6微生物的分化和发育

微生物的分化和发育分化：是指细胞在一定的条件下，朝不同方向发展，使其形态结构，生理功能发生一系列的变化，最终导致一种细胞转变为另一种细胞的过程。微生物的分化一般只发生在细胞水平，只有少数种类的微生物会由分化细胞形成分化组织。发育：生物体经过生长和发育使机体由小到大，由简单到复杂，由性不成熟到性成熟的过程。微生物的发育阶段远不象动植物那样清晰可辨，因此可以把微生物的发育定义为使机体进一步复杂化的过程。对于单细胞的微生物来说，个体生长的过程或个体生长与分化的过程都可被认为是发育；而对于多细胞的微生物来讲，发育包括了生长、分化、性成熟，甚至多细胞结构（如子实体）形成的全部过程。微生物的分化和发育均受环境条件启动，由特定基因控制，在一系列有序的生理生化反应基础上表现出形态的变化。微生物的分化和发育主要分为三种类型：营养体的分化，孢子形成和多细胞结构的发育和分化。第一节营养体分化在一些微生物中，常看到一种形态的营养细胞转变为另一种或几种形态的营养细胞，这一转变过程称为营养体的分化。节杆菌细胞的分化根瘤菌细胞的分化丝状蓝细菌的形态分化酵母菌的二型态1.1节杆菌细胞形态的转变节杆菌是一类中温型的专性好气菌，广泛分布在土壤中，也常见于活性污泥中和植物体上。营异养生活，能够分解纤维素、木质素和芳香族化合物。1、节杆菌的形态分化节杆菌营养体的分化节杆菌的细胞直径一般在0.4-0.8μm之间,但其形态却随营养条件的变化而改变。幼龄菌体完全或大部分是杆状或不规则杆状，有鞭毛，能运动；老细胞则缩短为球形或类球形，无鞭毛，不运动。细胞形态转变过程：诱导阶段，杆状阶段和回复阶段。节杆菌细胞形态转变过程诱导阶段(0-5h)球形细胞接触到新鲜培养基，代谢活力增强，细胞形态转变，变成无鞭毛的杆状细胞。杆状阶段(5-16h)无鞭毛的杆状细胞长出鞭毛并运动，代谢活力旺盛,生长迅速。如果营养与其他条件适宜，这个阶段可延续到24h以上。在这个阶段的后期，有些细胞的鞭毛开始脱落。回复阶段(16-24)生长条件不适宜时，鞭毛脱落，细胞由杆状变为球形。节杆菌的生活史1.2节杆菌的细胞壁成分与结构通常认为，细胞形态是由细胞壁所决定的。节杆菌细胞形态的转变必然涉及到细胞壁成分和结构的改变。Conn（1928）对节杆菌不同形态的细胞作过革兰染色，发现球形细胞为革兰染色阳性，而杆状细胞为革兰阴性。后来的研究发现，球形细胞与杆状细胞的细胞壁厚度明显不同。球形节杆菌球形细胞的细胞壁平均厚度为31nm，杆状细胞的细胞壁平均厚度为22nm。节杆菌球形和杆状细胞的区别球形细胞杆状细胞革兰氏反应阳性阴性细胞壁厚度厚，31nm薄，22nm肽聚糖多糖链短，40长，114-135肽聚糖短肽交联度少多短肽交联方式由二苷肽相连直接相连鞭毛无有DNA较低较高（X2）RNA较低较高（X3）蛋白质较低较高（X3）cAMP水平高低肽聚糖裂解酶活性高低1.3节杆菌形态转变的调控环境条件如温度、pH、氧气对两种细胞形态的转变没有大的影响。形态的转变主要受营养条件的控制，球状节杆菌在葡萄糖-无机盐培养基上生长时，生长缓慢，有较大的延缓期，细胞呈球形；当其生长在含有蛋白胨、有机酸（如乳酸、苹果酸或琥珀酸）、或氨基酸（如精氨酸、赖氨酸、苯丙氨酸）的葡萄糖-无机盐培养基上时，延缓期短，生长迅速，细胞呈杆状。遗传学调节机制有待进一步研究。2、根瘤菌的形态分化在土壤和根部的入侵线中，根瘤菌细胞为无固氮能力的杆状。当根瘤菌从入侵线被释放出来后，杆状细胞逐渐膨大并发育为类菌体。类菌体有膨大的棒状，梨状，球状和星状等形态。类菌体体积大于正常的根瘤菌细胞。类菌体含有高活性的固氮酶。2.1根瘤菌形态转变的细胞学基础根瘤菌由正常的杆状细胞转变为类菌体，主要由于它们的细胞壁成分及结构发生了变化。在细胞壁的这三层结构中，肽聚糖层对细胞形态的影响最大。在杆状细胞细胞壁的外面还具有一层丰富的粘质层，构成这些粘质物的基本成分是胞外多糖。每个杆状细胞含有一个环状的核DNA，但可以含有一到多个质粒DNA。这些遗传物质一起控制着根瘤菌的遗传性状，包括感染植物、类菌体发育和固氮作用等特性。一旦根瘤菌的杆状细胞转变为成熟的类菌体之后，细胞结构就发生了较大的变化。类菌体细胞壁的硬度，厚度及透性发生变化。在外层膜上出现了许多颗粒状物质。意味着类菌体细胞壁部分地失去了肽聚糖之类的大分子物质。快生型根瘤菌的类菌体，核物质以纤维状分散在细胞中，慢生型根瘤菌则有一个位于细胞中心的高度密集的拟核。类菌体的DNA含量高于相应根瘤菌的DNA含量。RNA/DNA和RNA/蛋白质的比率都低于根瘤菌杆状细胞。3、丝状蓝细菌的形态分化丝状蓝细菌是一类碳源、氮源均能自养的多细胞原核生物。它的丝状体实际上是以一定方式串生而成的细胞链。在细胞链中，营养细胞为主体细胞，但在一定的环境条件下可以分化出一些特殊形态、特殊功能的分化细胞，如异型胞、静止细胞、分枝细胞和细长细胞等。这些分化细胞与营养细胞的协调配合，构成了丝状蓝细菌整体代谢的统一性，使之成为既能进行光合作用又能进行固氮作用，还能抵御不良环境的多功能自养生物。3.1异形胞的分化将丝状蓝细菌接种在含有铵盐或有机氮的培养基上，机体以二分裂的方式生长繁殖并且只形成一种形态的细胞，即营养细胞。丝状蓝细菌的营养细胞具有典型的原核光养菌的细胞结构。细胞外面有着一层在光学显微镜下不易分辨的粘质层。紧贴粘质层的细胞壁分三层，其组分和结构与其它革兰氏阴性菌的细胞壁基本相同。营养细胞无固氮能力，但能进行光合作用。当生长环境中缺乏氮源时，特定的营养细胞就分化发育为具有固氮能力的异形胞。与营养细胞相比，异形胞的细胞结构发生了较大的变化。在异形胞细胞壁的外面有一种由薄片层、同质层和纤维层组成的复杂结构；这种复杂的胞外结构对异形胞的包围是不完整的，在与营养细胞的连接处留下缺口，被称为小孔通道；在异形胞和营养细胞之间还有微小胞间联丝通过。异形胞结构及其与营养细胞的关系4、酵母菌的二型态所谓二型态（dimorphism），是指在不同的生长条件下，一些真菌的营养体呈现出两种不同的细胞形态，即丝状形态（mycelialform,M型）和酵母状形态（yeastform,Y型）。这两种形态在一定条件下可以相互转变，转变之后，它们的细胞结构，代谢途径、生长方式及其他生物学特性都会发生一定的变化。Candidiasisalbicans念珠菌4.1酵母菌的二型态许多酵母菌在一定的生长条件下为单个的卵圆形细胞，改变生长环境则形成长型的或假丝状的细胞。白假丝酵母生长在含有葡萄糖的丰富培养基上时，细胞形态一般为Y型，但以多糖为碳源和能源的培养基上生长时，细胞呈M型。影响酵母菌二型态转变的理化因子中，葡萄糖、铜离子、制霉菌素及较低的培养温度（30℃）等有利于Y型细胞形成；多糖、血清、N-乙酰-D-葡萄糖胺、精氨酸、cAMP、高浓度的生物素和较高的培养温度（40℃）等因子可诱发Y型细胞向M型细胞转变。第二节孢子形成许多微生物在不大适宜营养生长的条件下可以产生一种特化的细胞形态，即孢子。如芽孢杆菌的芽孢，蓝细菌的静止孢子，放线菌的分生孢子，毛霉的孢囊孢子，白地霉的节孢子，白假丝酵母菌的厚垣孢子，黏细菌的粘孢子，腐霉的卵孢子、根霉的接合孢子、子囊菌的子囊孢子，担子菌的担孢子等。孢子的种类繁多、形态各异。从生态学角度，所有的孢子都是有机体对不良环境条件反应的结果。孢子细胞具有厚厚的外壳（或胞壁）、浓缩的细胞质和极低的代谢活性，使得孢子具有更大的抗性，能长时间在自然界存活，以待环境条件改善后再生。从生理学角度，除少数内生孢子（如芽孢、静止孢子等）有些勉强外，其他的孢子都是繁殖体，其中的一些是无性繁殖体（如分生孢子、节孢子等），而另一些是有性繁殖体（如卵孢子、结合孢子、子囊孢子、担孢子等）。它们会使种族繁衍、数目增多。1.1芽孢某些细菌在其生活史的一定阶段，于营养细胞内形成一个圆形、椭圆形或圆柱形的结构，称为芽孢。因为细菌芽孢都形成在菌体内，故亦称内生孢子(endopsore)。含有芽孢的菌体细菌称为孢子囊(sporangium)。芽孢成熟后可脱落出来。生成芽孢的细菌多为杆菌，球菌和螺旋菌仅少数种能生芽孢。一般一个细胞仅有一个芽孢，但也有少数细胞有2个。芽孢的着生位置、大小、形状因种而异，可作鉴定依据。芽孢有比较厚的壁和高度的折光性，在光学显微镜下观察芽孢为一透明小体，由于普通碱性染料不易使芽孢着色，通常采用特殊的芽孢染色以便于观察。利用电子显微镜，不仅可观察到芽孢的表面特征，还可观察到一个成熟的芽孢具有核心、内膜、初生细胞壁、皮层、外膜、外壳层及外孢子囊等多层结构。芽孢示意图1.2芽孢的特性芽孢含水量低，使核酸和蛋白质不易变性。芽孢的酶组成型与营养细胞也有差别，芽孢只含有少量酶，并处于不活跃状态。芽孢的抗热性也与芽孢内具抗热性的酶有关。抵抗力强大，抗高温，抗干燥，抗低温。芽孢没有繁殖意义，仅是一个休眠体。含有高量的2，6-吡啶二羧酸（Dipicolinicacid,DPA),在营养细胞和其他生物细胞中不存在。芽孢在适宜的条件下可萌发。萌发时酶活性发生改变、抗逆性和DPA丧失。1.3芽孢的形成轴丝形成在营养细胞内，分开存在的两个染色体首先发生构型变化，即两个染色体聚集在一起，以致密发育的形式，逐渐成为一个连续的、位于细胞中央的轴丝状结构，并通过中间体与细胞膜相连接。有人认为这是芽孢早期所具有的特异结构，是抗辐射的物质基础。隔膜形成在接近细胞一端处，细胞膜内陷，向心延伸，产生隔膜，将细胞分成大小两部分。与此同时，轴丝状结构也分为两部分。前孢子形成在细胞中，较大部分的细胞膜围绕较小部分迅速地继续延伸，直至将小的部分完全包围到大的部分中为止。这个新形成的细胞(结构)称为前孢子(forespore)。此时前孢子由两层极性相反的细胞膜组成，其中内膜将发育成为营养细胞的细胞膜。皮层形成由于前孢子迅速进行合成作用，新形成的物质沉积于前孢子的两层极性相反的细胞膜之间，逐渐发育形成皮层(corter)。与此同时，随着2,6-吡啶二羧酸(dipicolinicacid，简称DPA)的合成，Ca2+的吸收，出现DPA-Ca复合物；而且在前孢子的外面也开始形成外壳层。此时的皮层，似乎变成了一种呈现出条纹的多层结构。孢子外壳层的形成在皮层形成过程中，前孢子外膜表面合成外壳物质，并沉积于皮层外表，逐渐形成一个连续的致密层。在外壳中含有非常多的半胱氨酸和疏水性氨基酸，并且继续积累DPA和Ca2+。芽孢成熟芽孢合成过程全部完成，此时芽孢具有了很强的抗热性和特殊结构。芽孢的释放孢子囊壁破裂(溶解)，释放出成熟的芽孢。1.4芽孢的萌发芽孢在适合的条件下可萌发（活化）。适合芽孢萌发的条件包括水和营养物质，适合的温度，氧浓度以及某些必须的条件。加热到一定温度处理几分钟或几十分钟可促进芽孢萌发。芽孢的活化是一个可逆的过程。芽孢萌发时开始吸收水分、盐类和营养物质而体积膨大（启动）。芽孢萌发时首先丧失抗性、折光性和增加可染性，耐热力和折光性逐渐降低。芽孢萌发过程中还伴随大分子细胞物质如RNA、蛋白质、DNA等的合成，因此使细胞不断长大。在细胞质内部发生了一系列生理变化，着色力增强，酶活力提高，呼吸作用加强，可看到核分裂，DPA和钙复合物外流，对外界各种不良因素的抵抗力降低。启动是一个不可逆过程。肽聚糖分解，孢子囊壁破裂，皮层迅速破坏，长出芽管，逐渐发育成新的营养细胞，直到第一次分裂为止（长出）。1.5芽孢形成的调控基因：超过125个基因的产物控制着芽孢形成过程中复杂的形态和生化变化。已鉴定和命名超过60个基因座位。启动条件⑴饥饿：碳源、氮源、磷酸盐缺乏；⑵生长发育至稳定期，如：三羧酸循环健全；⑶外部信息素：浓度足够。由spoOA，spoOB，spoOC控制。σ因子在芽孢形成过程中的级联调控Sporulationinvolvessuccessivechangesinth