藻類的微小體  

國立台灣海洋大學水產養殖系所

陳衍昌

(本文已發表於：Chinese Bioscience 1996, Feb.,Vol. 39, No. 1:46-51.)
　
[關鍵詞] 藻類，微小體，過氧化小體，乙醛小體。

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藻類微小體的研究啟始於1970年代，其落後高等植物方面有一大段距離。然而，在藻類學者們的努力研究下，目前藻類微小體的研究對象已由微藻進而包含大型藻類方面。前人的研究結果顯示，藻類微小體和高等植物者有許多相似的特性。本文將對藻類微小體的研究概況及其和高等植物的關聯做簡要的介紹。

微小體(microbodies)，是由單層膜所圍繞而成的一種胞器，它的形狀大小不一，通常在動物及高等植物細胞中均有它的存在。微小體可分為過氧化小體(peroxisomes)和乙醛小體(glyoxysomes)，前者通常具有觸酵素(catalase)及過氧化酵素(peroxidase)，它和光呼吸作用(photorespiration)有密切關係。後者的標示酵素 (enzyme marker)通常是以蘋果酸合成酵素(malate synthestase)為主，和脂質的新陳代謝(lipid metabolism)有關，亦即和脂肪的貯存及細胞膜的合成有密切關係(Nadakavukaren and McCracken, 1985)。

微小體的形態及化學特性均利用DAB (diaminobenzidine)染色，以定位及估測 (Trelease, 1987)。DAB可以做微小體的過氧化小體的生化試驗，主要是DAB是由兩個苯環和四個氨基(圖一)所構成，其在觸酵素或過氧化酵素的氧化還原作用中先被氧化聚合(oxidative polymerization)，再氧化環合(oxidative cyclization)，而形成褐色聚合物，此聚合物再和四氧化鋨聚合。DAB在經過以上酵素的作用再和四氧化鋨這種重金屬的結合，可在穿透式電子顯微鏡下，形成不透明的鋨黑色(Osmium black)的正顯色反應。因此，DAB可用來做過氧化小體的酵素化學測定及其定位(localization)。

另外，赤血鹽(potassium ferricyanide)可被已醛小體內的蘋果酸合成酵素(malate synthetase)還原成游離的ferrocyanide，此ferrocyanide先和銅離子結合成非水溶性的褐色產物(cupric ferrocyanide)，之後再和DAB或四氧化鋨形成電子緻密顆粒(electron-dense granules) (Trelease, 1987)。因此，當微小體培養於含銅離子及赤血鹽的培養液後，即可使乙醛小體呈現電子緻密顆粒狀的正顯色反應，作為辨別乙醛或過氧化小體的區別(圖二)。在高等植物，微小體的研究已十分詳盡，然而低等植物中的藻類微小體的研究，則只處於起始的階段。因此，本文特別對藻類微小體的研究稍做介紹。

藻類微小體研究概況：

藻類微小體的研究，首先是由微細藻類開始。1971年Bernt and Christel由綠藻中的團藻類(Volvocale)的二種梭藻(Polytomella caeca 和 Chlorogonium elongatum)的超微構造觀察中，發現此二藻具有類似高等生物的微小體，並發現它們不和細胞內的葉綠體和粒線體有任何關聯。他們曾以DAB作細胞化學的研究，但無法有效地測出它的酵素特性。接著，Silverberg and Sawa在1973年, 以輪藻(Nietella flexilis)為材料，發現此藻具有類似高等植物的微小體，它們是由單層膜圍繞著緻密基質顆粒所構成，直徑約在0.2-0.5mm間，並偶而和葉綠體相鄰接。在DAB試驗中，仍然無法有效測試出微小體的標示酵素-觸酵素。直到1974年，Oakley and Dodge以DAB對一種單胞紅藻-紫球藻(Porphyridium)做細胞化學試驗，發現此藻的微小體有極強的正顯色反應，但是在加入觸酵素的抑制劑後，發現仍然有正顯色反應，因此他們認為紫球藻的微小體可能不具觸酵素，而其正顯色反應可能來自過氧化酵素(peroxidase)。

Silverberg於1975(a,b)年以DAB對37種綠藻(表1)做其微小體的酵素特性研究，發現這些綠藻的微小體可能和內質網，脂肪體，粒線體，葉綠體及微小體本身互相鄰接，這些綠藻的微小體顯示出具觸酵素的活性。同年Silverberg證明先前Bernt and Christel於1971年所發現的長綠梭藻(Chlorogonium elongatum)的微小體具有觸酵素的活性。至此，證明了低等植物藻類，也和高等生物一樣具有微小體，但是藻類的微小體是屬於過氧化小體或是乙醛小體則尚未有定論。

1977年Hornung等人研究一種微細綠藻Bracteacoccus cinnabarinus，發現此種藻類在異營狀況下(heterotrophically)細胞內會出現微小體，且此微小體和脂肪體相鄰近，在細胞化學的研究下發現此含觸酵素的微小體，和高等植物的乙醛小體具有相似的功能，能在脂肪的分解過程中將乙醯輔酵素A (acetyl CoA)轉變成琥珀酸(succinate)。

藻類和高等植物其微小體的比較：

藻類和高等植物主要的不同點是不像高等植物有根、莖、葉的分化，特別是在微細藻類，不可能以微小體所存在的組織的部位來分辨其形式，但仍可以DAB來定位其和其它胞器的位置和測試其酵素特性。在高等植物，於不同組織的細胞內各具有不同的微小體。這些微小體可區分為特化的微小體和不特化的微小體兩種，前者又可分為葉片過氧化小體( leaf peroxisomes)和乙醛小體(glyoxysomes)二種。後者則稱為一般過氧化小體(unspecialized peroxisomes)，或直接以"過氧化小體"稱之。微小體可以由其所存在的組織部位的不同以及其不同的酵素特性來分辨。通常葉片過氧化小體是位於葉片能行光合作用的組織的細胞內，其標示酵素為觸酵素或過氧化酵素，乙醛小體則通常是位於植物的胚乳細胞內，其標示酵素為蘋果酸合成酵素，最後一種"一般過氧化小體"則位於植物的一般組織細胞內，其標示酵素為觸酵素及尿酵素(uricase)。

Stabenau等人(1984)發現藻類如同高等植物般具有不同形式的微小體。在他們的實驗中發現兩種微藻Mougeotia及Eremosphaera具有葉片及一般過氧化小體，但它的過氧化小體同時具有如同高等植物乙醛小體般有b -oxidation能力的酵素。而b -oxidation即指脂肪的分解代謝過程。然而，Stabenau等人於1989年的研究中認為雖然有些藻類的微小體可能同時具有過氧化小體及乙醛小體的功能，但在其他的藻類，例如於Prasinophyceae中的4種微藻Platymonas, Heteromastix, Pedinomonas及Pyraminonas的研究中卻發現前三種藻類的微小體不含觸酵素，但卻含有脂醯基輔酵素A氧化酵素(acyl-CoA oxidase)，巴豆酸酵素(enoyl-CoA hydratase)及硫解酵素(thiolase)等，這些酵素和脂肪的代謝有密切的關係，因此他們認為這些微小體是屬於乙醛小體這一類。

此外，Motomura (1985)於一種褐藻(Carpomitra cabrerae)的分裂生長部位的細胞內發現有乙醛小體的存在。在作者過去的實驗(Chen, 1993)亦發現在一種紅藻(Grateloupia sparsa)的原生質體(protoplast)內具有二種微小體，過氧化小體及乙醛小體。乙醛小體通常是位在植物胚乳細胞內，它和脂肪的分解代謝有關。然而，在褐藻的乙醛小體則可能和細胞的分裂生長有關，紅藻亦是如此(Chen, 1993)。

Motomura et al. (1985)於褐藻Carpomitra cabrerae的孢子體及配子體中均發現有微小體存在，而此微小體則僅和粒線體相鄰接。然而，在作者的實驗中(Chen, 1993)在紅藻原生質體內的過氧化小體同時和葉綠體及粒線體相鄰接(圖三)。此點和高等植物葉片過氧化小體相似。不過，此紅藻原生質體微小體的酵素特性則不同於高等植物者，前者只具有過氧化酵素而不具觸酵素，不過此結果和單細胞微細紅藻紫球藻相同。

結論：

根據以上許多藻類學者的研究結果，可知藻類雖然無特化的組織，但不同種類的藻類分別具有不同酵素特性的微小體，和高等植物相較，有頗多相似之處（表 2）。藻類的構造雖然不若高等植物般複雜，組織及形態上不若高等植物"進化"，但藻類細胞的構造及其生理代謝則如高等植物般複雜。目前，藻類的細胞學研究仍在起始的階段，其中藻類微小體研究尚處於摸索時期，盼望有更多藻類研究者注意到此一有待開發探索的研究領域。

表1：已知具有微小體的綠藻品種

Class Chlorophyceae

Order Volvocales Order Ulvales

Chlamydomonas dysosmos Enteromorpha sp.

C. reinhardii Ulva sp.

C. segnis

Chlorogonium elongatum Order Cladophorales

Gonium pectorale Cladophora sp.

Polytoma uvella

Polytomella caeca

Order Oedogoniales

Oedogonium cardiacum

Order Chlorococcales

Chlorella pyrenoidosa

Order Zygnematales

C. sorokiniana (wild type) Closterium littorale

C. vulgaris (wild & mutant types) Cosmarium botrytis

Chlorochytrium sp. Hyalotheca sp.

Dictyosphaerium pulchellum Mesotaenium caldariorum

Eremosphaera viridis Micrasterias denticulata

Protosiphon sp. M. fimbriata

Prototheca stagnora Netrium iigitus

P. zopfii Netrium sp.

Scenedesmus obliquis Spirogyra sp.

S. obtusiusculus Zygnema sp.

Spongiochloris excentrica

Class Charophyceae

Order Ulothricales Order Charales

Coleochaete nitellarum Chara sp.

C. scutata Nitella flexilis

Draparnaldia sp. Tolypella sp.

Hormidium sterile

Klebsormidium flaccidum

Microspora sp.

Radiofilum sp.

Schizomeris sp.

Stichococcus sp.

Stigeoclonium sp.

Ulothrix fimbriata

(Silverberg, 1975a)

表2：目前各種藻類微小體的型式及其和胞器的關聯
 

參考文獻：

Bernt, G and Christel, B. 1971. Microbodies und diaminobenzidin-reaktion in den acetat-flagellaten Polytomella caeca und Chlorogonium elogatum. Planta 100:155-166.

Chen, Y. C. 1993. Isolation, cultivation, ultrastructure and cytochemistry of protoplasts from Grateloupia sparsa (Halymeniaceae, Rhodophyta). pp.106. Ph. D. thesis. Institute of Oceanography, National Taiwan University, Taipei, Taiwan, R. O. C.

Hornung, R. L., Hanzely, L. and Lynch, D. L. 1977. Occurrence of microbodies in the green alga Bracteacoccus cinnabarinus growth heterotrophically. Protoplasma 93:135-145.

Motomura, T., Kawaguchi, S. and Saikai, Y. 1985. Life history and ultrastructure of Carpomitra cabrerae (Clemente) Kutzing (Phaeophyta, Sporochnales). Jap. J. Phycol. 33:21-31.

Nadakavukaren, M. J. and McCracken, D. A. 1985. The plant cell. In: Botany. pp. 27-29. West publishing company, Saint Paul New York, Los Angeles, San Francisco.

Oakley, B. R. and Dodge, J. D. 1974. The ultrastructure and cytochemistry of microbodies in Porphyridium. Protoplasma 80:233-244.

Silverberg, B. A. and Sawa, T. 1973. An ultrastructural and cytochemical study of microbodies in the genus Nitella (Characeae). Can J. Bot. 51:2025-2032.

Silverberg, B. A. 1975a. An ultrastructural and cytochemical characterization of microbodies in the green algae. Protoplasma 83:269-295.

Silverberg, B. A. 1975b. 3,3-Diaminobenzidine (DAB) ultrastructural cytochemistry of microbodies in Chlorogonium elongatum. Protoplasma 85: 373-376.

Stabenau, H. Winkler, U. and Saftel, W. 1984. Enzymes of s-oxidation in different types of algal microbodies. Plant Physiol. 75:531-533.

Stabenau, H. Winkler, U. and Saftel, W. 1989. Compartmentation of peroxisomal enzyme in algae of the group of Prasinophyceae occurrence of possible microbodies without catalase. Plant Physiol. 90:754-759.

Trelease, R. N., 1987. Malate synthase. In: Vaughn, KC (ed.) CRC handbook of plant cytochemistry, Vol. 1, Cytochemical localization of enzyme. pp. 170. CRC press, Inc. Boca Raton, Florida.