不同光照条件下，MgSO?和CaCl?补充对普通小球藻的生理适应性差异及脂质重构的影响

《Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology》：Differential physiological acclimation and lipid remodeling induced by MgSO? and CaCl? supplementation in Chlorella vulgaris under contrasting light regimes

　　

摘要

光照强度和矿物质营养是决定微藻光合作用性能及代谢调节的关键因素。然而，不同光照条件与较高浓度二价阳离子共同作用的影响目前仍不十分清楚。本研究探讨了四种光照条件以及添加Mg²⁺（以MgSO?形式）或Ca²⁺（以CaCl?形式）对普通小球藻的生长、光合色素、ζ电位、脂质积累及脂肪酸组成的影响。

两种阳离子处理都能促进培养物生长，但会引发不同的生理反应。Mg²⁺能促使光合色素适应环境变化，增加脂质含量，并以光照依赖的方式提升单不饱和脂肪酸和多不饱和脂肪酸的比例；而Ca²⁺则有利于生物量积累，同时降低色素含量，减小叶绿素a/b比例，并增加饱和脂肪酸的含量。ζ电位的变化进一步表明Mg²⁺和Ca²⁺对细胞表面特性及悬浮稳定性有着不同的影响。

总体而言，Mg²⁺主要促进光合适应和脂质的不饱和化，而Ca²⁺则有利于生物量积累，同时还会改变色素组成和膜脂的饱和度。这些发现有助于我们理解矿物质营养和光照如何共同调控微藻的生理适应机制，也为优化用于生产生物量及脂质的培养策略提供了依据。

引言

微藻是具有高度适应能力的光合生物，其生长和代谢受到环境和营养因素的严格调控。它们出色的生理可塑性使得能够通过协调调整光合活性、膜成分以及碳分配途径，快速适应不断变化的环境条件。在绿色微藻中，普通小球藻因其强劲的生长能力、多样的代谢功能以及能够积累色素、脂质和蛋白质等有价值代谢物的能力，而被广泛用作模式物种[1]、[2]、[3]、[4]。除了能产生有价值的代谢物外，小球藻属物种还被广泛用于废水处理和金属去除，因此优化其培养条件对于实现生物量生产和生物技术应用都具有重要意义。

光照是调控微藻生理机能的主要环境因素之一。光照强度和光谱组成都会影响光合效率、光系统间的能量平衡、色素合成以及碳代谢过程[5]、[6]、[7]、[8]。尤其是红色和蓝色光波段，由于光合色素的光谱特性以及光响应代谢途径的调控作用，会对叶绿素a和类胡萝卜素的积累产生不同影响[5]、[9]、[10]。因此，光照条件的变化可能会引发生理适应，表现为光合色素组成和细胞代谢的相应调整。

除光照外，矿物质营养也在调控光合性能和代谢活动方面起着关键作用。镁（Mg²⁺）是叶绿素分子的核心原子，同时也是许多参与光合作用和碳同化反应的酶的重要辅因子[11]、[12]。充足的Mg²⁺供应有助于叶绿素合成，稳定色素-蛋白质复合物，提升光合效率；而缺乏镁则会导致叶片发黄、碳固定功能受损以及生长减缓[12]、[13]、[14]。

相比之下，钙（Ca²⁺）不仅是一种结构组分，还是一种普遍存在的细胞内信号分子。细胞质中Ca²⁺浓度的变化能够调控细胞对各种环境刺激的反应，包括光照变化、渗透压胁迫以及营养物质供应情况[15]、[16]。在光合生物中，钙有助于稳定光系统II的产氧复合体，调控电子传递过程，维持细胞内的稳态[17]、[18]。尽管Mg²⁺和Ca²⁺都属于二价阳离子，但由于它们具有不同的生化性质、水合特征以及与蛋白质和生物膜的相互作用方式，其生理作用存在显著差异[19]、[20]。

光合性能与脂质代谢密切相关。光合活性的变化常常会引发膜成分的改变、脂肪酸的不饱和化，以及结构脂和储存脂之间碳原子的重新分配。在微藻中，环境和营养因素会调控脂质积累，并影响脂肪酸的组成，比如饱和脂肪酸、单不饱和脂肪酸和多不饱和脂肪酸的比例[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]。镁和钙可能通过不同的机制影响这些过程，包括调节酶活性、膜结构、离子平衡以及应激反应途径。因此，阳离子供应量的变化可能会引发涉及光合适应和脂质重构的协同反应。

已有研究表明，添加Mg²⁺有助于小球藻的叶绿素合成、生物量生产以及脂质积累，而Ca²⁺则主要调控细胞信号传导、膜稳定性以及应对胁迫的能力[12]、[13]、[14]、[15]、[16]。同样，也有大量研究指出光照质量会对色素合成和脂肪酸组成产生显著影响[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[24]、[27]。然而，这些因素几乎总是被单独研究，因此很难在相同的培养条件下区分它们共同的生理效应。

虽然关于光照质量、矿物质营养以及二价阳离子对普通小球藻的单个影响已有大量研究[21]、[24]、[28]，但它们共同调控光合适应和脂质代谢的机制却知之甚少。以往的研究大多分别考察生物量生产、色素积累或脂质含量[12]、[13]、[14]、[21]、[24]，而在不同的自然光和人工光条件下，同时评估生长情况、色素组成、培养基化学性质、ζ电位、脂质积累及脂肪酸组成的综合分析仍然很少。采用这种综合研究方法非常重要，因为光照和矿物质营养所引发的生理反应彼此紧密关联，如果分开研究就很难识别出那些协同的适应机制。此外，MgSO?和CaCl?添加所带来的不同效应也尚未被充分了解，尤其是因为伴随出现的硫酸根和氯离子也可能影响培养基的物理化学性质。

另一个研究不足的方面是微藻细胞的电动行为。ζ电位作为细胞表面电荷的指标，能够反映胶体稳定性、细胞与离子的相互作用、聚集行为以及收获效率，但目前很少在矿物质营养和光照条件共同变化的情况下，结合生理和生化反应来研究ζ电位的变化。

为弥补这些知识空白，我们在一个统一的实验框架中整合了生理学、生物化学和电动学分析方法。在添加MgSO?和CaCl?后，我们在不同的自然光和人工光条件下，同时检测了普通小球藻的生长情况、色素组成、培养基的物理化学性质、ζ电位、脂质积累、脂肪酸组成以及多种生理反应。这种综合研究方法为理解光合适应、与膜相关的代谢过程以及细胞表面特性的协同调控提供了更为全面的视角。

我们推测，由于Mg²⁺和Ca²⁺在细胞内承担着截然不同的结构和信号传导功能，同时添加MgSO?和CaCl?会引发不同的生理反应，当然，其中的硫酸根和氯离子也可能影响培养基的物理化学环境。我们还推测，这些反应会受到光照条件的调控。因此，本研究旨在探究不同光照条件以及MgSO?和CaCl?添加对普通小球藻的生长、光合色素、电动特性、脂质代谢以及整体生理适应的联合影响。

章节节选

微藻培养及培养条件

本研究使用的普通小球藻培养物来自乌克兰伊戈尔·西科尔斯基基辅理工学院生物能源、生物信息学与生态生物技术系的菌种库。该培养物并非纯培养物，但在整个实验过程中并未观察到明显的污染现象。所有分析均针对微藻生物量进行。实验开始前，所有样本都在相同的培养条件下培养，以确保它们具有相似的生理状态

对生长动态的影响

生长动态是通过每周测定的光学密度和细胞数量来评估的。这两个参数都呈现出一致的规律：在指数生长期增长迅速，之后在8至10周时根据光照条件以及是否添加MgSO?或CaCl?的不同而趋于稳定。

平均细胞大小和细胞聚集程度没有明显变化，这说明光学密度的变化主要反映了细胞种群密度的变化。因此，研究中采用了细胞数量作为

讨论

本研究表明，在BG-11培养基中添加MgSO?和CaCl?会引发普通小球藻不同的生理反应，而且这些反应的强度和方向很大程度上取决于光照条件。总体而言，添加MgSO?有利于色素积累和脂质代谢，而添加CaCl?则主要影响生物量生产、色素组成以及与膜相关的特性。因为Mg²⁺和

结论

本研究发现，在普通小球藻的静止期和后期静止生长期向培养基中添加MgSO?和CaCl?会引发不同的生理反应，而这些反应又会受到光照条件的强烈影响。光学密度、细胞数量和干生物量之间的高度一致性表明，观察到的反应主要是细胞代谢和生长动态的变化，而非重大的形态生理紊乱。

MgSO?

关于手稿准备过程中生成式AI和AI辅助技术的声明

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CRediT作者贡献说明

斯维特兰娜·科瓦洛娃：写作——审稿与编辑，写作——初稿撰写，可视化，概念构建。娜塔莉娅·戈卢布：验证，指导，资源提供，项目管理，方法设计，概念构建。伊戈尔·列夫顿：验证，资源提供，方法设计，概念构建。迪娜·科尔季舍娃：验证，资源提供，方法设计。

利益冲突声明

无。

斯维特兰娜·科瓦洛娃|娜塔莉娅·戈卢布|伊戈尔·列夫顿|迪娜·科尔季舍娃

乌克兰国立技术大学“伊戈尔·西科尔斯基基辅理工学院”生物能源、生物信息学与生态生物技术系，乌克兰基辅市03056