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汞对雪衣藻光合系统Ⅱ及能量分配的影响

生态毒理学报 2023年第3期18卷 388-397页

作者：夏亦雪许萍萍阮港涂晓杰毕永红中国科学院水生生物研究所淡水生态与生物技术国家重点试验室武汉430072 中国科学院大学北京100049 大连海洋大学水产与生命学院大连116023

为探究汞离子对藻细胞的毒性效应,选择雪衣藻(Chlamydomonas nivalis)作为受试生物,测定了不同浓度汞离子处理96 h,雪衣藻的生长、光合色素、叶绿素荧光活性和光合放氧速率等指标。结果显示,随着汞离子浓度升高,雪衣藻单位细胞叶绿素a... 详细信息

为探究汞离子对藻细胞的毒性效应,选择雪衣藻(Chlamydomonas nivalis)作为受试生物,测定了不同浓度汞离子处理96 h,雪衣藻的生长、光合色素、叶绿素荧光活性和光合放氧速率等指标。结果显示,随着汞离子浓度升高,雪衣藻单位细胞叶绿素a和叶绿素b含量均显著减少,光系统Ⅱ(PSⅡ)光合活性显著降低,PSⅡ受体侧的电子传递能力相对下降,造成电子积累,导致能量分配失衡,最终抑制了细胞生长;同时,雪衣藻改变其光合能量分配策略来增加细胞对汞胁迫的耐受能力,既满足自身生长和代谢所需能量,又保护和缓解汞对其光合系统的损伤、确保细胞的存活。研究结果确认,叶绿素a、叶绿素b和PSⅡ的电子传递链均是汞离子的作用靶标。本研究有助于深入认识汞对藻细胞的作用机制,为评估汞的生态毒性提供依据。

关键词：汞雪衣藻光合系统Ⅱ 毒性效应

美国《Science》杂志评出2011年十大科学突破——介绍光合系统Ⅱ的结构研究成果

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中国细胞生物学学报 2012年第3期34卷 295-297页

作者：郭礼和机构不详

上一期＂热点评析＂栏目（中国细胞生物学学报2012;34（2）：195-6）中介绍了＂阻断艾滋病传播的突破性研究成果＂,本期着重介绍2011年在光合作用研究领域对光合系统II（photosystem Ⅱ,PSII）研究的重大进展。这一研究成果通过下面对... 详细信息

上一期＂热点评析＂栏目（中国细胞生物学学报2012;34（2）：195-6）中介绍了＂阻断艾滋病传播的突破性研究成果＂,本期着重介绍2011年在光合作用研究领域对光合系统II（photosystem Ⅱ,PSII）研究的重大进展。这一研究成果通过下面对光合作用中需要光的反应（简称＂光反应＂）机制介绍可以得到深入了解。

关键词：《Science》光合系统Ⅱ 研究成果大科学结构杂志美国光合作用

纳米银胁迫下小球藻磷吸收代谢中光系统Ⅱ的光合响应

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纳米银胁迫下小球藻磷吸收代谢中光系统Ⅱ的光合响应

作者：陈密湘潭大学

学位级别：硕士

纳米材料的环境行为与生物效应成为近年来环境化学领域关注的热点问题之一,其中纳米银(Ag NPs)是一种应用品种最广泛的纳米材料。藻类因其生长繁殖速率快、易于培养及其光系统II(PSII)对外界环境胁迫极为敏感,常被作为评价污染物环境生... 详细信息

纳米材料的环境行为与生物效应成为近年来环境化学领域关注的热点问题之一,其中纳米银(Ag NPs)是一种应用品种最广泛的纳米材料。藻类因其生长繁殖速率快、易于培养及其光系统II(PSII)对外界环境胁迫极为敏感,常被作为评价污染物环境生物效应的模式生物。研究Ag NPs胁迫下藻细胞磷吸收代谢中的关键机构叶绿体PSII体系的光合响应,有利于深入了解Ag NPs对水生生物的影响及其潜在的生态风险。本论文以水环境中常见的单细胞绿藻小球藻(Chlorella vulgaris)作为受试藻种,观察Ag NPs胁迫下小球藻的细胞及光合机构超微结构的变化;测定不同磷浓度下小球藻光合响应参数叶绿素自发荧光、PSII光合放氧活性等,评价了磷吸收中Ag NPs对小球藻光合参数的影响;在此基础上,采用代谢组学考察了Ag NPs胁迫下小球藻与光合响应相关的磷代谢组学变化。本论文得到的研究结论如下:(1)透射电镜(TEM)和原子力显微镜(AFM)的观测结果表明,Ag NPs胁迫下,小球藻细胞尺寸减小,细胞壁发生褶皱并向内凹陷。与对照组相比,随着Ag NPs浓度的升高,叶绿体基粒堆叠松弛并出现“脱堆”的现象,PSII颗粒数量减少,直径减小且排列发生紊乱。藻细胞发生了明显的质壁分离现象。Ag NPs对小球藻的PSII颗粒在类囊体上的堆叠数量及排布整齐程度产生不利影响,对藻细胞及其叶绿体超微结构造成了损伤。(2)随着Ag NPs(0～0.20 mg/L)浓度增加,在实验周期内(7天)小球藻的生长受到明显抑制作用,高磷培养基下该抑制作用得到缓解。无磷条件下小球藻几乎不生长,磷是小球藻生长的重要营养元素。与OECD培养基正常磷(0.36mg/L)相比,高磷培养基(2 mg/L)中叶绿素a的含量在第7天受Ag NPs(0.20mg/L)的抑制率减少了19%,高磷促进了藻细胞对光能的吸收;0.20 mg/L Ag NPs处理后,叶绿素自发荧光强度在第7天时较对照组(0 mg/L Ag NPs)分别减弱了60%(高磷)和73%(正常磷),高磷促进了叶绿素的生成;酸性磷酸酶的活性相比对照组均下降了69%左右,Ag NPs抑制了酸性磷酸酶的活性,进而干扰藻细胞相关的生理代谢功能;氢-ATP酶活性的抑制率(高磷)为55%,相比(正常磷)降低了11%,Ag NPs胁迫时小球藻在高磷条件选择性吸收营养物质的能力更强;高磷培养基中小球藻三磷酸腺苷ATP的含量显著高于正常磷组,Ag NPs在高磷培养基中对能荷AEC抑制率为30%,比正常磷条件下低17%,表明磷是细胞能量代谢的重要营养物质,高磷缓解了Ag NPs对小球藻新陈代谢的影响。(3)在Ag NPs胁迫下,小球藻细胞内共鉴定出33种发生显著性变化的代谢物,其中相对含量较高的代谢物有葡萄糖、果糖、肌醇、甘氨酸等,与对照组相比相对含量较高的代谢物有葡萄糖、蔗糖、甘氨酸等;叶绿醇的含量有所下降,肌醇的含量相比对照组降低75%。Ag NPs对小球藻的代谢通路产生了显著的扰动,磷酸肌醇代谢、卟啉与叶绿素代谢以及甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢等代谢途径下调。Ag NPs通过破坏藻细胞中叶绿素的合成、PSII的光合响应和类囊体膜的形态及参数,进而影响藻细胞对磷的吸收和代谢,最终导致藻细胞生长受到抑制。

关键词：纳米颗粒光合系统Ⅱ 光合响应磷代谢藻类

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基于光合系统Ⅱ的生物传感器及其应用

生命的化学 2003年第2期23卷 110-113页

作者：王海英蔡妙颜郭祀远华南理工大学轻化工研究所广州510640

光合系统Ⅱ (PSⅡ )是叶绿体中色素蛋白的超分子复合物 ,其活性容易受到除草剂、农药、重金属等光合抑制剂的影响 ,作为生物元件来构建生物传感器有其独特的优势。与不同的传导器结合构建的生物传感器可用于多种物质的检测。

关键词：光合系统Ⅱ 生物传感器环境监测

CuO纳米颗粒对小麦幼苗快速叶绿素荧光诱导动力学特征及相关基因的影响

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应用生态学报 2024年

作者：郭葳王楠张凯悦宋沛沛马占强河南科技大学农学院/牡丹学院

土壤中金属纳米颗粒可引发蓄积效应进而威胁农作物的生态安全，探讨氧化亚铜纳米颗粒(Cu2O-NPs)对小麦幼苗叶片光系统II(PSII)的影响，对了解Cu2O-NPs对农作物光合作用的影响具有重要意义。本研究以“周麦18”小麦为供试植物，采用水培... 详细信息

土壤中金属纳米颗粒可引发蓄积效应进而威胁农作物的生态安全，探讨氧化亚铜纳米颗粒(Cu2O-NPs)对小麦幼苗叶片光系统II(PSII)的影响，对了解Cu2O-NPs对农作物光合作用的影响具有重要意义。本研究以“周麦18”小麦为供试植物，采用水培法，研究了0、10、50、100和200 mg·L-1Cu2O-NPs对小麦幼苗叶绿素荧光诱导动力学特性及相关基因的影响。结果表明：随着Cu2O-NPs浓度的增加，小麦叶片叶绿素含量降低，OJIP曲线的标准化出现明显的K相(ΔK＞0)，PSII反应中心活性参数[单位反应中心吸收的光能(ABS/RC)、单位反应中心捕获的光能(TRo/RC)、单位反应中心捕获的用于电子传递的能量(ETo/RC)和单位反应中心以热能形式耗散的能量(DIo/RC)]的值升高，PSII能量分配比率参数[PSII最大光化学效率(φPo)、用于电子传递的量子产额(φEo)和捕获的激子将电子传递到QA以后的其他电子受体的概率(ψo)]呈下降趋势，而用于热耗散的量子比率(φDo)升高。小麦幼苗叶片光合量子产率Y(II)、光化学猝灭系数(qP)、净光合速率(Pn)、气孔导度(gs)、胞间CO2浓度(Ci)和蒸腾速率(Tr)随Cu2O-NPs处理浓度的增加而降低。Cu2O-NPs胁迫下，小麦幼苗叶片PSII基因(PsbD、PsbP、Lhcb1)、Rubisco大亚基基因(RbcL)、细胞色素b6/f复合体基因(PetD、Rieske)和ATP合成酶类基因(AtpA、AtpB、AtpE、AtpI)均显著下调。综上，施加Cu2O-NPs改变了小麦幼苗PSII的活性及结构，PSII反应中心活性、PSII供体侧和受体侧性能参数等均受到影响，PSII相关基因下调，并表现出明显的浓度效应。

关键词：小麦氧化亚铜纳米颗粒叶绿素荧光光合系统Ⅱ

海水酸化和铁离子对中肋骨条藻光化学活性的影响

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大连海洋大学学报 2022年第2期37卷 244-250页

作者：张达娟毕相东张树林戴伟王雪莹天津农学院水产学院天津市水产生态及养殖重点实验室天津300384

为探讨海水酸化和铁离子对中肋骨条藻Skeletonema costatum光化学活性的影响,在模拟海水酸化(CO_(2)含量0.08%)基础上通过向培养基中添加不同质量浓度的Fe(Ⅲ)(1.5、2.0、3.0、4.0μg/L)来培养中肋骨条藻,并测定其光合系统Ⅱ(PSⅡ)的叶... 详细信息

为探讨海水酸化和铁离子对中肋骨条藻Skeletonema costatum光化学活性的影响,在模拟海水酸化(CO_(2)含量0.08%)基础上通过向培养基中添加不同质量浓度的Fe(Ⅲ)(1.5、2.0、3.0、4.0μg/L)来培养中肋骨条藻,并测定其光合系统Ⅱ(PSⅡ)的叶绿素荧光参数。结果表明:当CO_(2)含量为0.038%、Fe(Ⅲ)质量浓度为1.5、2.0μg/L时,或者CO_(2)含量为0.08%、Fe(Ⅲ)质量浓度为3.0、4.0μg/L时,均可显著促进中肋骨条藻细胞生长(P0.05)。研究表明,海水酸化对中肋骨条藻生长的促进作用不明显,当CO_(2)含量升高至0.08%时,该藻需要较高Fe(Ⅲ)浓度才能保持与当前CO_(2)(0.038%)下相当的生长水平。

关键词：中肋骨条藻海水酸化铁离子光合系统Ⅱ 叶绿素荧光

纳米银对水生植物紫萍光合作用毒性效应及作用机制

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纳米银对水生植物紫萍光合作用毒性效应及作用机制

作者：王婉婉长江大学

学位级别：硕士

纳米银(Silver nanoparticles,AgNPs)是目前市场上应用范围最广和商品化程度最高的纳米材料之一,它对生物体和环境的潜在风险引起了人们的关注。研究表明,AgNPs对多种水生植物具有毒性效应,比如:AgNPs可以引起水生植物紫萍(Spirodela po... 详细信息

纳米银(Silver nanoparticles,AgNPs)是目前市场上应用范围最广和商品化程度最高的纳米材料之一,它对生物体和环境的潜在风险引起了人们的关注。研究表明,AgNPs对多种水生植物具有毒性效应,比如:AgNPs可以引起水生植物紫萍(Spirodela polyrhiza)氧化胁迫,其组织内积累大量活性氧(Reactive oxygen species,ROS),且ROS主要积累在光合作用(Photosynthesis)细胞器叶绿体中。紫萍体内积累的ROS可能与其光合作用过程受到AgNPs的毒害有关。因此,本研究在已有的关于AgNPs对紫萍毒理学的研究基础上,从AgNPs对光合作用过程(包括光反应和暗反应)和光合作用场所(主要指叶绿体)两方面的影响继续深入探讨AgNPs对紫萍光合作用的毒性机制。主要研究内容如下:利用透射电子显微镜(Transmission Electron Microscop,TEM)结合X射线能谱仪(Energy Dispersive Spectroscopy,EDS)观测AgNPs胁迫下紫萍细胞中AgNPs的内化情况和叶绿体超微结构的变化;利用叶绿素荧光技术测定紫萍暗适应下PSⅡ的最大光化学转化效率(Maximal photochemical efficiency of photosystem Ⅱ,Fv/Fm)、最大相对电子传递速率(Maximum relative electron transfer rate,r ETR)、实际光能转化效率(Actual quantum yield,Y(Ⅱ))和叶绿素瞬态荧光曲线等指标评估AgNPs对光合作用过程中光反应的毒性效应;利用酶学方法测定卡尔文循环从CO2固定到合成三碳糖过程中所需的三种光合关键酶的活性,包括1,5-二磷酸核酮糖羧化/加氧酶(Rubisco)、3-磷酸甘油酸激酶(PGK)和NADP依赖型的3-磷酸甘油醛脱氢酶(NADP-GAPDH),评估AgNPs对光合作用过程中暗反应的毒性效应。本研究结论如下:(1)随着处理浓度增加,AgNPs对水生植物紫萍净光合速率的抑制逐渐增强,这种抑制效应主要是由AgNPs颗粒本身造成的,与AgNPs释放的银离子和包被剂PVP40的关系甚微;(2)AgNPs严重破坏了紫萍叶绿体结构的完整性:AgNPs胁迫造成紫萍叶绿体膨胀,叶绿体被膜破裂,引起类囊体断裂、排列松散甚至消失,增加叶绿体内部淀粉粒及脂质小球的数量和体积。(3)AgNPs对水生植物紫萍光合作用的光反应与暗反应过程均有毒性效应:AgNPs通过降低光合色素含量和减少活性中心的数量(RC/CS)造成光系统Ⅱ(PSⅡ)吸收的光能减少;AgNPs通过降低光合链上PQ库接受电子能力,导致光合系统Ⅱ(PSⅡ)反应中心受体侧QA向QB电子传递能力受阻,造成QA大量积累;AgNPs通过抑制光合关键酶Rubisco和NADP-GAPDH的活性,降低紫萍光合作用暗反应的运行效率。(4)通过对比光合作用过程中光反应和暗反应相关指标的EC50和EC20值,发现AgNPs对光合关键酶活性的抑制可能是AgNPs降低紫萍光合作用的关键步骤。

关键词：纳米银光合作用光合系统Ⅱ 叶绿体结构光合关键酶

Cu_(2)O纳米颗粒对小麦幼苗快速叶绿素荧光诱导动力学特征及相关基因的影响

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应用生态学报 2024年第3期35卷 721-730页

作者：郭葳王楠张凯悦宋沛沛马占强河南科技大学农学院/牡丹学院河南洛阳471000

土壤中金属纳米颗粒可引发蓄积效应进而威胁农作物的生态安全。探讨氧化亚铜纳米颗粒(Cu2O-NPs)对小麦幼苗叶片光系统Ⅱ(PSⅡ)的影响,对了解Cu2O-NPs对农作物光合作用的影响具有重要意义。本研究以“周麦18”小麦为供试植物,采用水培法... 详细信息

土壤中金属纳米颗粒可引发蓄积效应进而威胁农作物的生态安全。探讨氧化亚铜纳米颗粒(Cu2O-NPs)对小麦幼苗叶片光系统Ⅱ(PSⅡ)的影响,对了解Cu2O-NPs对农作物光合作用的影响具有重要意义。本研究以“周麦18”小麦为供试植物,采用水培法,研究了0、10、50、100和200 mg·L^(-1) Cu_(2)O-NPs对小麦幼苗叶绿素荧光诱导动力学特性及相关基因的影响。结果表明:随着Cu2O-NPs浓度的增加,小麦叶片叶绿素含量降低,OJIP曲线的标准化出现明显的K相(ΔK>0),PSⅡ反应中心活性参数[单位反应中心吸收的光能(ABS/RC)、单位反应中心捕获的光能(TRo/RC)、单位反应中心捕获的用于电子传递的能量(ETo/RC)和单位反应中心以热能形式耗散的能量(DIo/RC)]的值升高,PSⅡ能量分配比率参数[PSⅡ最大光化学效率(φ_(Po))、用于电子传递的量子产额(φEo)和捕获的激子将电子传递到QA以后的其他电子受体的概率(ψo)]呈下降趋势,而用于热耗散的量子比率(φDo)升高。小麦幼苗叶片光合量子产率Y(Ⅱ)、光化学猝灭系数(qP)、净光合速率(Pn)、气孔导度(gs)、胞间CO_(2)浓度(Ci)和蒸腾速率(Tr)随Cu_(2)O-NPs处理浓度的增加而降低。Cu_(2)O-NPs胁迫下,小麦幼苗叶片PSⅡ基因(PsbD、PsbP、Lhcb1)、Rubisco大亚基基因(RbcL)、细胞色素b6/f复合体基因(PetD、Rieske)和ATP合成酶类基因(AtpA、AtpB、AtpE、AtpI)均显著下调。综上,施加Cu2O-NPs改变了小麦幼苗PSⅡ的活性及结构,PSⅡ反应中心活性、PSⅡ供体侧和受体侧性能参数等均受到影响,PSⅡ相关基因下调,并表现出明显的浓度效应。

关键词：小麦氧化亚铜纳米颗粒叶绿素荧光光合系统Ⅱ

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庆大霉素对斜生栅藻生长与光合活性的影响

环境科学与技术 2021年第8期44卷 146-153页

作者：许萍萍涂晓杰成凤凤毕永红中国科学院水生生物研究所淡水生态与生物技术国家重点试验室湖北武汉430072 中国科学院大学北京100049

抗生素滥用已成为广受关注的环境问题,为考察抗生素对藻类的毒性效应,作者采用叶绿素荧光技术,检测不同浓度庆大霉素处理下培养72 h斜生栅藻的生长及光合活性。结果表明:随着庆大霉素浓度增加,单位细胞的叶绿素a含量减少,光合系统Ⅱ(PS... 详细信息

抗生素滥用已成为广受关注的环境问题,为考察抗生素对藻类的毒性效应,作者采用叶绿素荧光技术,检测不同浓度庆大霉素处理下培养72 h斜生栅藻的生长及光合活性。结果表明:随着庆大霉素浓度增加,单位细胞的叶绿素a含量减少,光合系统Ⅱ(PSⅡ)活性显著降低,PSⅡ中QA、QB和质体醌之间的电子传递受到阻遏,光合能量分配失衡,这导致藻细胞生长被抑制。另一方面,斜生栅藻通过改变光合能量分配策略来保障逆境下生长代谢所需光能的正常供应,从而缓解庆大霉素胁迫,增强自身耐受能力,确保细胞的存活。由此可见,水环境中日益增加的抗生素含量将显著改变藻类的生长增殖特性,并可能引发其他连锁反应,值得引起重视和关注。

关键词：斜生栅藻庆大霉素光合系统Ⅱ 毒性效应