第四章-真菌的营养new.ppt

第四章真菌的营养 营养和生长是密切相关的 营养是生长的基础 生长是营养的一种表现形式 研究目的 研究真菌营养是为了控制真菌的生长 对于有益真菌可以通过提供各种营养物质的方式使其大量生产对人类有经济价值的菌体或代谢产物 对于有害真菌可以控制营养供给 减少对人类的危害 第一节消化与吸收 真菌的营养方式主要为腐生性和寄生性两大类 这两种类型的真菌对营养物质的要求有异 尤其是活体营养的寄生菌 因为各自有着完全不同的营养要求 所以至今还不能完全离体培养 但作为研究来讲 必须要定性和定量 所以一般要求真菌在实验室条件下进行正常的生长发育 在这个条件下的营养和环境因素可以被控制和重复 选择一种最适的培养基质对于真菌生长是最重要的 一 培养基按营养物质来源分天然培养基 在自然界条件下 真菌一般生活在由动 植物产生的基物上 而这些基物是一些组成复杂的物质 这类培养基易于得到又便宜 但是由于不知它们的组成成分 所以不能被复制来进行生理学研究 优点 取材方便 营养丰富 种类多样 配制方便 缺点 成分不稳定也不清楚 合成培养基 用化学药品配制的合成培养基是一种比较理想的研究用培养基 但一些真菌在此种培养基上生长得不好或完全不能生长 优点 成分精确 重演性高 缺点 价格较高 配制麻烦 半合成培养基 把天然基质和化学药品结合而形成的半合成培养基成为广泛应用的培养真菌的培养基 然而这种培养基也不尽人意 因为添加的天然产物 如马铃薯浸出液 麦芽汁 酵母抽提物等 提供了刺激真菌生长的一些未知的营养元素 优缺点 成分精确性 重演性 价格 配制等介于合成培养基和天然培养基之间 二 按培养基物理状态 1 液体培养基 呈液体状态的培养基 用于 大规模工业生产 实验室摇瓶试验 微生物生理代谢研究 二 按培养基物理状态 2 固体培养基 用于菌种培养 分离 保存 育种 A 固化培养基 液体培养基中加入适量凝固剂 如琼脂 如 斜面培养基 平板培养基 B 天然固体培养基 天然固态基质直接配置 用于 孢子培养 药用 食用真菌生产 利用各种富含纤维素和木质素的农林废弃物如木屑 棉籽壳 秸秆 玉米蕊等作为主要原料 再加入适量的米糠或麸皮和无机盐类制成固体培养基 二 按培养基物理状态 3 半固体培养基 介于固态和液态之间 加0 5 左右琼脂 的培养基 用于菌种鉴定 细菌运动性观察和噬菌体效价测定 厌氧菌培养 保藏 三 按培养基的成分和目的 1 选择性培养基 就是根据某种微生物的特殊营养要求或其对某化学 物理因素的抗性而设计的培养基 其功能是从混合菌样本中的选取优势菌 从而提高该菌的筛选效率 1 加富性选择培养基 用作加富的营养物主要是一些特殊的碳源或氮源 如甘露醇 纤维素 石蜡油 糖液等 2 抑制性选择培养基 选择性抑制剂有染料 抗生素 脱氧胆酸钠 叠氮化钠等 用于选择性的其他理化因素还有温度 氧 pH和渗透压等 三 按培养基的成分和目的 2 鉴别性培养基培养基中加有能与某一菌的无色代谢产物发生显色反应的指示剂 从而达到只须用肉眼辨别颜色就能方便的从近似菌落中找出目的菌菌落的培养基 最常见的鉴别性培养基是伊红美蓝乳糖培养基 即EMB培养基 一 消化真菌能够生长在广泛的基质上 1 简单小分子G aa 不需消化直接吸收 2 复杂大分子的消化 大分子的不溶性多聚物 如纤维素 淀粉 蛋白质等 经初步的消化才能吸收 途径 真菌能够分泌胞外酶去水解大分子变为小分子 胞外酶多为不同的消化酶 具有专一性 能控制大分子逐步水解 释放出简单的可溶性的小分子 然后被菌丝吸收 有些真菌在复杂的或简单的培养基中都能良好生长 就是依靠其分泌的胞外酶去水解大分子多聚物 而且只有当真菌与基质发生联系时这些酶才发挥作用 寡聚体 二 吸收进入真菌细胞的所有离子和分子必须通过细胞壁和质膜 1 细胞壁多孔 一般情况下允许离子和分子通过 2 质膜半透性膜 可调节溶质运输到细胞中 通过三种方式运输进入细胞内 选择通透性 1 电解质的运输方式 几乎所有重要的离子都是通过主动运输被吸收的 包括阳离子 如钾 镁 锰 铁和铅等 和阴离子 如磷酸根和硫酸根等 K 的吸收是显著的高效率的 只要从呼吸中提供能量 K 吸收则可以在浓度梯度达到5000 1的状态下进行 但是K 的吸收是与H 向胞外运输相匹配的 在某些情况下 一种离子的吸收往往受其他离子的影响 例如 在酵母中 当PO43 吸收时 Mg2 Ca2 和Mn2 的吸收也同时发生 而且K 刺激这一吸收作用的进行 2 非电解质的运输方式 非电解质的吸收几乎都依赖于专门的运输系统来完成 糖类的吸收可通过主动运输和简单扩散 协助扩散 氨基酸的吸收通过主动运输 有机酸的吸收是通过专门运输和被动扩散 专门载体分子 透性酶 是为每一种营养物质运输而产生的 受许多内外因素所制约 活性调节 内外因如真菌自身的生理条件 pH 温度 离子强度等 代谢产物 小分核苷酸类物质 营养物的特殊结合等 三 酶诱导和抑制 合成调节 营养物质的吸收在很大程度上取决于酶和酶活性 消化酶分解培养基中的大分子 质膜上的载体分子也是一种酶 称为透性酶 1 酶合成的诱导 具有特殊功能的酶不一定总是在细胞中出现 而这种酶的合成可以由一种特殊的营养物所诱导 有些真菌不含有消化淀粉的酶 但是当它被转移到含有淀粉的培养基上时 它可被诱导产生所需的酶去分解和利用淀粉 有些氮素营养物 如硝酸盐和亚硝酸盐 也需要由酶诱导的形式被真菌吸收和利用 真菌本身带有这些酶的结构基因 那为什么不表达 2 分解产物抑制在一般情况下 一种营养物质的吸收将会受到另一种同样需要的营养物质的影响 例如 在培养基中加入混合的糖源 真菌首先利用葡萄糖而不能吸收也需要的果糖 直到葡萄糖被耗尽才能利用果糖 这种现象叫做分解产物抑制 前面P34 提到竞争性抑制和非竞争性抑制 分解产物抑制是普遍发生的 磷酸盐抑制亚磷酸盐的吸收 含硫氨基酸抑制硫酸盐的吸收 铵或谷氨酰胺抑制硝酸盐的吸收 硝酸盐抑制亚硝酸盐的吸收 这种抑制现象的解释 可能是负责运输代谢物穿过质膜的载体分子没有预先合成 或者是利用这种代谢物的代谢途径中的酶被改变 酶诱导和抑制是由基因控制的 涉及到结构基因和调节基因 结构基因直接编码酶 而调节基因是调控酶的表达 调节基因的正调控对于结构基因的表达是需要的 而调节基因的负调控导致结构基因的表达被抑制 乳糖操纵子 调节基因 控制位点 结构基因 i PandO Z Y a i编码的产物阻遏可调节操纵基因的开与关 O为操纵基因 P为与RNA聚合酶结合的启动基因 诱导 负调控无诱导物乳糖时 i编码的阻遏蛋白与O结合 阻止RNA聚合酶与P结合 结构基因不表达 有乳糖 没有葡萄糖时 阻遏蛋白由于与乳糖结合 发生结构变化而失活 操作基因区释放出来 使结构基因转录启动 乳糖分解后 阻遏蛋白又发挥作用抑制结构基因的转录 诱导 正调控 乳糖操纵子的正调控因素是降解物基因活化蛋白 CAP 启动基因上除了RNA多聚酶作用位点外 还有40bp的CAP结合部位 CAP 分子量44000道尔顿 是二聚体 它可以和cAMP结合形成CAP cAMP复合物 然后再结合到启动基因的CAP结合部位 以提高相邻操纵子的转录速度 促进RNA聚合酶对启动子后面部分的亲和力 使乳糖 lac 操纵子的结构基因转录 降解物的阻遏作用 代谢产物抑制 有葡萄糖存在时 葡萄糖分解代谢产物能抑制腺苷酸环化酶活性并活化磷酸二酯酶 从而降低cAMP浓度 此时 调节基因的产物不能被cAMP活化形成cAMP CAP复合物 乳糖 lac 操纵子的结构基因不转录 第二节营养物质 一 碳素1 功能 提供结成细胞的基本骨架 碳占真菌细胞干重的一半 提供了能源物质 2 碳素类型 糖类是提供碳源的重要形式 主要包括单糖 糖酸 糖醇 双糖及它们短链的和长链的多聚糖 1 单糖 己醛糖葡萄糖 甘露糖 半乳糖葡萄糖是几乎所有真菌都喜欢利用的碳源 果糖是仅次于葡萄糖的良好碳源 在果糖 甘露糖 半乳糖的利用可被诱导 结构与葡萄糖相似的单糖更能被利用 真菌能利用某种单糖而不能利用同这种单糖组成的双糖或多糖 2 双糖 麦芽糖和纤维二糖被真菌广泛利用 少数真菌利用蔗糖 碳源的类型和浓度对真菌生长发育的影响 一种真菌在营养生长时可以利用一种专一的碳源 但在特殊结构产生时却不能利用它 表4 1 对真菌生长最适的不同碳源的浓度不同 图4 2 这些差异的生理学基础 所有真菌中 能够利用相对分子量小的糖类作为碳源 主要依赖于 载体的性质 专一性 和 这种碳源化合物进入细胞后的生化代谢途径中能量的释放和各种酶的形成 载体或酶的改变都会影响吸收和利用 啤酒酵母对糖的转移运输系统 表4 2 3 大分子糖 纤维素纤维素酶降解纤维素为葡萄糖单位AC1 纤维素酶BCx 纤维素酶C纤维二糖酶淀粉淀粉酶是一个可诱导的酶 在淀粉存在时它才能被合成在淀粉培养基上 淀粉浓度与菌丝生长和淀粉酶产生正相关 表4 3 如果培养基中淀粉被其它碳源所替代 则淀粉酶的产生明显下降 表4 4 木质素包括三个取代醇的聚合物 包括香豆素醇 松柏苷醇和芥子醇 这些亚单位的相互比例因种而异 图4 3 酚氧化酶是木质素降解中不可缺少的酶 4 醇类 乙醇 丙醇 多羟醇 甘油 等 酵母中研究较多 发酵反应产生酒精 5 脂肪酸能够被真菌利用的脂肪酸依赖于碳氢链的长度 长链脂肪酸的利用受pH影响小 而短链脂肪酸利用的关键因子是pH 图4 4脂肪被利用前 为脂肪酶消化为亚单位 脂肪或是它的化合物不能作为真菌的主要碳源 但它们在培养基中明显地影响真菌的生长 6 碳氢化合物也是真菌喜欢利用的一类碳源 在其生长培养基中加入脂肪酸往往提高利用效率 7 CO2少数真菌被证实可以利用其作为碳源 如头孢霉的一些种和镰刀菌属的一些种 碳元素是所有细胞结构和功能的基本要素 对机体的生存极端重要 几乎所有异养的真菌都依赖于对环境中复杂形式碳的降解 二 氮素对生长发育不可少 作用是合成各种关键的细胞组分 包括氨基酸 蛋白质 嘌呤 嘧啶 核酸 氨基葡糖 几丁质以及各种维生素等 主要吸收对象为硝酸盐 亚硝酸盐 氨 尿素和有机氮等 三 无机营养常量元素 镁 磷 主要形式PO43 钾 钙 硫等 痕量元素 铜 铁 锌 锰 钼 钴 钠等 镁 起广泛的调节作用 参加大量的代谢过程 影响细胞膜的结构和功能 影响大量的生化过程 磷 主要的存在和吸收形式PO43 是许多重要大分子的重要组分 是核苷酸 ATP GTP CTP UTP 的组分 参与能量的贮存和转换 钾 大量积累维持机体的正常功能 主要作用调节渗透压 与蛋白结合 使酶激活 硫 蛋白和维生素的组分 机体的需要量大 最普遍的利用形式SO42 钙 使真菌的生长和繁殖速度加快 调节肌动蛋白和肌球蛋白之间的相互作用 与胞质流动有关 也是许多细胞的结构组分 四 维生素和生长因子维生素一般都是辅酶的成分或充当辅酶的功能 起精细的敏锐的功能 一般来讲 在0 01 0 1 g g便可起到促进生长和发育的作用 生长因子 在低浓度时对真菌生长具有活性 包括肌醇 脂肪酸以及高等植物的生长激素等 1 维生素所有生物都需要维生素 但它们的合成能力不同 真菌本身合成和所需的维生素大都是水溶性的B族维生素和维生素H 生物素 对于维生素A D和E的合成没有在真菌中发现 至少在目前看来真菌是不需要的 由真菌产生的维生素有硫胺素 VBl 生物素 VH 吡哆醇 VB6 烟酸 泛酸 核黄素 VB2 肌醇和对氨基苯甲酸等 1 硫胺素 VBl 真菌中缺乏维生素最多的是硫胺素 疫霉属 Phytophthora 的所有种都缺乏硫胺素 酵母中往往最缺乏的也是硫胺素 一部分担孢子也缺少这种维生素 硫胺素的作用是调节糖代谢 硫胺素的活性形式是焦磷酸硫胺素 TPP TPP是中间代谢中催化去除和转移醛基的一些酶的必需的辅酶 包括丙酮酸脱羧酶 酮基转移酶 丙酮酸脱氢酶 酮戍二酸脱氢酶等 在丙酮酸脱羧酶和酮基转移酶中 TPP是这些酶的亚单位键合的必需的辅助因子 作为一种重要的辅助因子 VBl TPP 具有显著的生物效应 例如 丙酮酸是碳代谢中关键的组分 在丙酮酸转化中TPP是重要辅助因子 不管是走脱氢途径还是走脱羧途径 因此 在硫胺素缺乏的真菌中往往积累丙酮酸 2 生物素 VH 生物素是仅次于硫胺素的真菌生长因子 它的活性形式是在羧化酶的某些活性位点与赖氨酸连接 这种生物素 赖氨酸复合物叫做生物胞素 biocyfin 它的功能是转移C02或羧基的辅酶 需要生物素的酶包括丙酮酸羧化酶 乙酰辅酶A羧化酶 尿素羧化酶 生物素在其中的功能是相同的 首先连接C02或羧基 然后转移到底物上 例如 在丙酮酸羧化酶中反应中 C02 生物素 酶C02 生物素 酶C02 生物素 酶 丙酮酸草酰乙酸 生物素 酶 真菌中生物素合成途径为 庚二酸脱硫生物素生物素 一些缺乏生物素的真菌 如果提供生物素的前体 脱硫生物素后是能够生长的 但不能把庚二酸转变成生物素 这些菌包括核菌纲的一些种 粗糙脉孢菌和某些酵母 有些真菌提供脱硫生物素也不能生长 必须满足它们对生物素的需求 如粪生粪壳和松下小长喙壳等 3 其他维生素真菌对吡哆醇 VB6 的需要比硫胺素或生物素要少 部分和全部缺乏吡哆醇的真菌主要是一些酵母 在长喙壳属的一些种中也较普遍 吡哆醇的辅酶形式主要是作为参与氨基酸代谢中各种酶的辅酶 泛酸的缺乏在酵母中相当普遍 特别是在酵母属中 但在丝状真菌中目前很少有报道 泛酸是辅酶A的组成成分 辅酶A是酰基转移的中间体 泛酸有利于糖原的积累 并且能增加酵母的呼吸作用 缺乏核黄素 VB2 肌醇和对氨基苯甲酸的菌比较少见 核黄素为黄素酶提供辅基 参与了呼吸过程中电子传递 核黄素也为氮代谢的各种酶提供辅基 肌醇和对氨基苯甲酸的作用机理目前尚不清楚 2 生长调节剂生长调节剂与维生素的不同之处是它们的功能不是作为辅酶 而且通常作用浓度稍高于维生素 这些调节剂包括范围较广泛 如一些脂肪酸 高等植物的激素以及一些挥发性物质等 它们对不同的真菌所起的作用也不同 而且大多数的作用机制不清楚 1 脂肪酸类的物质在低浓度下能刺激真菌的生长和发育 例如 粗糙脉孢菌的突变株 因为失去了合成脂肪酸的能力而需要外源的脂肪酸 在假蜜环菌中 脂肪酸对生长影响不大 但调节发育 如油酸 棕榈酸能引起假蜜环菌的假根的生长 这些脂肪酸类只有当在培养基中不是作为主要碳源时才有效 说明它们不是单纯的作为碳骨架合成