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更有力地证明了细胞壁的局部生长与泡囊有关。
泡囊由高尔基体或内质网的特定区域产生,当它们移向顶端与原生质膜融合后,把内含物并入壁中,这些内含物因含有壁的消解和合成酶类以及一些细胞壁的前体物,因此,有人提出泡囊作用的三重性:
(1)运输细胞壁溶解酶去破坏原来壁组成之间的键;
(2)运输新的壁物质,并在壁合成酶的作用下并入细胞壁中,增加了壁的面积;
(3)
在生长期间增加了原生质膜的表面积。
:
无定形在會樹=鹽的藩解臨
5微舒丝器蟹的會成酵
细胞壁的多少泡囊细胞壁,个数目是期间为了生质膜表必须与质的泡囊数粗糙脉孢生长期间米/分,计必须有
A.含有细胞壁溶解酶的泡囊与原生质膜融合;
B.壁原来组成之间的键被破坏;
C.含有合成酶的泡囊与原生质膜融合;
D.新细胞壁物质通过膜向外分散;
E.—个新的细胞壁单位被合成。
顶端生长被认为是细胞壁水解、壁的合成和壁的膨压之间的动力平衡
如果破坏这一平衡会改变生长的模式
女口,加入多氧霉素D(几丁质合成酶的竞争性抑制物)到鲁氏毛霉培养物中,导致了菌丝顶端细胞壁的破裂,
香豆素也是纤维素生物合成的抑制物,它能抑制纤维素细胞壁的真菌的生长和分枝。
(三)顶端生长的驱动力
泡囊向顶端迁移的原因是什么?
对细胞质流、微管和电位势梯度的研究支持和解释了泡囊移动现象。
第一,细胞质的流动驱使和带动泡囊移向顶端;
第二,泡囊借助于顶端和亚顶端区域之间水的电位势梯度而驱动;
第三,在菌丝细胞中,微管与菌丝生长方向平行,因此,可能微管运输泡囊到菌丝顶端,如果菌丝顶端细胞有顶体的话,可能先运输到顶体部位,然后由顶体直接运动这些泡囊到质膜。
关于顶端生长的调节点可能是合成酶的激活和非激活状态决定的,合成酶处于激活状态时顶端生长便被启动。
、真菌的分枝生
(一)真菌的分
一个简单的未分枝的菌丝几乎沿着菌丝长度的任何一点都能产生分枝,第一次分枝产生第二次分枝,周而复始连续不断,最终形成一个真菌典型菌落的球形轮廓。
由于分枝的交替,往往使彼此之间交错生长的菌丝发生融合,导致了核和细胞质的交换,所以在单一菌丝中往往可以发现不同的细胞核(异核现象)和不同细胞质(异质现象)。
对琼脂平板上生长的真菌菌落的观察,揭示出与真菌分枝行为有关的现象
1、大多数菌丝的分枝是在菌丝顶端之后的某一距离发生,而且新的分枝总是向前或朝向菌落的边缘,于是菌丝的整个系统像是松柏树枝,这一规律显示了真菌的顶端优势。
2、菌丝的顶端彼此分离使菌丝间充满间隙,这保证了菌丝对营养的要求,同时它们会从存活菌丝营养耗尽的区域撤离。
在一个缺乏营养的琼脂培养基上
(如水洋菜)生长的真菌,在菌落边缘的内侧放置一块营养丰富的培养基,那么菌丝顶端将转180度的弯而朝向营养丰富的地方生长
3、在一定的时间范围内,培养基的丰富与贫乏对于真菌菌落的伸长影响并不大。
因此,我们以得到一个重要的概念,在菌落边缘生长的菌丝顶端似乎首先需要的是营养,基质中的营养物质对于维持分枝是有效的。
4、丝状真菌的生长有一个重复循环,相当于酵母菌和其它单细胞生物的细胞循环。
细胞质的体积、核的分裂和分枝之间有一个明显的相关性,近来也在其它一些真菌中被证实。
Trinci1974年提出了一个菌丝生长单位(G)与菌丝分枝数目的相关公式:
菌丝总长度
G=
在菌落生长中,任何一种的菌丝生长单位是不变的,所以菌丝顶端的数目总是与菌丝的长度和细胞质的体积保持一定的比例。
当细胞质的体积超过现存顶端数目时,新的顶端就产生了。
(二)分枝是如何产生的
分枝的产生是从现存的成熟的菌丝壁上产生一个新的顶端,这个新顶端的产生伴随看泡囊的聚集,所以我们认为分枝顶端的形成与菌丝顶端的生长机制是相似的。
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III1LJ1
从菌丝上
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Fragment
任何顶端
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段
包含未被
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整细胞
寸—亡-二
菌丝片段
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£
I-
伏鲁宁体、固醇、蛋白结晶所堵塞
切取没有的菌丝片
破坏的完
隔膜孔被
新顶端在菌丝的侧壁或在隔膜上产生
从菌丝的前端产生顶端,显示了菌丝固有的极性,
菌丝分枝是顶端生长的一种改变形式。
在一些种内,分枝是在隔膜之后形成的在许多种内,隔膜的部位和分枝没有相关性
两种基本假设来解释分枝形成的模式:
第一种认为泡囊和特殊的细胞质区段之间的电位势引起局部的泡囊积累;
另一种认为当菌丝顶端泡囊与质膜合并的速率低于泡囊产生的速率时,泡囊将大量积累,那么,一旦细胞质的体积超过临界量,过量的泡囊无论在菌丝的哪个部位,都将引起产生一个新的分枝。
三、生长的动力学
单细胞生物的生长曲线,像液体培养的酵母菌,是以细胞数目或干重的对数相对于时间作图。
在这个典型的生长曲线中分为五个时期,即延迟期(lagphase)、指数期(exponentialphase)、减速期
(decelerationphase)、稳定期(stationaryphase)和衰亡期(decliningphase)。
在指数生长期中生长的速率叫做比生长速率(卩)
假若知道在任何一个时间(to)的细胞数目(No)的logio值和t时间细胞数目(Nt)的logio值,那么卩值可以通过下列公式计算:
logeNt-logeNo=-(t-to)
2.303
2.303是自然对数的底。
这一公式重写即为:
(logioNt-logioNo)2.3O3
[1=
(t-to)
啤酒酵母在30C1的近似值为0.45h-1,g=1.54h,产朊假丝酵母中,在30C时i=0.40h-1,g=1.73h。
在丝状真菌中也有一个生长的指数。
像我们前面讲到的菌丝生长单位与菌丝的顶端数目和菌落中菌丝体的长度相关。
以菌落做为一个整体来平均,真菌生长做为一个假设的单位,那么在一定时间内由一个产生两个,由两个产生四个,依次时间间隔生长下去。
在如下的丝状真菌中,1max和g值已经被计算:
粗糙脉抱菌(在30C时),1=0.35h-1,g=1.98h禾谷镰刀菌(在30C时),i=0.28h-1,g=2.48h
两性绵霉(在28C时),卩=0.80h-1,g=0.87h尽管这些真菌的倍增时间不像细菌那样(倍增时间的范围在0.14-0.75g),而与酵母菌相比并不逊色。
这些比率显示了适当的条件下真菌生长相当快,然而丝状真菌的生长单位不是分离的,而是形成立体的菌落,所以在许多方面生长的模式势必与时间呈立体关系,而不是指数关系。
第二节单细胞真菌的生长
丝状真菌的生长是以顶端细胞延长的方式进行的非丝状真菌例如酵母菌的生长借助裂殖和芽殖两种方式增加细胞数目。
一、酵母菌的生长方式
(1)芽殖酵母菌的出芽方式表现为一端芽殖、两端芽殖和多端芽殖。
多端芽殖表现为整个细胞表面都可形成芽体,如啤酒酵母。
两端芽殖表现为在细胞的两极出芽
一端芽殖总是在细胞的相同部位形成芽体,如路德酵母(Saccharomycodesludwigii)。
芽体脱落之后,形成芽体的部位上新合成的壁像汽球膨胀一样又形成一个新芽体,然后在母体和芽体之间形成隔膜,芽体与母体分离,并在母体上留下芽痕
myodoc
eelul.w!
单端出芽方式
粟酒裂殖酵母(Schizosaccharomycespombe)的裂殖
过程
(2)裂殖
这种裂殖不同于原核细胞的裂殖方式。
粟酒裂殖酵母(Schizosaccharomycespomb@
裂殖开始之前,母体的一端或两端拉长,形成一个园柱体并进行有丝分裂。
在接近母体中间的部位产生一个隔膜,然后从这一隔膜的中间劈开,产生两个相等大小的子细胞
(3)出芽的机理
酵母出芽生长的机理已经被阐明,酵母细胞在它
出芽之前必须达到一定大小,在早期出芽的部位有大量原生质的泡囊聚集,而且这些泡囊含有细胞壁生长的水解酶和合成酶,微管也排列在这一区域,可能是起到泡囊向出芽部位流动的作用。
酵母菌的生长借助顶端生长和赤道扩张(equatorialenlargement)相联合的方式
在芽体的细胞壁中应用放射自显影技术证实了葡萄糖掺入到壁的葡聚糖中。
酵母细胞壁中的另一主要成分甘露糖同样也掺入到甘露聚糖中。
沉积(A),
在沉积的部位很快建立起顶端生长,随着芽体的扩张,泡囊束向外展开,随之泡囊沉积的甘露糖由顶部向两边展开(B-D)。
A一旦形成,体相连位形成
B-C原膜和初几丁质向心生长。
D葡聚糖-甘露聚糖的次生隔膜在芽、母体形成。
E在隔膜分开时,初生隔膜残留于母体形成芽痕,次生隔膜残留于芽体胎痕。
PS初生隔膜,SS次生隔膜,BuSc芽痕,BiSc胎痕
几丁质仅在隔膜上出现,近年来注意的焦点是几丁质合成的机理
几丁质合成是在一个特殊的部位和生活循环的特殊周期被触发的。
啤酒酵母中几丁质的合成是限定在原生质膜上,参与合成几丁质的酶是无活性的或是以酶原的形式存在于膜上。
Cabib等人(1973)认为泡囊携带激活因子与母体和芽体接合部位的原生质膜融合,
这个部位几丁质合成酶被激活。
在隔膜形成过程中,这一被定位的几丁质合成酶可被其它的多糖合成酶所替代,
例如,3-葡聚糖合成酶存在于原生质膜内,且在芽体生长时变的活跃,是ATP和GTP
刺激这一合成酶的活化,这可能是酵母出芽过程中重要的调节物。
二、酵母菌的生活史
学习酵母菌的生活史类型,对于正确认识酵母菌所具有的特征以及正确认识现代生物学对酵母菌的要求是重要的,必须了解其经典的研究历史才能理解酵母菌研究的现代意义和其未来所占有的位置。
A、单倍体细胞在生活史中占主要地位,称为单倍体型。
以八抱裂殖酵母(Schizosaccharomycesoctosporus)为代1单倍体的营养细胞为长形、单核。
2.营养细胞经裂殖分为两个子细胞,任何一个营养细胞都有成为配子囊的潜能。
3.在有性生殖过程中,两个细胞相接触,接触点的细胞
壁溶解而形成接合管。
4.两个单倍体的核在加宽的接合管部位融合而形成合子,合子亦变为子囊(2n)。
5.融合的二倍体核在子囊中经减数分裂而形成8个子
核,每个子囊抱子由一个子核变成。
6.子囊抱子被释放后具有营养细胞的作用,通过裂殖形成新的单倍体营养细胞。
B、双倍体细胞阶段在生活史中占主要地位,称为双倍体型。
以路德类酵母
(Saccharomycodesludwigii)为代表。
1.营养细胞为双倍体,只是在有性生殖时形成的子囊抱子为单倍体时期。
2.子囊抱子没有被释放前,在子囊内便结合(质配和核配)形成合子,合子并不立即进行减数分
裂。
3.以芽殖的方式生出许多双倍体的营养细胞,这个阶段延续很长时间,最后双倍体的营养细胞变成子囊,
4.进行减数分裂而产生单倍体的子囊抱子,这个阶段占用的时间很短。
因此子囊抱子代表了生活史唯一的单倍体时期。
C、单倍体营养细胞与双倍体营养细胞在生活史中占的地位相等,即为单、双倍体型。
以酿酒酵母
(Saccharomycescerevisiae)为代表
1.酿酒酵母是异宗配合的,每个子囊中的子囊抱子一个代表接合型a,另一个代表接合型a.
2■当a系细胞与a系细胞相结合后形成合子,合子以出芽
方式形成二倍体的营养细胞。
3.经过数代双倍体细胞之后,二倍体细胞核进行减数分裂而形成子囊孢子。
4.子囊孢子以出芽方式形成单倍体的营养细胞。
5.单倍体细胞也具有a型和a型之分。
若两个a型细胞或是两个a型细胞结合形成二倍体细胞时,其接合型细胞分别为a/a或a/a,则没有形成子囊抱子的能力,也就是说子囊抱子形成时构成a/a的异型
接合是非常重要的。
第三节丝状真菌的两型生长
许多真菌依赖环境条件而具有改变其形态的能力,可以从菌丝型(M型)转变为类酵母型(Y型),这种生长习性的转变我们称为两型现象(dimorphism)。
在接合菌、子囊菌、担子菌和半知菌类中都有存在,一些人体病原真菌也呈现出两型现象,寄生在体内呈酵母型,腐生时呈菌丝型,
从实践的观点看来,了解两型转变的机理是非常有意义的。
两型真菌可根据触发互变的环境因子的类型分为三类。
一、温度依赖型两型现象
巴西拟球抱子菌(Paracoccidioidesbrasiliensis又称巴西芽生菌),人体真菌病。
37C下生长呈酵母型
20C下生长呈菌丝型这两型的主要差别是细胞壁的构成不同:
类酵母细胞中壁多糖主要是a-1.3-葡聚糖,
菌丝型中是B-1.3-葡聚糖。
当培养温度从37C到20C替换时,a-葡聚糖合成减少,而B-葡聚糖合成增加。
在菌丝型细胞中B-1.3-葡聚糖酶比酵母型细胞中的高
在酵母型细胞中a-葡聚糖在外层,几丁质在内
层,在37C时菌体内由于葡聚糖酶活力减弱,在减弱的部位突生出一个芽体,进行球形生长,所以出现酵母状细胞
而在20C时,B-葡聚糖酶活性增加,芽体突出后进行顶端生长,这主要是因为新壁合成中B-葡聚糖增加的缘故
—KL丁屋
—=逵乜虞
B「葡■椅
-為罷祷
(Paracoccidioidesbrasiliensis)
产生类酵母型和菌丝型菌体假说的示意图
、温度和营养依赖型两型现象
荚膜组织孢浆菌(Histoplasmacapsulatum)
在37C下生长呈酵母型,
25C时菌体呈丝状
但是当温度变化时菌体由M型变为丫型或丫型转化为M型都不充分,
需要其它的因子,例如,半胱氨酸、胱氨酸或者细胞处于较低的氧化还原电势等。
如何发生转变的呢?
1巯基的作用已经进行了较完全的研究,
例如在白假丝酵母中,细胞壁的主要成分是糖蛋白-甘露聚糖复合物,
Y型
糖蛋白一甘露聚糖
SH
在M型中认为是以二硫键桥交联而在丫型中不发生交联,如下所示:
M型
蛋白质二硫键还原酶
S~
s还原型氧化型
黄素-重金属黄素-重金属
糖蛋白一甘露聚糖复合物复合物
在荚膜组织抱浆菌中,
在37C和25C下类酵母体和菌丝体中用标记的35S—胱氨酸进行了比较,
发现利用胱氨酸的菌株不能由酵母型转变为菌丝型,所以胱氨酸的吸收对于转变成酵母型细胞并非必须。
这在白假丝酵母菌中也得到了证实。
因此,对于主张二硫键桥和二硫键还原酶作为两型现象的中心似乎不再有利。
2•然而在对催化胱氨酸还原为半胱氨酸的胱氨酸还原酶进行研究时发现,该酶定位于质膜上,在温度从25C向37C转变时该酶存在于酵母型细胞中,似乎胱氨酸还原酶的存在是维持酵母型细胞所必须的,
假若用胱氨酸还原酶抑制剂处理细胞,那么在37°
C下菌体仍然呈菌丝状,因为该酶能够引发细胞内巯基集团水平的增加,这是菌丝型向酵母型转化所必须的。
3•在从菌丝型向酵母型转化过程中,对细胞内的呼吸作用进行了研究,当温度增加时,细胞的呼吸快
速增加,细胞内的半胱氨酸和其它氨基酸水平也增加,这可能是温度诱导了胞内氧化还原能力的提高。
当呼吸完全停止时外源的半胱氨酸是必须的,显示出半胱氨酸能活化线粒体的呼吸。
因此,细胞内的半胱氨酸和其它氨基酸的浓度对菌体形态上的转换是完全需要的,所以半胱氨酸的存在对于活化呼吸和维持酵母状形态是一种保证。
三、营养依赖型两型现象
白假丝酵母(C.albicans)和鲁氏毛霉(M.rouxii)主要是由营养条件所控制
白假丝酵母当在葡萄糖培养基中生长时,无论37C或
25C均呈酵母状菌体,如果把它们转移到不容易代谢的碳源,如淀粉或糖原培养基上时便形成菌丝型菌体。
半胱氨酸抑制白假丝酵母从酵母型向菌丝型转换时,并不抑制M向Y型转变。
微克分子浓度的锌在25C时也抑制菌丝形成,但在37C下不抑制。
许多毛霉的种也表现为营养依赖型的两型现象,关键的因子是已糖和CO2。
例如,鲁氏毛霉当CO2缺乏而进行有氧和无氧培养时,菌体呈丝状,
在无氧下CO2水平达30.4kPa或在有氧下达91.2kPa时,菌体呈酵母状。
已糖的浓度也是一个重要因子,
在无氧下,CO2为30.4kPa,培养基中葡萄糖浓度低,菌体呈菌丝状,
培养基中葡萄糖浓度高时形成酵母状菌体。
实事上,当葡萄糖浓度足够高时,CO2对酵母状发
育并非是必须的。
果糖、甘露糖和半乳糖也能刺激酵母状菌体的发育。
在有氧条件下仅形成丝状体,已糖的水平此时并不重要
第四节真菌生长的测
真菌大都是丝状的,因此,它的生长量的测定不同于细菌等单细胞生物。
酵母菌是单细胞的真菌,其生长量的测定方法则与细菌相同。
丝状菌的生长主要是指菌丝体的生长量,菌丝体的生长量大体有以下几种测定方法
,、直线生长的测
直线生长的测定目前主要应用下述三种方法
(一)菌丝生长的测
图5-14
图
(二)菌落生长速度的测定
测定菌落的半径或直径来表示生长的快慢是比较简便的方法。
常用的方法是将待测菌株点种于培养基平板上,每隔一定时间测量菌落的半径或直径。
如以时间和生长量作曲线,在一定限度内生长量与时间成直线关系。
(三)直线生长速率的测定
这一方法使用并不广泛。
它是在“U”形培养管中进行的。
培养管长40厘米,内径约1.3厘米,在两端5厘米处弯成45。
角,
ffls-isU舉培养管示意圏
二、测定菌丝干重法
液体培养真菌的生长期完成后,过滤菌丝、洗涤、离心、烘干、称量干重。
也可以采用测定菌丝湿
重法,把烘干步骤省去。
但无论测定干重或湿重,大都用于工业发酵过程的检测。
真菌的生长还可用间接的方法测定,如全氮量和核糖核酸的分析,一般干的菌丝体含氮量是4.5-8.5%,核糖核酸是2.0-4.0%。
另外,还可以分析培养基中糖的消耗量、氧的吸收量等作为测定生长量的指标。
这些方法大都是工业生产中所采用的方法。
第五节环境因子对生长的影响与极端环
境的耐受性
真菌生长除了需要一定的营养物质外,还需要一定的环境条件,例如,一定的温度、湿度、pH和光照
等。
每种环境因子对生长都有最适点、最高限和最低限,超过高限,低于低限,真菌都不能生长。
实际上,有少数真菌对极端环境有很强的耐受性。
、水
水分对于真菌生长像其它有机体一样是必须的。
作用:
真菌通常在它的细胞周围需要一层水膜,以便于营养的吸收和酶的扩散。
太多:
有害,不能形成孢子,厌氧;
太少:
极难生长,因为细胞壁对水的可渗透性,生长中的真菌对干燥特别敏感。
真菌要在高湿条件下生长,一般以相对湿度
(relativehumidity)表示。
在相对湿度95-100%条件下生长良好,
相对湿度降至80-85%,真菌生长缓慢甚至停滞,少数真菌能生长在相对湿度65%的条件下。
大多数真菌不耐高渗透压环境,食品工业用这一方法防止食品腐败,
例如,肉类、水果或果酱里加入高含量的糖或盐就能防止真菌生长,
通常糖的浓度达到50%以上,糖渍,
盐的浓度达到20-50%,盐渍。
二、温度
一般真菌生长的最适温度为20-30C,但也有例外。
从温度角度可将真菌分为以下三类:
⑴嗜冷菌,可在10C以下生长。
如枝孢属(Cladosporium)和侧孢属
(Sporotrichum)的种的株系能够生活在-5〜-8C
(2)适温菌,可在10-40C下生长,大多数真菌是适温菌,
一般生长的最适温度为25-35C;
(3)喜温菌,可在40-60C下生长。
如粪污鬼伞(Coprinusfimetarius)的某些株系最适生长温度是40C,能在44C下生长。
一般真菌的致死温度是50-60C(在湿热条件下),但是有些木腐真菌的致死温度高达105C,12小时后才能致死。
由于真菌长期生长在自然环境中,有少数真菌对极端的自然环境产生了一定的耐受性。
嗜冷菌主要生长在较冷的气候条件下,但是它们也能生长在温暖的地区,
例如枝霉(Thamnidiumelegans),
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- 真菌 生长