶部分的蛋白酶活比营养细胞可溶的蛋白酶活高4—5倍。在固氮条件下,营养细胞可溶性蛋白酶反应最适温度为50—55℃,65℃时,酶活迅速下降。有Ca^2 5mmol／l时,蛋白酶在60℃稳定,无Ca^2 存在下,酶液在60℃预处理10分钟,酶活性丧失80％以上。酶反应的最适pH为8—10。而且氮饥饿之后,培养基的pH值对细胞蛋白酶活水平有明显影响,氮饥饿24小时内,蛋白酶活迅速增加,但在碱性条件下,酶活水平比在中性条件下要高得多。邻菲哕啉对蛋白酶活性有严重的抑制,EDTA仅有轻微抑制,而PMSF对细胞蛋白酶活的抑制作用,与细胞氮饥饿时间有关。     

IRON STIMULATION OF PHOTOSYNTHESIS AND NITROGEN FIXATION IN ANABAENA 7120 AND TRICHODESMIUM (CYANOPHYCEAE)1

Iron availability may limit carbon and nitrogen fixation in the oceans. The freshwater cyanobacterium, Anabaena, was used as a laboratory model for the biochemical and physiological effects of iron. Increased iron nutrition, in the range of 10^?8 M to 10^?6 M resulted in increases of approximately four fold in carbon and nitrogen fixation rates. Chlorophyll concentration increased, and the relative amount of in vivo fluorescence was reduced with more iron. Natural samples of Trichodesmium, collected off Barbados and incubated with increased iron for two days, showed similar effects. Trichodesmium responded to iron additions indicating that it may be Fe limited in its natural environment. These responses to iron are consistent with the biochemical roles of iron in photosynthesis and nitrogen fixation. The results are discussed in the geochemical context of the sporadic total iron input to tropical oceans and possible implications to spatial and temporal patterns of productivity.     

蓝藻Anabaena 7120光漂白细胞固氮的研究

蓝藻Anabaena 7120经光漂白后固氮活性明显下降,转入正常光照下又恢复活性。此种经光漂白的蓝藻细胞,其固氮活性对氧敏感度小,受分子氢的促进大些,而忍受CO_2和N_2抑制的浓度相对高些。其固氮活性为弱光和光合抑制剂减弱,而加入外源的碳水化合物则能提高它的固氮活性。当碳水化合物和光合抑制剂一起加入反应系统时,蓝藻光漂白细胞的固氮活性并不能受到促进。     

THE EFFECT OF IRON NUTRITION ON PHOTOSYNTHESIS AND NITROGEN FIXATION IN CULTURES OF TRICHODESMIUM (CYANOPHYCEAE)1

Cultures of Trichodesmium NIBB 1067 were grown in the synthetic medium AQUIL with a range of iron added from none to 5 × 10^?7 M Fe for 15 days. Chlorophyll-a, cell counts, and total cell volume were two or three times higher in medium with 10^?7 M Fe than with no added Fe. Oxygen production rate per chlorophyll-a was over 60% higher with higher iron. Increased iron stimulated photosynthesis at all irradiances from about 12–250 μE · m^?2· s^?1. Nitrogen fixation rate, estimated from acetylene reduction, for 10^?7 and 10^?8 M Fe cultures was approximately twice that of the cultures with no added Fe. The range of rates of O₂ production and N₂ fixation in cultures at the iron concentrations we used were similar to the rates from natural samples of Trichodesmium from both the Atlantic, and the Pacific oceans. This similarity may allow this clone to be used, with some caution, for future physiological ecology studies. This study demonstrates the importance of iron to photosynthesis and nitrogen fixation and suggests that Trichodesmium plays a central role in the biogeochemical cycles of iron, carbon and nitrogen.     

多变鱼腥藻在不同氮源培养条件下光能转换效率的研究

依公式PE=KY,其中K等于生物量的热值(每克干重千卡),Y等于产率即每吸收千卡光能所产生的生物量的干重,测试了在无氮和有结合氮培养下的多变鱼腥藻(Anabaena variabilis)的光能转化效率。结果指出在无氮培养下的最高PE_(N2)为8.1%,在结合氮(NH_4Cl)培养下PE_(NH_4~ )为5.8%。对这种差异性作了简要讨论。     

与某些非豆科植物共生的弗兰克氏菌(Frankia sp.)的泡囊及其固氮作用

非豆科植物的共生固氮作用大多数是由弗兰克氏菌的侵染形成根瘤引起。其中泡囊是弗氏菌在根瘤内的固氮场所(Akkermans等1977,Tjepkema等1981)。我们采用光学及电子显微镜对泡囊进行了观察,并对根瘤不同部位的泡囊数量及其固氮活性与其它生理活性的关系进行了研究。     

新疆干旱区豆科植物结瘤的固氮特性

调查了新疆干旱区72种豆科植物的结瘤固氮活性,其中33种尚未见报道。这些植物所结根瘤在外形上多数不规则,以皮层厚和白色、棕色者居多,与非干旱区的根瘤形态显著不同。根瘤固氮活力相差较大,但比一般豆科植物根瘤活性高,最高者可达当地大豆根瘤的42倍。根瘤活性与宿主的抗逆境能力有关。此外,从11种豆科植物根瘤观察到10种具有吸氢活性。对干旱区豆科共生固氮生理生态的特性进行了讨论。     

COMPARATIVE STUDIES OF NITROGEN FIXATION AND PHOTOSYNTHESIS IN ANABAENA CYLINDRICA

Manometric methods were developed to allow short-time measurements on relatively small amounts of cell material. The methods provided measurement of the nitrogen uptake and oxygen evolution attributable to nitrogen fixation either in the presence or absence of carbon dioxide. The methods were applied to observe effects of cell history, light intensity, temperature, pH, and ammonia on nitrogen fixation and photosynthesis with 2 new and significant findings. Nitrogen fixation is markedly accelerated by a preceding period of cellular nitrogen depletion. Nitrogen fixation is depressed by light intensities greater than those required to saturate photosynthesis.