了得網自然科學_發菜細胞培養

編輯推薦

《發菜細胞培養》可為初涉相關領域的本科生、研究生提供較為繫統的技術知識，

也可為工業生物技術領域的科研人員和工程技術人員提供研究思路與研

究方向。

內容簡介

作為我國一級保護的珍稀陸生藍細菌，傳統食材——發菜（學名發狀

念珠藍細菌），因具有較高的營養價值和藥用價值及在荒漠化治理中具有

重要的生態學作用，為人們所關注。如何解決發菜的來源問題，既不破壞

環境，又能滿足人們的需要，一直是人們所追求的。《發菜細胞培養》基於作者長期進

行發菜生物學和培養技術的研究，結合國內外相關研究成果，全面、繫統

地介紹了發菜的食用與藥用價值、發菜的分布與研究歷史、發菜的形態學

與生理生化性質、發菜細胞的分離及不同模式的液體培養、發菜的固態培

養、發菜細胞的規模化培養，以及發菜細胞與多糖的應用。通過現代發酵

技術解決瀕危生物資源的來源問題，為保護與開發利用特種生物資源，提

供必要的基礎理論數據與技術方法。

目錄
前言
第1 章概述 1
1.1 發菜的分布 1
1.2 發菜研究的歷史與現狀 4
1.3 發菜的食用價值 9
1.4 發菜的藥用價值 11
參考文獻 12
第2 章形態學與生理生化性質 19
2.1 發菜的形態 19
2.1.1 原植體外部形態 19
2.1.2 原植體形態類型 20
2.1.3 群體形態類型 21
2.1.4 發菜群體形態的形成和交替 22目錄
前言
第1 章概述 1
1.1 發菜的分布 1
1.2 發菜研究的歷史與現狀 4
1.3 發菜的食用價值 9
1.4 發菜的藥用價值 11
參考文獻 12
第2 章形態學與生理生化性質 19
2.1 發菜的形態 19
2.1.1 原植體外部形態 19
2.1.2 原植體形態類型 20
2.1.3 群體形態類型 21
2.1.4 發菜群體形態的形成和交替 22
2.1.5 水分對發菜形態的影響 22
2.2 發菜的結構 23
2.2.1 發菜的解剖結構 23
2.2.2 發菜的顯微形態結構 25
2.2.3 原植體的表面結構 27
2.2.4 營養細胞的超微結構 28
2.3 發菜的生長和繁殖 29
2.3.1 發菜的生長 30
2.3.2 發菜的發育與繁殖 31
2.4 發菜的生理生化性質 32
2.4.1 光合生理 32
2.4.2 呼吸作用 43
2.4.3 固氮作用 44
參考文獻 46
第3 章發菜藻體的人工培養 50
3.1 野生發菜與其附生微生物體繫 50
發菜細胞培養
iv
3.1.1 野生發菜附生微生物分析 50
3.1.2 附生微生物對野生發菜的影響 54
3.2 野生發菜藻體的室內人工培養 55
3.2.1 藻體表面滅菌實驗 55
3.2.2 沙培實驗 56
3.2.3 發菜藻體的生長條件 56
3.3 野生發菜小區人工培養 57
3.3.1 培養方法 58
3.3.2 發菜藻體生長量的測定 58
3.3.3 培養條件對發菜藻體生長的影響 58
3.4 野生發菜藻體大面積人工培養 61
3.4.1 試驗地的選擇 61
3.4.2 微噴灌培養及其影響因素 62
3.4.3 發菜藻體的人工培養技術方案 64
參考文獻 65
第4 章發菜細胞的分離與培養 66
4.1 發菜單體細胞分離 66
4.2 抗生素法純化發菜細胞 67
4.2.1 發菜細胞對抗生素的敏感性 68
4.2.2 抗生素法純化過程 72
4.3 發菜細胞形態特征 73
4.3.1 發菜細胞光譜特性 73
4.3.2 發菜細胞形態類型 74
4.4 液體培養條件下發菜細胞的生長 75
4.4.1 細胞的生長過程

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第1 章概述
發菜, 學名發狀念珠藍細菌
（Nostoc flagelliforme）,又名發狀念
珠藻,是一種生長在荒漠、半荒漠地
帶的陸生性藍細菌（藍藻）（圖1-1）。
其藻體呈黑色,貼附於地表,纏繞成
團,外觀與人的頭發相似,故人們將
其稱為“發菜”,在有些地區也被稱
為“地毛”。發菜在蒙古族語言中為
“嘎吉力烏蘇”,是“大地的頭發”的
意思。
1.1 發菜的分布
發菜不是普生性生物,主要分布
在中國、法國、捷克、美國、墨西哥、
加拿大、摩洛哥、索馬裡、阿爾及利亞、蒙古、哈薩克斯坦、吉爾吉斯斯坦、烏
茲別克斯坦、土庫曼斯坦等國。我國是發菜地域分布廣的國家之一,東起內蒙
古東部,西至新疆西部,南自河北省蔚縣和青海,北達中蒙邊境,都有發菜的分
布。發菜的分布具有很強的地域性,主要分布在寧夏的同心縣、中寧縣、海原縣、
鹽池縣等,內蒙古的四子王旗、達茂旗、西蘇旗、阿拉善左旗、阿拉善右旗和額第1 章概述
發菜, 學名發狀念珠藍細菌
（Nostoc flagelliforme）,又名發狀念
珠藻,是一種生長在荒漠、半荒漠地
帶的陸生性藍細菌（藍藻）（圖1-1）。
其藻體呈黑色,貼附於地表,纏繞成
團,外觀與人的頭發相似,故人們將
其稱為“發菜”,在有些地區也被稱
為“地毛”。發菜在蒙古族語言中為
“嘎吉力烏蘇”,是“大地的頭發”的
意思。
1.1 發菜的分布
發菜不是普生性生物,主要分布
在中國、法國、捷克、美國、墨西哥、
加拿大、摩洛哥、索馬裡、阿爾及利亞、蒙古、哈薩克斯坦、吉爾吉斯斯坦、烏
茲別克斯坦、土庫曼斯坦等國。我國是發菜地域分布廣的國家之一,東起內蒙
古東部,西至新疆西部,南自河北省蔚縣和青海,北達中蒙邊境,都有發菜的分
布。發菜的分布具有很強的地域性,主要分布在寧夏的同心縣、中寧縣、海原縣、
鹽池縣等,內蒙古的四子王旗、達茂旗、西蘇旗、阿拉善左旗、阿拉善右旗和額
濟納旗等,甘肅的河西走廊兩側、景泰川周圍及蘭州以西。即使在這些地區,發
菜也不是全境分布,而是有著明顯的地帶以至地段分隔[1,2]。
發菜主要生長在海撥1000～2800m 的山地丘陵、山前平原、洪積衝積扇和荒
灘戈壁,其分布區屬荒漠草原和荒漠帶。發菜在迎風坡面上生長較少或無生長,
在小環境中表現為在岩石、土坎或各種突起物的迎風處分布較多（圖1-2）。風對
於發菜的水分調節和分布範圍的擴大具有重要作用。多風的環境有利於發菜在吸
水後迅速失水,以提高其對高溫、干旱等各種脅迫的抗性。另外,粘貼在地面上
的發菜當被動物踐踏或受其他外力作用時,發菜藻絲體易斷裂脫離地面,斷裂的
藻絲體很容易隨風移動,進而擴大了發菜的分布範圍。
圖1-1 野生發菜
發菜細胞培養
·2·
圖1-2 自然生存狀態下的發菜
1. 夏天；2. 鼕天
發菜分布地區屬於典型的溫帶大陸性氣候,年平均氣溫為4.4～8.1℃,年
氣溫38.3℃,氣溫?22.9℃,具有明顯的季節和晝夜溫差變化。地表溫度變化
較氣溫變化更為劇烈,年地表溫度可達77.9℃,可至?36.5℃。年溫差大,
晝夜溫差明顯是發菜分布區域的溫差變化特征。發菜對高溫、低溫、變溫條件均
表現出了驚人的適應能力。干燥狀態的發菜對高溫具有極強的忍受能力,但濕潤
狀態的發菜對高溫的忍受能力會急劇降低,在持續的高溫環境下易解體死亡。
發菜分布地區干燥多風,雨量稀少,年降水量為167.3～447.4mm,平均為
261.2mm,降水量為47.9mm[1]。發菜分布區的年降水量分布具有明顯的
規律,降水集中在5～9月,而降水高峰為6～8月,這3個月的降水量占全年降水
量的62%～69%,降水方式以短促零星為主,極少連續降雨。發菜分布地區的水
分蒸發量大,一般超過降水量的10～20倍。空氣干燥,年平均相對濕度40%～
70%,小可達0。寧夏鹽池縣17年間曾出現11個月中有194天空氣相對濕度為0
的情況[3]。
發菜對干旱環境有很強的適應能力。發菜具有親水性極強的膠質鞘,藻體含
水量在一定範圍內隨環境（土壤和地表大氣）濕度的變化而變化。在短暫的降雨
和露水後,藻絲體迅速吸水而得以生長；在干燥環境條件下,發菜藻體則失水變
干,生長減慢或停止,處於休眠狀態。干燥發菜能在相對濕度大於28.4%的空氣中
吸取水分,發菜的含水量隨環境而變化,在陰暗或弱光照的環境中具有較高的含
水量。測定表明,自然風干的發菜含水量低於10%[4],而干燥發菜在水分充足的
條件下,2h後質量增加9倍,而後吸水速度減緩,至24h發菜質量增加到16倍[5]。
達到吸水飽和狀態的發菜,置於干燥器中6h後,仍可保持4倍於其干重的水分。在
強烈的日光照射下,發菜的膠質鞘又可延緩藻體內水分的蒸發速度,但在長期的
干旱條件下,發菜藻體內水分逐漸耗盡,藻體變干,生長減緩以至停止。發菜在
這種濕潤與干燥交替的反復節律中積累生長。試驗表明,在干燥狀態下保存3～5
第1 章概述
· 3·
年甚至更長時間的發菜藻體,遇水後仍能恢復正常的生長活動。此外,發菜藻體
表面粗糙呈波浪狀無規則皺折起伏,並有許多指狀突起和裂隙,這些發達的旱生
結構,具有減少蒸騰、通氣、散熱、增加吸水和光合面積等生理功能。因此,無
論是從其生理生態方面,還是從其形態結構特征來看,發菜對干旱環境都具有極
強的適應能力[6]。
發菜分布地區年平均日照時數為2700～3000h,6～8 月上午8 時日照強度為
1000～6000lx,中午12 時為10 000～13 000lx,下午8 時為1400～2000lx。發菜
通常匍匐生長於一些強旱生矮小草本或灌木植物間的土表,或是空曠裸露的地表,
裸露性大,接受陽光直射,發菜對於光脅迫具有很強的抗性。
發菜的光飽和點高達1200μmol/(m2·s),當光強提高到1800μmol/(m2·s)時,
發菜的光合作用尚未出現光抑制現像[7]。從發菜的形態結構來看,其厚而堅實的
膠質鞘對紫外線的輻射具有一定的抵抗能力,並且表面呈皺折起伏的溝稜狀結
構,能蔽蓋陽光、避免強光對藻體內細胞的輻射,保證正常的光合作用。此外,
發菜提取液對紫外線A 和紫外線B 均有很強的抵抗能力,這表明發菜可以產生
吸收紫外線的物質[8],這些特征對發菜能在高原地區生存生長具有重要意義。
發菜分布地區土壤非常貧瘠,有機質含量低,約為1%,腐殖質積累過程弱,
氮和磷的含量極低。發菜分布地區土質類型有黑垆土、灰鈣土、栗鈣土、棕鈣
土和灰漠土等,其共同特征是質地輕,土壤結構性差,呈粉末狀或塊狀結構,
土壤表面多有龜裂。調查發現,在第三紀紅層出現的地方,土層薄,土壤尤其
貧瘠,幾乎無其他植物生長,而發菜卻能單獨生存生長[6]。發菜是一種固氮藍細
菌,藻體的特化細胞異形胞中存在固氮酶,可以轉化空氣中的氮為可利用的氨,
進而轉化為生長必需的氨基酸,因此發菜可以在營養貧乏的土壤上生長[1]。發菜
生長的土壤中富含堿土金屬氧化物,其中鈣鹽含量較高,土質呈強堿性,pH 9.0
左右[3]。發菜可以在這樣的環境中正常生長,說明發菜對鹽堿有較強的適應能力。
表1-1 列出了甘肅省永登縣和內蒙古自治區阿拉善左旗地區發菜生長地土壤的化
學成分。
表1-1 發菜生長地土壤化學成分[9]
土壤成分及含量/%
地點
N P SiO2 Fe2O3 Al2O3 TiO2 MnO2 K2O Na2O CaO MgO
永登縣 0.06 0.09 54.92 2.73 13.35 0.52 0.10 2.85 0.21 6.50 5.90
阿拉善左旗 0.01 0.07 66.16 2.06 0.47 0.49 0.70 2.24 0.15 4.06 4.13
發菜生長的土壤類型雖有差異,但也有一些共同特征。地表土層薄,沙性大,
結構松散,但有一定的緊實度,土壤表面常龜裂形成荒漠孔狀結皮。這種特殊結
發菜細胞培養
·4·
構使得地表不易積水,有利於發菜與土壤之間進行充分的物質交換。流動的物體
易將發菜掩埋,不利於其生長。
發菜生態區的植被以干草原、荒漠草原及荒漠植被為主,植被覆蓋率不足
30%。干草原以長芒草為優勢種群落,荒漠草原以短花針茅為優勢種群落,荒漠
植被以強旱生或超旱生灌木為主要群落,分別伴生西北針茅、甘青針茅、戈壁針
茅、冷蒿、白蓮蒿、豬毛蒿、駱駝蓬、紅砂、西北利亞刺和毛蓮蒿等。在各群落
中,發菜分布於灌叢小丘間裸地,多數藻體聚集成團,隨機分布,有的沿徑流方
向呈線形延伸,或因風力搬運受阻,同枯枝落葉或小草纏繞共存[5]。
1.2 發菜研究的歷史與現狀
我國有很多關於發菜的傳前100 年,蘇武出使匈奴,被扣在青海牧
羊19 年,歷盡千辛萬苦,有“渴飲雪,饑吞旃”的記載,“旃”即頭發菜的古稱,
而頭發菜為發菜的另一種古稱。從漢代起,權貴常把“發菜”作為貢品獻給皇帝
食用[10]。此說法如有根據,則從漢代起便已食用“發菜”。也有報道認為,西晉
時265～316 年）《爾雅注疏》中記載有“發菜”,稱其為“發毛”[11]。另
外,據傳唐代已有人采集加工“頭發菜”作為商品出售,銷售到南洋一些國家[12]。
但是,這些報道都缺乏準確的記載。例如,《爾雅注疏》中並沒有“發菜”,隻有
“藫,石衣”的記載。而“藫”又稱“石衣”,是一種稱為“水苔”的藻類植物[13]。
可能是其形態如亂發狀,人們誤認為是“發菜”。清代李漁（1611～1680 年）在
《閑情偶寄》飲饌部中這樣記載,“菜有色相奇,而為《本草》、《食物志》諸書
之所不載者,則西秦所產之頭發菜是也。予為秦客,傳食於塞上諸侯。一日脂車
將發,見坑上有物,儼然亂發一卷,謬謂婢子櫛發所遺,將欲委之而去。婢子曰；
‘不然,群公所餉之物也’。詢之土人,知為頭發菜,浸以滾水,拌以姜醋,其可
口倍於藕絲、鹿角等菜。攜歸餉客,無不奇之,謂珍饈中所未見”[14]。清乾隆,
《寧夏省中衛縣志》物產蔬類中這樣記載“頭發菜,出邊外沙地似發可食”[15]。
清乾隆44 年（1779 年）鐘賡起修纂的《甘州府志》物產中[16]和民國時期白冊侯
原纂續纂的《新修張掖縣志》卷物產中都有頭發菜的記載[17]。
1913年（大正）日本學者在《植物學》雜志上發表文章,記錄了其朋友自
日本去歐洲途經中國上海、廣東、香港時,看到銷售“發菜”的場景。同時記
載了“1885年自中國漢口輸出‘發菜’35 080斤①”[18]。僅從此數據來看,足可
見當時“發菜”出口量之大。但是,可能是對“發菜”的認識不夠清楚,這篇
文章中將“發菜”與其同一屬的葛仙米或地木耳混淆了,文中記載的出口量可
① 1 斤=0.5kg。
第1 章概述
· 5·
能包括了葛仙米或地木耳。20世紀60年代,內蒙古自治區對外貿易局編寫的《出
口宣傳手冊》中將發菜列為內蒙古自治區土產進出口公司經營的主要出口產品
之一。1982年第10期的《今日中國》雜志（中文版）中的“中國物產”欄目中
這樣介紹,“發菜是我國傳統的出口商品之一。據考證,發菜早在唐宋時代,已
遠銷南洋和許多國家”[19]。這從一個側面表明,在我國“發菜”作為食材的傳
統已有上千年歷史。2000年以前,人們更多的是關心其食用和藥用價值,以及
出口換取外彙。
從分類學角度看,1857 年,有人在北美發現、采集標本,並將“發菜”定名
為Nostoc flagelliforme[20]。在藻類分類繫統中,發菜屬於藍藻門（Cyanophyta）
藍藻綱（Cyanophyceae）念珠藻目（Nostocales）念珠藻科（Nostocaceae）念珠
藻屬（Nostoc）[21,22]。1873 年,Nylander 將其定名為Nematonostoc rhizomophoides；
1880 年,Bronet 和Thuret 將其更名為Nostoc flagelliforme Born. et Thur.；1888
年,Bronet 和Flahault 將其放到普通念珠藻（Nostoc commune）中作為一個變種：
Nostoc commune（Vauch.）var. flagelliforme Born. et Flah.。1931 年,Elenkin 又將
其定名為Nematonostoc flagelliforme（Berk. Ct Curt.）Elenk。以上除Nostoc
flagelliforme 以外,其餘3 種命名在不同文獻中均出現過[23]。《伯傑細菌鋻定手
冊》第九版的分類體繫中,發菜屬薄壁菌門（Gracilicutes）產氧光細菌綱
（Oxyphotobacteria）念珠藍細菌目（Nostocales）念珠藍細菌科（Nostocaceae）
念珠藍細菌屬（Nostoc）[24]。20 世紀70 年代,美國伊利諾伊大學C. R. Woese
等基於16S 和18S rRNA 的寡核苷酸測序,比較微生物和其他生物同源性水平後,
提出了一種稱為“三域學說”的新繫統分類方法。該方法將含發菜的藍細菌歸
屬為細菌域,藍細菌與其

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