胶鞘多糖在微囊藻群体形成中的作用机制

In Lake Taihu, Lake Chaohu and Lake Dianchi, Microcystis bloom occurs every year. It has impacted seriously the living of local people and the development of local economy. Microcystis cells are enwrapped in capsular polysaccharide, forming colony. The competence advantage of colony formation is a key factor of bloom formation. This project will isolate Microcystis strains from Lake Taihu and other water bodies. The unicellular and colonial forms of the representative strains selected according to genotype and microcystin-producing property will be cultured in the lab. The effects of capsular polysaccharide production, chemical composition, structural characterization and physico-chemical properties on colony formation will be studied through analyzing the properties of colonial capsular polysaccharide and comparing the properties of the capsular polysaccharide of colony with those of single cells. The effect of exopolysaccharide biosynthesis gene expression on colony formation will be studied through comparing exopolysaccharide biosynthesis gene expression of colony with that of single cells. To explore the effect of microcystin-producing property on properties of capsular polysaccharide and colony formation, the properties of capsular polysaccharide of microcystin-producing strains will be compared with those of nonmicrocystin-producing strains. The impact of environmental factors on properties of capsular polysaccharide and colony properties will be further investigated. All the above results will indicate the role of capsular polysaccharide in colony formation of Microcystis. This study will provide with essential basic information for the in-depth research of bloom formation mechanism.

太湖、巢湖和滇池等湖泊中，每年都会发生微囊藻水华，严重影响了当地的人民生活和经济发展。微囊藻细胞包裹在胶鞘多糖中形成群体，群体的形成是微囊藻获得生存竞争优势并形成水华的关键因素之一。本课题拟从太湖等地分离微囊藻藻株，根据基因型和产毒特性选择代表性藻株，实验室中培养群体形态及单细胞形态微囊藻。通过分析微囊藻群体胶鞘多糖的特性，以及比较分析群体和单细胞胶鞘多糖的特性，研究胶鞘多糖产率、化学组成、结构特性和物化特性对微囊藻群体形成的影响；通过对群体和单细胞微囊藻胞外多糖合成基因表达的比较，分析胞外多糖合成基因表达对微囊藻群体形成的影响；进一步通过对产毒和非产毒藻株胶鞘多糖特性的比较分析，探讨产毒特性对胶鞘多糖特性以及群体形成的可能影响；最后分析环境因子对胶鞘多糖特性和群体形态特性的影响。综上所述研究胶鞘多糖在微囊藻群体形成中的作用机制，为深入揭示微囊藻水华的暴发机制提供必要的基础信息。

蓝藻水华是危害公共健康和环境安全的全球性问题。微囊藻(Microcystis)是形成蓝藻水华的最常见藻类。自然界中微囊藻主要以群体形态存在，细胞因胶鞘多糖（CPS）包裹而成为群体。群体的形成是微囊藻获得竞争优势并形成水华的重要因素。群体微囊藻在实验室培养后，其中一些藻株转变为单细胞形态。比较分析群体和单细胞藻株的CPS的化学特性发现(1)所有藻株的CPS均为含有脱氧己糖的酸性杂多糖；(2)所有藻株的CPS的糖醛酸含量(1.2%-2.1%)均低于水溶性胞外多糖（RPS）的糖醛酸含量(2.4%-6.2%)；(3)所有藻株的CPS均含有乙酰基和硫酸基，其中，每一株藻的CPS的乙酰基含量均高于RPS的乙酰基含量，所有群体藻CPS的乙酰基含量(4.1%-6.6%)高于所有单细胞藻CPS的乙酰基含量(2.0%-3.2%)。微囊藻CPS中乙酰基含量可能是影响其疏水性和粘附性的一个重要因素，CPS中的乙酰基可能影响微囊藻群体的形成和稳定性。三维荧光扫描和PARAFAC平行因子（Parallel factor）分析表明，单细胞和群体微囊藻CPS的组分不同，微囊藻在由群体向单细胞转化过程中CPS组分变化发挥了重要作用。不管是在单细胞和群体微囊藻中，CPS疏水性都是大于RPS，CPS的高疏水性是细胞粘附形成群体的重要因素。CPS的zeta电位的绝对值都比较小，说明多糖在水溶液中不稳定，容易聚集成颗粒，有利于CPS形成胶鞘层包被藻细胞而形成群体。钙离子升高和磷限制都能提高微囊藻群体胞外多糖产率，但只有钙离子浓度升高能促进群体增大。环境细菌铜绿假单胞菌的加入影响微囊藻群体大小，处理组群体的平均表面积为对照组的3.2～49.7%，同时随着群体的减小胶鞘多糖产率减小。从太湖采集的微囊藻按群体大小分为不同级别，单个细胞微囊藻毒素含量有随群体增大而增高的趋势，较大群体中胶鞘多糖产率和产毒基因型的比例较高，说明微囊藻毒素的产生影响CPS产率和微囊藻群体的形成。总之，CPS的乙酰基含量和疏水性在微囊藻形成群体过程中发挥着重要作用，微囊藻毒素和环境因子（钙离子和某些细菌）能影响CPS产率和群体形成，研究结果为深入研究微囊藻水华形成的机理提供了必要的基础信息。