Aphanizomenon flos-aquaeのスイカ(Citrullus lanatus)皮水抽出物に対する生理的および形態学的応答

Physiological and morphological response of Aphanizomenon flos-aquae to watermelon (Citrullus lanatus) peel aqueous extract.

• Kaixiang Zhang
• Mengdie Yu
• Peiyao Xu
• Shenghua Zhang
• Gaboury Benoit

抄録

天然の藻類殺虫剤は、より特異的で生分解性が高く、環境にやさしいシアノバクテリアブルームの防除方法を提供する可能性がある。我々は、有害なアオコガであるAphanizomenon flos-aquaeの成長を制御するために、スイカ皮水抽出物（WMPAE）の可能性を初めて調査した。WMPAEに対するA. flos-aquaeの生育阻害といくつかの生理学的パラメータを解析した。その結果、WMPAEは濃度依存的にA. flos-aquaeの成長を有意に阻害した。最も高い阻害率は6g LのWMPAEで3日間処理した後に94％に達し、低用量でも短時間でも有意な効果が得られた。細胞の生存率が急速に低下し、細胞の形状が変化し、細胞内構造障害が発生した。同時に、抗酸化酵素（スーパーオキシドディスムターゼSOD、カタラーゼCAT、ペルオキシダーゼPOD）およびマロンジアルデヒド（MDA）レベルはいずれも有意に増加し、2〜6 g LのWMPAEがA. flos-aquaeに深刻な酸化ストレスおよび損傷を誘発したことが示された。さらに、A. flos-aquaeの光合成は明らかに阻害されたが、4つの色素であるクロロフィルa(Chl a)、カロテノイド、フィコシアニン(PC)、アロフィコシアニン(APC)の産生はすべて促進された。光化学系IIの最大量子収率(F/F)と有効量子収率(F/F)は急激に低下しており、光エネルギーを化学エネルギーに変換する光化学系の能力が低下していることが示唆された。また、A. flos-aquaeの非光化学的消光（NPQ）は、WMPAEへの短時間の曝露で増加し、長時間の曝露で有意に減少し、光保護機構の破綻を示唆した。これらの結果は、細胞の生存能力の低下、酸化ストレスの増加、細胞内構造や光合成系の損傷が抑制効果のメカニズムであることを示唆している。これらの結果から、WMPAEは水生環境下でのA. flos-aquaeの生育を抑制するための新規かつ効果的なアプローチである可能性が示唆された。

Natural algaecides are more likely to be specific and biodegradable, and may offer an environmentally friendly method for control of cyanobacterial blooms. We explored, for the first time, the potential for watermelon peel aqueous extract (WMPAE) to control the growth of the harmful blue-green alga Aphanizomenon flos-aquae. The growth inhibition and several physiological parameters of A. flos-aquae, in response to WMPAE, were analyzed. Results showed that WMPAE significantly inhibited the growth of A. flos-aquae in a concentration-dependent way. The highest inhibition reached 94 % after 3 days' treatment with 6 g L of WMPAE and a significant effect was obtained with lower doses and shorter times as well. The cell viability decreased quickly, cell shape changed, and intracellular structural damage occurred. At the same time, the antioxidant enzymes (superoxide dismutase SOD, catalase CAT and peroxidase POD) and malondialdehyde (MDA) levels all increased significantly, indicating that WMPAE between 2-6 g L induced severe oxidative stress and damage to A. flos-aquae. Moreover, production of the four pigments chlorophyll a (Chl a), carotenoids, phycocyanin (PC), and allophycocyanin (APC) were all stimulated, though photosynthesis of A. flos-aquae was clearly inhibited. The maximum quantum yield of photosystem II (F/F) and the effective quantum yield of photosystem II ( F/F) declined sharply, suggesting the decreased photosystem capacity of A. flos-aquae to convert light energy into chemical energy. In addition, non-photochemical quenching (NPQ) of A. flos-aquae increased after a very short time exposure to WMPAE, and decreased significantly with prolonged exposure time, which indicated the failure of photo protection mechanisms. These results suggest that the loss of cell viability, and increases in oxidative stress, and damage to intracellular structure and photosynthetic systems might be the mechanisms for the inhibitory effects. Our results suggested that WMPAE could be a novel and effective approach for controlling the growth of A. flos-aquae in aquatic environments.

Copyright © 2020 Elsevier B.V. All rights reserved.