| 碳酸酐酶对微藻碳汇组成的影响 | |
| 李海涛 | |
| Thesis Advisor | 吴沿友 |
| 2013 | |
| Degree Grantor | 中国科学院研究生院 |
| Place of Conferral | 北京 |
| Degree Name | 博士 |
| Degree Discipline | 地球化学 |
| Keyword | 生物地球化学 稳定碳同位素 微藻 碳酸酐酶 基因表达 |
| Abstract | 全球气候变化是当前备受关注的热点研究领域，长期以来，众多学者普遍关注的焦点是不断升高的气温和持续增加的大气二氧化碳浓度。为应对全球变化，人类有两种应对策略：减少碳排放和增加碳汇。目前看来，生物固碳是一种比较理想的解决途径之一。 水生生态系统是全球最大的生态系统，它所带来的初级生产力占到了全球净初级生产力的50%，相应地，水生生态系统是全球最重要的碳源和碳汇之一。 不同于陆生生态系统，水体环境缺乏CO2，生物为适应环境，形成了一些适应水体环境的机制：一些微藻形成了无机碳浓缩机制（CCMs）来提高CO2浓度；一些微藻可以直接或间接利用环境中的碳酸氢根离子。这将有助于提高光合作用对二氧化碳的固定，进而提高初级生产力。在这些过程中，碳酸酐酶都起着非常关键的作用。 水体中存在CO2，HCO3?，H2CO3和CO32- 等四种形态的无机碳，但只有CO2和HCO3?这两种形态的无机碳可被微藻吸收利用。相应地，微藻形成了对应的无机碳利用方式。CO2可通过自由扩散直接进入细胞，为微藻的光合作用所利用。而HCO3- 进入细胞的过程较复杂，它一般可分为两种途径。第一种，HCO3- 在胞外碳酸酐酶（CAex）的作用下，首先在细胞膜外脱水形成CO2，然后再进入细胞膜内，被微藻光合作用所利用；第二种途径是依赖于载体交换蛋白等的阴离子通道跨膜运输进入细胞。 稳定碳同位素分析是一种区分不同无机碳来源的重要方法，不同的无机碳来源及其代谢途径之间存在着较大的碳同位素分馏。碳酸氢根离子的直接转运过程存在约10‰的碳同位素分馏，而由碳酸酐酶胞外酶催化的碳酸氢根离子的间接转运过程只存在约1.1‰的碳同位素分馏，两者之间存在约9‰的稳定碳同位素分馏差异。 一些学者研究了不同CO2浓度对微藻碳酸酐酶基因表达的影响，但目前还没有关于不同浓度HCO3-离子对微藻碳酸酐酶基因表达的研究。本研究利用现代分子生物学手段进一步从分子水平上来研究微藻碳酸酐酶对水体中不同浓度碳酸氢根离子及碳酸酐酶胞外酶抑制剂（AZ）的反馈机理。 本论文选取碳酸酐酶胞外酶活性较高的莱茵衣藻和碳酸酐酶胞外酶活性较低的蛋白核小球藻为实验材料，采用室内控制条件纯培养的实验方法，通过设置不同浓度的碳酸氢钠、AZ和阴离子通道特异性抑制剂（DIDS）等实验处理。利用双同位素示踪技术（分别添加不同δ13C的碳酸氢钠），通过比较处理后的微藻碳同位素组成的变化，成功定量计算出了微藻利用不同无机碳源的份额。并通过添加两种抑制剂（AZ和DIDS），计算出了微藻利用不同无机碳代谢途径份额。在获得微藻生长速率、利用不同无机碳源的份额和不同无机碳代谢途径份额等数据的基础，获得了微藻的直接碳汇能力和间接碳汇能力，并进一步弄清了碳酸酐酶对微藻碳汇的贡献。 本研究主要获得以下几点认识： 1、莱茵衣藻和蛋白核小球藻的四个碳酸酐酶基因（CAH1、CAH3、CAH5和CAG1）具有同源性，且在这两种微藻中具有相似的基因表达趋势。胞外碳酸酐酶（CAH1）和线粒体碳酸酐酶（CAH5）基因表达量都随添加碳酸氢钠浓度的增加而下降。叶绿体碳酸酐酶（CAH3）基因的表达量对不同浓度的碳酸氢钠不敏感。γ结构碳酸酐酶（CAG1）基因表达量随添加碳酸氢钠浓度的增加而略有上升，但整体来看，CAG1的表达量都很弱。添加AZ，造成CAH1基因表达上调。 2、不论莱茵衣藻还是蛋白核小球藻，它们利用添加的碳酸氢根占其利用总无机碳的份额（fB）都较小。一般情况下，随着添加碳酸氢钠和AZ浓度的增加, fB都呈增大趋势。然而，添加DIDS，会造成fB减小，尤其在高浓度DIDS（2.0 mmol/L）条件下，造成微藻无法利用添加的碳酸氢根离子（此时的fB=0）。本研究还发现：在模拟喀斯特自然水体（DIC浓度2.5 mmol/L）中的微藻所利用的碳源主要来自大气CO2，它占到了微藻利用总无机碳份额的92%。 3、微藻主要是由碳酸氢根离子途径来吸收利用环境中的无机碳，它们的碳酸氢根离子途径所占的份额（fb）都较大，，fb一般都在76%以上，但，添加过高浓度的碳酸氢钠（16.0 mmol/L），都会造成fb急剧减小。添加AZ或DIDS，也会造成fb下降，尤其是在高浓度DIDS（2.0 mmol/L）条件下，造成微藻无法利用碳酸氢根离子途径（此时的fb=0）。 4、在定量计算微藻利用不同的无机碳源和不同无机碳代谢途径份额的基础上，结合微藻生长速率等数据，本研究区分出了微藻的各种碳汇能力，并分别计算出了直接碳汇和间接碳汇能力。同时还发现：碳酸酐酶胞外酶主要是增加了微藻利用大气无机碳源的能力，而只是轻微增加了利用自然水体中固有的可溶性无机碳的能力。 碳酸酐酶基因同源性是我们利用已知的莱茵衣藻碳酸酐酶基因信息来研究未知的蛋白核小球藻的碳酸酐酶基因的工作基础，这将促进蛋白核小球藻基因表达研究的发展。本研究基于稳定碳同位素分馏基础上所建立的定量计算微藻碳源利用模型具有重要意义，必将在全球气候变化研究中发挥重要作用。 |
| Other Abstract | Global climate change is an universal issue nowadays. For a long time, lots of studies focused on the increasing concentration of CO2 and temperature. There are two ways to cope with the global climate change problem: decreasing carbon sources and increasing carbon sinks. Nowadays, biological CO2 assimilation has become one of the attractive strategies to solve this problem. The aquatic ecosystem is the largest ecosystem and contributes to approximately 50% of the net primary productivity on earth. Accordingly, aquatic ecosystem is one of the most important carbon sinks and sources. Unlike the environment on land, CO2 in aquatic medium for microalgae is limited. The algae have formed a serial of mechanisms to adapt to the aquatic environment. Several microalgae have formed the carbon-concentrating mechanisms (CCMs) to increase the CO2 concentrations. Some microalgae can utilize HCO3? directly or indirectly. Thus, these mechanisms can improve the fixation of the CO2 in photosynthesis, and then, they can accelerate the net primary productivity. The carbonic anhydrase may play the key role in these processes. Dissolved inorganic carbon (DIC) has four forms in aquatic medium: CO2, HCO3?, H2CO3, and CO32-. But only the CO2 and HCO3? can be utilized by algae. Accordingly, the algae have formed the corresponding mechanisms to utilize DIC. CO2 can enter the cell by diffusion freely and be utilized by the photosynthetic assimilation directly. But the entering process of HCO3? is more complex which can be divided into two processes. Firstly, HCO3? is dehydrated to form CO2 in the boundary layer outside the plasmalemma. This process is mediated by extracellular carbonic anhydrase (CAex). Thus, the generated CO2 enters the photosynthesizing cells. The second process depends on the transport of HCO3? across the plasmalemma into the cells by the anion transport system。 |
| Subject Area | 环境地球化学 |
| Language | 中文 |
| Document Type | 学位论文 |
| Identifier | http://ir.gyig.ac.cn/handle/352002/5814 |
| Collection | 研究生_研究生_学位论文 |
| Recommended Citation GB/T 7714 | 李海涛. 碳酸酐酶对微藻碳汇组成的影响[D]. 北京. 中国科学院研究生院,2013. |
| Files in This Item: | ||||||
| File Name/Size | DocType | Version | Access | License | ||
| 碳酸酐酶对微藻碳汇组成的影响.pdf（7330KB） | 暂不开放 | License | Application Full Text | |||
Items in the repository are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.
Edit Comment