课件：第七章孢子的释放、休眠和萌发.ppt

第七章 孢子的释放、休眠和萌发,2019,-,1,真菌的孢子由于处于生殖发育循环的终点，并且具有发育成新一代个体的遗传能力，使得孢子在真菌的生命循环中占据着重要的位置。 与真菌孢子直接相关的过程，包括孢子在亲本菌丝体或子实体上的形成、释放、传播、休眠、激活和萌发。,2019,-,2,第一节 孢子的释放 被动释放：真菌孢子是由环境因素的压力被释放； 主动释放：真菌孢子的释放由内在的压力推动释放。 一、真菌孢子的被动释放 1. 气流： 一些产生分生孢子的真菌类型，所产生的孢子都裸露在周围空气中，这类孢子大都由气流把它从母体吹开，使孢子得以释放。有些真菌产生杯状子实体，在杯状子实体内形成孢子，由风引起的漩涡可以携带孢子在杯状体内提升，而携带孢子脱离杯状体。在平坦表面类似的漩涡系统是不会发生的。,2019,-,3,2. 雨水：下落的雨滴如果它们落到真菌上，在溅落过程中逐出孢子并且携带它们脱离母体，这种孢子释放可以发生在能被风逐出的干孢子类型中。 在鸟巢菌目中形成的杯状体是利用雨滴下落力量的典型结构。,隆纹黑蛋巢菌,2019,-,4,Close-up view of a splash cup of Cyathus striatus, showing (arrowheads) the funicular cord of a peridiole.,隆纹黑蛋巢菌,2019,-,5,隆纹黑蛋巢菌,2019,-,6,腹菌纲的一些菌，在雨滴下落时使子实体的包被承受一定压力，迫使孢子通过包被上的小孔喷出而释放孢子，有时可上升23cm的高度。,2019,-,7,Puffball Lycoperdon pyriforme expelling spores.,2019,-,8,二、真菌孢子的主动释放 许多真菌的子实体往往具有某种特殊的发射机构。 (一) 爆发机制 在主动释放的爆发机制研究中，水玉霉是一个典型的代表。水玉霉生於草食动物的粪便上。,2019,-,9,主要结构： 孢子囊 孢囊下泡 大液泡 顶部有一乳头状突起支撑孢子囊 孢囊梗 营养囊,2019,-,10,水玉霉中孢子囊的主动释放是与向光性反应密切相关的，是在光的感应下产生的这一释放机制，而这种光反应是由孢囊下泡控制的。 孢子囊成熟时，孢囊下泡极端膨大，内部达到约5.6xl05 Pa (5.5个大气压)，孢子囊从脱落区(囊轴周围)断裂，液泡中的液体以14ms，如果是水平方向释放，释放距离大约2m。而孢子囊上的晶体令孢子囊降落時遇底物可打滚，转而将附有体液的一面牢固地依附在底物上。,2019,-,11,2019,-,12,在子囊菌中，子囊孢子的释放大都归类于爆发式排放。在子囊中具有较强的压强，子囊中存在的大量的糖原，糖原转化为可溶性的糖，与盐类一起增大了子囊的渗透浓度，据推测粪生粪壳的子囊中液体的浓度大约有1.01106 3.03106Pa(10 30个大气压)，子囊中的压力可能是由于雨水的直接吸收或粘性物质的膨胀而致，不管压力产生的机制如何，压力存在的结果导致子囊从已有的小孔或裂缝处打开，并使子囊孢子剧烈地弹出，弹出的距离通常在0.52cm之间。,2019,-,13,(二)担孢子的强制释放 担孢子的强迫式释放发生在担子菌的层菌纲的大多数种中，而腹菌纲的种很少有这一机制。 产孢结构：菌褶、菌齿、菌管。 子实层的垂直定位与子实体的向地性相关，菌褶、菌管和菌齿将位于轴线上，例如一个伞菌在倾斜的表面上生长时，小梗可以弯曲与菌褶垂直，创造一个孢子在弹射后自由下落的空间。,2019,-,14,2019,-,15,A mauve-brown basidiocarp of Boletus scaber (10 cm diameter), growing as a mycorrhizal associate of birch trees. The underside (right) shows that basidiospores are produced in pores, not on gills, giving rise to the common name for these fungi the polypores.,2019,-,16,强迫式发射结构： 担孢子 脐 水滴 担孢子小梗 担子 担孢子从子实层中被弹射到菌褶、菌管间的自由通道中孢子大约被弹出11.5 mm，改变方向，自由下落，直到接触外面的空气，被空气湍流带走。如果子实层倾斜，下落的孢子将被邻近的子实层所阻碍。,子实层,2019,-,17,2019,-,18,2019,-,19,(三)外翻机制 弹球菌属(Sphaerobolus)是一种生长在腐木或食草动物粪便中的一种腹菌。通常有12mm的直径。在成熟期，菌体外被顶端分裂呈星状，并且向后折叠使产孢体暴露，产孢体以类似弹射的机制被突然弹出，它是已知的最大的真菌弹射体。打开外包被并且弹射产孢体一般都发生在每天的上午。 弹球菌(S.stellatus) 的产孢体由六层包被所包围(图9-5)，最里面的三层对产孢体的弹射起着关键作用， (6)为最内层，是由一层拟薄壁组织包围着产孢体， (5)是由棱形细胞组成的栅栏层。 (4)为一层纤维层 (1，2，3层)外层周皮 外翻过程：所包围弹球菌外包被开裂前，紧邻产孢体的拟薄壁组织变软而液化，使产孢体与外层包被分离，并且起润滑的作用。另外第(4)层的外围的纤维变软而液化，使第(4)层的剩余部分与外层周皮(1，2，3层)之间产生一个空隙。这时栅栏层细胞开始从上下层液化的细胞中吸收水分而膨胀，使星状开裂的外周向外弯曲，造成一种牵引力施加于栅栏层;当栅栏层膨胀达到一个极限值时，栅栏层的胀力和外周皮形成的牵引力使栅栏层突然向里翻转，将产孢体抛出。,2019,-,20,2019,-,21,第二节 孢子的传播 孢子依靠空气、水、动植物宿主被动传播到一个合适的环境中，然后萌发以维持种的生存。因此，传播对真菌来说是非常重要的。 一、空气传播 大量的真菌孢子释放到空气中并由空气传播，使每立方米的空气中的真菌孢子数量达到20万个。空气中的孢子数量随着现有条件的不同而变动，尤其是在雨水清新的空气中真菌孢子的数量更大。 真菌孢子释放的周期性可能与环境节律（光周期反应的节律性或相对湿度）的影响相适应 。 锈菌 夏孢子 白天成熟，中午风最大时空气中夏孢子的数量最大； 锈孢子 夜间释放，较高的相对湿度有利于锈孢子的释放。,2019,-,22,二、水传播 低等真菌大都是水生真菌 壶菌纲和卵菌纲的菌，这些真菌产生游动孢子，可以在水中游动。然而游动孢子的游动是无力的和随意的，并且由强水流或水的任何运动而被动的随水流动。 产生不游动的孢子，主要是半知菌中的一些种类。通常生长在快速流动、换气良好的小溪底部的植物叶片和水底碎片上，大多数的这类真菌产生具有四足的孢子。这些孢子大量聚集于小溪的浮渣和泡沫中，尤其是晚秋和冬天。因为孢子随激流运动，孢子的不规则形态能够使其在基物上停稳或缠住。 许多陆生真菌的孢子大都以空气传播，而带有粘液的孢子，下雨的天气通过雨点打击形式带着孢子溅开。,2019,-,23,2019,-,24,三、动物传播 各种动物，包括人类在内都是孢子传播的生要媒介。动物通过与真菌接触，从而皮肤、毛发、爪子等均带有孢子。动物可通过食用孢子果或带有孢子的植物。 动物传播真菌孢子的主要方式： 1.真菌和传播动物具有共同的栖息地。 2.气味吸引动物。臭味、甜味及其它特殊味道。 3.将孢子弹射到可食植物上。,2019,-,25,Phallus impudicus, the stinkhorn, about 12 cm long.,2019,-,26,第三节 孢子的休眠 孢子是真菌无性和有性循环的产物，真菌孢子成熟后从亲代脱离出来就具有繁殖能力，而有些孢子在萌发前需要进入一个休眠期。休眠是真菌生活史中的休息阶段，是器官表型发育的一个可逆的中断。 外源性休眠：一些孢子由于不适应环境条件而不能繁殖，但一旦外部条件合适繁殖就会进行。 内源性休眠：在理想的条件下也不能繁殖，这类孢子需要一个相当长的休眠期，或者用特殊的处理来激活它的繁殖能力。 （与动植物比较）,2019,-,27,一、外源性休眠 孢子的外源性休眠并非是孢子本身不能萌发，而是不适宜的外部环境条件迫使孢子延迟萌发，其好处是在适合生存的条件下，以保证孢子高效地传播，提高其在基物上生存的机会。 造成外源性休眠的原因主要有以下四种情况。 1真菌孢子在不适合的温度、湿度、氧气和pH下是不能萌发的。除此之外，某些真菌需要额外的条件才能使其萌发，例如高强度的蓝光和白光能刺激黑曲霉分生孢子的萌发； 高浓度的C02能促使构巢曲霉的分生孢子萌发，而对其他的真菌如紫黑斑发癣菌和豆刺盘孢孢子萌发受光和C02抑制。因此，在分析休眠孢子的化学成分时要注意，像黑根霉等，即使分生孢子放入水中很短的时间(30min)，其代谢活性也可被激活而导致化学成分的改变。,2019,-,28,2一些种类的外源性休眠孢子，它们往往需要不同的营养物质来萌发。 青霉Penicillium griseofulvum ，它的分生孢子绝对需要葡萄糖来起始萌发； 齿孢腐霉Pythium hydnosporum的卵孢子在蒸馏水中萌发，而向水中添加营养物时萌发的百分比增大。 粗糙脉孢菌的孢子萌发是进行选择性营养控制的有趣的例子。萌发实验是在一个含有碳源、无机盐、微量元素和生物素的基础培养基上进行的。 通过对培养基中单一盐类的实验得知， MgS04对孢子萌发影响最大 KH2P04、NH4NO3的缺乏可导致萌发的延迟， 微量元素ZnS04的缺乏对芽管的生长影响最大。,2019,-,29,3由存在于环境中的抑制剂所决定。 这些抑制化合物存在于植物中，其功能相当于植物拮抗病原真菌侵入的抵制因子，防止孢子萌发侵害植物。多苯环状化合物是一类相当重要的抑制剂，如羟化肉桂酸及其衍生物，以单体或更复杂形式广泛存在于植物中，有人测定了25种肉桂酸衍生物对咖啡锈菌夏孢子的抑制效应，结果发现一半以上的化合物是孢子萌发的抑制效应，结果有些抑制化合物，如植物抗毒素是寄主植物对真菌侵染的反应产物，通常是复杂的酚化合物，它们主要是限制孢子萌发和各种组织的生长。,2019,-,30,4由于非寄主生物的存在与真菌孢子竞争营养或产生毒性物质抑制真菌孢子的萌发。 真菌孢子萌发时与其共存的微生物如细菌，可和真菌孢子竞争萌发所必需的营养物。有时向土壤中增加真菌孢子的数量不仅会抑制真菌孢子的萌发，相反还会导致土壤中细菌数量的增加。 细菌依靠真菌孢子在水化时释放的化合物而生长，同时这些化合物一般都是供孢子萌发所需要的。(水、葡萄糖) 细菌产生抑制真菌孢子萌发的化合物，主要是挥发性的碳氢化合物，如丙烯、乙醇、乙烯以及许多未确定的化合物被证明为抑真菌剂。这些化合物可通过直接干扰萌发过程的某个关键步骤或间接通过对营养物的吸收与代谢的影响而起作用。许多杀真菌剂，尤其是抗真菌抗生素，杀菌机制大都是对真菌孢子萌发产生影响。,2019,-,31,二、内源性休眠 内源性休眠孢子主要是由于内部的，而不是外部的因素影响其萌发。目前已提出三种基本机制解释这种类型的休眠，即渗透性、自身抑制因子和代谢损伤。 (一)渗透性 某些内源性休眠孢子休眠的原因可能是萌发所需的物质，如营养物、水、氧气或其他化合物不能进入细胞。因此，能改变细胞膜通透性的因素可以刺激这类孢子的萌发。 某些化学物质可以改变细胞膜的通透性，如二甲亚砜，能刺激粉瘤菌的孢子萌发及盘基网柄菌孢子的膨胀。 热激活效应也能改变膜的通透性，盘基网柄菌的孢子在40培养5min可刺激萌发，经过热处理的孢子在6075min后开始膨胀，放射性标记证实热处理后30min内膜的通透性发生变化，导致质膜中颗粒分布发生变化，说明热处理后膜的结构和功能特性发生微妙变化，是膜的透性变化触发了与萌发相联系的一系列过程的发生。,2019,-,32,(二)自身抑制因子 某些真菌的孢子含有抑制自身萌发的化合物。 高浓度的孢子比低浓度的孢子萌发率低； 用水冲洗高浓度的孢子能刺激萌发； 从洗完孢子的水中提取自身物质抑制萌发； 抑制是快速的而且易于反转。 这种自身抑制作用至少在53种真菌中进行了报道。 肉桂酸类衍生物 对自身抑制剂研究较为彻底的报道来自锈菌的夏孢子，许多种锈菌的抑制剂是肉桂酸类衍生物，10-9molL和10 -10mol L时有效，但当芽管从孢子中突出后则不再起作用。其作用机理是锈菌夏孢子壁上有芽孔，芽管通过芽孔露出，最初芽孔是被一塞子堵着，自身抑制剂阻止塞子的水解，影响了芽管的萌发。 休眠素霜霉（Peronospora tabcina)分生孢子 硫多种真菌的孢子,2019,-,33,(三)代谢损伤 内源性休眠的孢子不能萌发与代谢障碍的存在有关，可能由于呼吸或其他中间代谢途径的关键酶作用不正常，或者RNA和蛋白质合成受阻造成的。 布拉克须霉孢子的休眠因素与线粒体对丙酮酸的摄取受阻相关，热激活处理提高了线粒体摄取丙酮酸的能力，随着这一代谢障碍的克服，随后的呼吸步骤顺利进行而使孢子打破休眠。 海藻糖酶的活性在孢子被热激活后比激活前提高1015倍，这一结果说明酶活性的提高打断了布拉克须霉的休眠期。,2019,-,34,第四节 孢子的激活 对于外源性休眠只要给予适宜的环境条件就可重新萌发；对于内源性休眠要以非正常生活条件予以激活。通常需要联合处理才能收到较好的效果。激活的方法主要有以下几种形式。 一、温度处理 热处理可刺激许多种孢子的萌发，通常处理温度范围在4075之间，处理时间从几分钟到几小时不等。热动力学研究指出该种热激活的机制主要是引起蛋白质构象的改变，而不是膜结构的变化。 低温(-510)进行不同时间的预处理，也有利于孢子的萌发。 布拉克须霉的孢子属于内源性休眠孢子，需要热激活处理，除了温度条件外，孢子萌发时还需要考虑营养成分， 44 处理3min 可逆激活（reversible activation)，需快速转移至葡萄糖天冬氨酸磷酸盐培养基上。 50 处理3min 不可逆的激活作用，孢子在水中和在营养培养基上的萌发率没有什么差异。（主动运输）,2019,-,35,此外，对某些种类的孢子，乙酸可以代替热处理作为激活剂，但是乙酸激活作用可以被叠氮化合物抑制，这表明乙酸代谢也是孢子活化所必需的。,2019,-,36,二、化学试剂处理 许多化学试剂被用于活化真菌孢子，它们中大多数是裂解磷脂双分子层。因此，认为它们的作用方式是增加膜的通透性。 异戊酸是一种挥发性长链脂肪酸，它能够刺激孢子萌发，一些高等担子菌，如伞菌的休眠孢子用异戊酸处理后萌发率提高，这可能是异戊酸激活了孢子体内的三羧酸循环，从而触发了孢子的萌发。 一些真菌本身可以分泌一些化合物激活其他种类孢子的萌发，例如，长喙壳属的Ceratocystis fagacearum，可释放挥发性的乙醇和乙醛类化合物，能激活乳菇属一些种的孢子。红花植物可产生挥发性的多聚乙炔化合物，能引起红花锈菌冬孢子的萌发。,2019,-,37,三、后熟 许多内源性休眠孢子需要经过一定阶段的延迟才对激活处理有反应，这种现象称为后熟(after ripening)，后熟现象可以认为是进化的选择性，以保证孢子在萌发前完全成熟。例如腐霉的卵孢子在可育的土壤抽提液中培养六个星期后，萌发率从0增加到80以上，这说明了后熟现象的重要性。 激活处理可以加速或诱导后熟，但是显然不能代替它。有人研究了Protomycopsis的厚垣孢子，只有当孢子延迟56个月后，酸或碱处理才对刺激萌发有效，对新鲜孢子无效。,2019,-,38,四、复合处理 完成对休眠孢子的活化处理经常需要复合处理，例如交替的湿润和干燥以及交替的高低温处理常常是很有效的。辐毛鬼伞的担孢子，在45处理4h，萌发率为23，以化学试剂糠醛、噻吩或吡咯处理，萌发率为3，而两种方法同时处理萌发率为88。 被活化的休眠孢子在萌发前常常表现出呼吸率的剧增，以及由此而引起的一系列生理变化。如果能够深入地了解触发过程的生理本质，科学家们就能洞察维持孢子休眠的因素，从而可以人为的打破孢子的休眠期。,2019,-,39,第五节 孢子的萌发 孢子萌发过程大体上分为两个阶段: 孢子的膨胀期，吸水膨胀作用和新壁物质的合成导致孢子体积的增加，大多数孢子的直径增加大约23倍。 孢子的出芽过程。在鲁氏毛霉中孢囊孢子在萌发的6h内孢子直径增加了约4倍，同时观察到在萌发6h的孢子表面有许多原孢子壁的残余，芽管由新的营养细胞的胞壁突出的。,2019,-,40,当孢子膨胀和芽管突出时，可以观察到孢子内许多细胞学的变化。 在孢子萌发时先以某种方式极化（引发极化的定时机制和胞壁合成的极化机制尚不清楚。），导致泡囊在细胞壁芽管将出现的区域聚集。泡囊含有水解细胞壁所必需的酶，以及新壁合成的亚单位物质。 1977年Barthicki-Garcia等人证实了鲁氏毛霉的萌发孢子中存在极性，芽管是从细胞壁的极化部位生长的。这一实验是通过被3H标记的N-乙酰葡萄糖胺在孢子萌发过程中所处的位置来证实的图9-10。,2019,-,41,2019,-,42,萌发开始后一系列的生化过程被激活，主要与RNA、DNA和蛋白质的合成有关。 匍枝根霉的孢子在活化后1h内RNA和DNA开始增加，而可可球二孢在萌发时蛋白质的合成优先于RNA合成，萌发前孢子已经有前合成RNA的存在。 埃默森小芽枝霉的孢子可以在没有RNA和蛋白质合成的情况下发生萌发，表明孢子内已有预先形成的RNA和蛋白质。 构巢曲霉的孢子