发酵调控学完整版

发酵调控学发酵调控学 生物工程学院生物工程学院 储储 炬炬 课程内容 1 微生物生长分化调节的规律微生物生长分化调节的规律 1 细胞周期内有关生长的活动 DNA 合成与细胞分裂的调节 2 丝状菌生长分化的调节 2 初级代谢的调节机制初级代谢的调节机制 1 调节的生化基础 2 代谢调节的方式与内容 诱导 分解代谢物调节 反馈调节 课程内容 3 次级代谢物的生物合成的调节次级代谢物的生物合成的调节 1 次级代谢物的概念 2 生物合成的前体 3 次级代谢物的生物合成 4 抗生素生物合成的控制 课程内容 4 发酵过程控制发酵过程控制 1 控制的策略 2 参数的指导作用 3 参数相关分析 4 过程控制的评价 主要参考书 现代工业发酵调控学 储炬 李友荣 化学工业出版社 北京 现代工业发酵调控学 储炬 李友荣 化学工业出版社 北京 2002 年年 1 月月 Biotechnology 2nd ed Vol 1 Biological Fundamentals Rehm H JB Biotechnology 3nd ed Vol 3 Bioprocessing Rehm H JB 微生物发酵代谢调控与发酵过程优化技术微生物发酵代谢调控与发酵过程优化技术 代谢调控是研究内在的调节机制 而过程优化则是外在控制 是建立在相关参数的分析上的 这两个方向相辅相成 前者为后者的基础 而后者是使理论变为现实的手段 1 微生物生长与调节 为了控制菌体的生长 需要了解生长的方式 细胞分裂和调节的规律 测量微生物生长的为了控制菌体的生长 需要了解生长的方式 细胞分裂和调节的规律 测量微生物生长的 各种办法 微生物生长繁殖的形式与工业生产的关系 环境变化对微生物生长的影响 因此 各种办法 微生物生长繁殖的形式与工业生产的关系 环境变化对微生物生长的影响 因此 研究微生物的生长分化规律无疑是发酵调控原理的一个重要组成部分研究微生物的生长分化规律无疑是发酵调控原理的一个重要组成部分 细胞周期 对于个体细胞行为 主要关心对于个体细胞行为 主要关心 染色体启动 复制和分离染色体启动 复制和分离 新细胞壁材料的合成与插入新细胞壁材料的合成与插入 协调染色体复制和细胞分裂的信号协调染色体复制和细胞分裂的信号 细胞周期 细胞周期细胞周期 Cell cycle 细胞的一系列可鉴别的周而复始的生长活动 这些活动的顺序不变细胞的一系列可鉴别的周而复始的生长活动 这些活动的顺序不变 完成一个活动后才能完成一个活动后才能 进行下一个活动 进行下一个活动 图 1 细胞周期 细胞周期 典型的真核生物细胞周期如图所示典型的真核生物细胞周期如图所示 S M 和和 G1 G2分别代表分别代表 DNA 合成合成 有丝分裂期和两次间有丝分裂期和两次间 隙 隙 若生长速率因养分多寡而改变若生长速率因养分多寡而改变 S G2 和和 M 几乎不变几乎不变 只有只有 G1改变 改变 MTG mean generation time 细胞周期 原核生物在低生长速率下的低生长速率下的细胞周期 与真核生物相似 其染色体复制期 C 相当于 S 细胞分裂期 D 相当于 G2 M C 和 D 不随生长速率变化 只有 G1可变动 细胞周期的各项活动怎样去适应生长速率变化细胞周期的各项活动怎样去适应生长速率变化 的需要的需要 染色体复制与细胞分裂的调节 染色体复制怎样与细胞分裂协调 染色体复制怎样与细胞分裂协调 在高速生长下 如细胞周期为 30 min 染色体复制不能在一个周期内完成 为此 未等前一轮复制结束 后一轮复制又在原点上启动 可以把 C 期的启动和终止 以及细胞分裂看作是不可更改的活动顺序 称为称为 C D 周期周期 染色体复制与细胞分裂的调节 若增代时间少于若增代时间少于 C D 时间时间 C D 周期重叠 其重要特征是分配到子细胞的染色体已开始新周期重叠 其重要特征是分配到子细胞的染色体已开始新 的一轮复制 这类染色体称为二叉染色体的一轮复制 这类染色体称为二叉染色体 dichotomous 图 2 大肠杆菌的染色体复制和细胞分裂的时间分配示意图 染色体复制和细胞分裂的调节规律 染色体复制未完成 染色体复制未完成 细胞就不会分裂 不管生长速率如何 大肠杆菌的细胞分裂总是出现在细胞就不会分裂 不管生长速率如何 大肠杆菌的细胞分裂总是出现在 染色体复制完成之后 染色体复制完成之后 不管生长速率如何 不管生长速率如何 C 和和 D 所需时间大致不变 所需时间大致不变 C 和和 D 可以依次或同时可以依次或同时 指上一轮的指上一轮的 D 和下一轮的和下一轮的 C 进行 进行 思考题 加倍时间最小为多少 C 40 D 20 时 时间如何分配 染色体复制的启动 染色体复制的启动受启动因子染色体复制的启动受启动因子 origin 一种特异调节性蛋白的正向控制 当启动因子增加一种特异调节性蛋白的正向控制 当启动因子增加 到某一临界水平到某一临界水平 启动便开始 在这以后启动因子被毁或稀释 合成启动因子达到有效浓度所启动便开始 在这以后启动因子被毁或稀释 合成启动因子达到有效浓度所 需的时间恰好等于培养物增代时间 需的时间恰好等于培养物增代时间 染色体复制的启动 大肠杆菌在启动时的启动因子数量与细胞质量之比在各种生长速率下是一样的 这一比例大肠杆菌在启动时的启动因子数量与细胞质量之比在各种生长速率下是一样的 这一比例 实际上是染色体启动因子的浓度 细胞似乎能检出启动因子的浓度 当它达到一临界值时便启实际上是染色体启动因子的浓度 细胞似乎能检出启动因子的浓度 当它达到一临界值时便启 动新一轮的复制 启动的直接后果是启动因子的浓度提高一倍 动新一轮的复制 启动的直接后果是启动因子的浓度提高一倍 染色体复制的启动 启动不会重新发生直到其浓度因生长而降到临界值 这种控制机制构成一种生物钟 它是启动不会重新发生直到其浓度因生长而降到临界值 这种控制机制构成一种生物钟 它是 以细胞体积或其它有关参数为依据 据此 染色体复制的启动频率是以细胞体积或其它有关参数为依据 据此 染色体复制的启动频率是 DNA 合成速率的控制步合成速率的控制步 骤 骤 染色体复制的启动 O M I 启动 启动 启动后 启动后 2O M I I I 不再启动 不再启动 M 增加 增加 M 2M 使 使 I 逐渐下降 逐渐下降 2O 2M O M I 又开始启动 又开始启动 启动和复制是性质截然不同的两种过程 启动的过程需要蛋白质合成 如蛋白质合成受阻 已启动的启动的过程需要蛋白质合成 如蛋白质合成受阻 已启动的 DNA 合成能完成 但不能启动合成能完成 但不能启动 新一轮新一轮 DNA 合成合成 曾检出其产物负责启动而不负责随后复制的基因 曾检出其产物负责启动而不负责随后复制的基因 加入利福平或氯霉素抑制加入利福平或氯霉素抑制 RNA 或蛋白质合成或除去营养缺陷型所需的氨基酸都能阻止启动 或蛋白质合成或除去营养缺陷型所需的氨基酸都能阻止启动 但允许复制继续完成 但允许复制继续完成 培养物进入稳定生长期后 中止生长的细胞含有完整的染色体培养物进入稳定生长期后 中止生长的细胞含有完整的染色体 染色体复制的启动 启动总是在染色体上的专一位置上进行 此位点称为复制或染色体原点 在大肠杆菌此位点启动总是在染色体上的专一位置上进行 此位点称为复制或染色体原点 在大肠杆菌此位点 很靠近很靠近 ilv 座位 座位 在大肠杆菌和枯草杆菌中复制叉以两个方向沿染色体运行 大约在离原点在大肠杆菌和枯草杆菌中复制叉以两个方向沿染色体运行 大约在离原点 180 度地方相遇 度地方相遇 染色体复制的启动 启动的频率取决于细胞量增长的速率 即生长停止 启动也随着停止是预料中的事 启动的频率取决于细胞量增长的速率 即生长停止 启动也随着停止是预料中的事 细胞周期的研究方法细胞周期的研究方法 1 镜检法镜检法 用电子显微镜观察单个细胞的生长 定时拍照 由此发现大肠杆菌在分裂时细胞个子的变用电子显微镜观察单个细胞的生长 定时拍照 由此发现大肠杆菌在分裂时细胞个子的变 化不大 化不大 细胞周期的研究方法细胞周期的研究方法 1 镜检法镜检法 说明似乎存在一种控制细胞个子大小的因子 即尺寸因子说明似乎存在一种控制细胞个子大小的因子 即尺寸因子 size factor 可能是启动细胞质可能是启动细胞质 量量 initiation mass 1 镜检法镜检法 缺点缺点 细胞由培养液转移到固体表面细胞由培养液转移到固体表面 会受到干扰 会受到干扰 细胞年龄变化较大时细胞年龄变化较大时 细胞大小变化不大 细胞大小变化不大 2 同步培养 Synchrony 法 1 密度梯度离心沉降法密度梯度离心沉降法 按细胞的大小按细胞的大小 年龄把在对数生长期的培养物分级 年龄把在对数生长期的培养物分级 H2O D2O 密度梯度沉降法密度梯度沉降法 能应用于任何品种能应用于任何品种 不会施加渗透压强不会施加渗透压强 的影响 的影响 从某一密度带便可分离出同质的细胞群体 随后培养 从某一密度带便可分离出同质的细胞群体 随后培养 细胞大小的分布频率与蛋白质合成速率的关系 细胞大小的分布频率与蛋白质合成速率的关系 蛋白质合成速率与细胞长度蛋白质合成速率与细胞长度 体积体积 成正比 从而与细胞年龄成正比 成正比 从而与细胞年龄成正比 2 过滤洗脱法 将细胞粘附在固体支持物 如硝化纤维膜上 然后将其倒置 让生长培养基从上到下通过 将细胞粘附在固体支持物 如硝化纤维膜上 然后将其倒置 让生长培养基从上到下通过 新生的细胞便被洗脱到培养基中 呈一种特征性的振荡模式 见图新生的细胞便被洗脱到培养基中 呈一种特征性的振荡模式 见图 1 23 过滤洗脱法 2 过滤洗脱法 在初始冲洗在初始冲洗 wash off 期后从滤膜上洗脱下来的主要是新分裂的细胞 在洗脱曲线高峰下从期后从滤膜上洗脱下来的主要是新分裂的细胞 在洗脱曲线高峰下从 膜上洗下的细胞是沉积在膜上的新生细胞后代 那些在低峰下的是其沉积时正要分裂细胞后代 膜上洗下的细胞是沉积在膜上的新生细胞后代 那些在低峰下的是其沉积时正要分裂细胞后代 过滤洗脱法 洗脱洗脱 wash off 的振荡模式可以测出细胞周期 的振荡模式可以测出细胞周期 3 同位素示踪法 如亲本培养物沉积在滤膜上之前用氚标记的胸苷使细胞带上标记 则结合到洗脱细胞的标如亲本培养物沉积在滤膜上之前用氚标记的胸苷使细胞带上标记 则结合到洗脱细胞的标 记量与结合到亲本培养物那一年龄细胞的标记量成正比 记量与结合到亲本培养物那一年龄细胞的标记量成正比 细胞周期细胞周期 细胞周期细胞周期 其一个洗脱峰其一个洗脱峰 后代后代 带有比前一代少一倍的放射性标记 带有比前一代少一倍的放射性标记 可以分别求得可以分别求得 C 和和 D 值值 3 同位素示踪法 另一种研究细胞周期的方法是通过蔗糖密度梯度离心 使一对数生长的培养物沉淀另一种研究细胞周期的方法是通过蔗糖密度梯度离心 使一对数生长的培养物沉淀 收集收集 最上层的细胞 在含有氚最上层的细胞 在含有氚 标记胸苷的生长培养基上生长 测量其标记胸苷的生长培养基上生长 测量其 DNA 合成速率 合成速率 3 同位素示踪法 洗脱前在无标记培养基中生长 洗脱时用带标记的培养基 得到的带标记洗脱前在无标记培养基中生长 洗脱时用带标记的培养基 得到的带标记 DNA 呈阶梯上呈阶梯上 升状 升状 细胞周期细胞周期 4 生长速率与细胞个子大小的关系 生长培养基越丰富 细菌生长速率加快 其细胞的个子也越大 生长培养基越丰富 细菌生长速率加快 其细胞的个子也越大 如在同一种培养基内改变温度也会影响生长速率 但对细胞个子大小几乎没有多大影响 如在同一种培养基内改变温度也会影响生长速率 但对细胞个子大小几乎没有多大影响 4 生长速率与细胞个子大小的关系 如一细胞的增代时间为如一细胞的增代时间为 60min 在细胞分裂时染色体复制便开始启动 假设细胞这时具有质 在细胞分裂时染色体复制便开始启动 假设细胞这时具有质 量为量为 M 启动细胞量启动细胞量 1 启动因子浓度启动因子浓度 4 生长速率与细胞个子大小的关系 个体细胞的量在指数地增加 直到个体细胞的量在指数地增加 直到 2M 细胞便开始分裂 细胞便开始分裂 此时从培养液中检出新生的细胞 置于较丰富的培养基此时从培养液中检出新生的细胞 置于较丰富的培养基 能使菌快速生长能使菌快速生长 增代时间为增代时间为 35 min 中 并假定细胞迅速调整到新的生长速率 中 并假定细胞迅速调整到新的生长速率 4 生长速率与细胞个子大小的关系 这样 个体细胞量增长速率往上移动 如这样 个体细胞量增长速率往上移动 如 C D 规律还适用 下一个细胞分裂的时间不会变规律还适用 下一个细胞分裂的时间不会变 动 但细胞个子会增大 动 但细胞个子会增大 新一轮复制的启动将在细胞分裂前便开始 新一轮复制的启动将在细胞分裂前便开始 4 生长速率与细胞个子大小的关系 换句话说 换句话说 C D 周期现在开始重叠 快速生长经一个细胞周期后便达到新的平衡 生长速周期现在开始重叠 快速生长经一个细胞周期后便达到新的平衡 生长速 率越快 细胞个子的差异也越大 率越快 细胞个子的差异也越大 生长速率对细胞个子和染色体复制启动时间的影响 生长速率对细胞个子和染色体复制启动时间的影响 可用式可用式 1 27 表示细胞周期表示细胞周期 t 对指数培养物的细胞个子平均大小对指数培养物的细胞个子平均大小 M 的影响 的影响 M K2 C D t 1 27 曲线的形状将取决于曲线的形状将取决于 C D 和和 K 是否变 只有在简单情况下是否变 只有在简单情况下 logM 与与 t 作曲线才会得一直线 作曲线才会得一直线 细菌培养物的生长周期 在一来自静止期细胞的培养物的生长期间 在细胞数目开始增加以前有一相当长的停滞期 在一来自静止期细胞的培养物的生长期间 在细胞数目开始增加以前有一相当长的停滞期 细胞量开始增长的滞后现象短一些 细胞量开始增长的滞后现象短一些 细菌培养物的生长周期 如达到物态的指数生长 则所有可测的参数也将平行地增长 如达到物态的指数生长 则所有可测的参数也将平行地增长 当培养物进入静止期便发生与上述当培养物进入静止期便发生与上述 相相 反的活动顺序 反的活动顺序 因启动速率比细胞分裂早减速因启动速率比细胞分裂早减速 C D 分钟 分钟 细胞量增长下降时 细胞分裂继续指数进行 细胞渐渐变小 细胞量增长下降时 细胞分裂继续指数进行 细胞渐渐变小 细菌培养物的生长周期 细菌培养物的生长周期 新的一轮新的一轮 DNA 复制的启动频率取决于新细胞量的积累速率 则吸光度与细胞数目至少有复制的启动频率取决于新细胞量的积累速率 则吸光度与细胞数目至少有 C D 分钟不平行 分钟不平行 生长速率和 DNA 浓度 细胞中的细胞中的 DNA 随生长速率的增加而下降 可用式随生长速率的增加而下降 可用式 1 28 表示表示 G M KC ln2 1 2 C 1 28 式中式中 G 是基因组的当量 为每个细胞的是基因组的当量 为每个细胞的 DNA 平均值 平均值 生长速率对生长速率对 DNA 浓度和平均染色体构型的影响浓度和平均染色体构型的影响 展示了 3 种质量倍增时间 a 70 min b 40 min c 20 min 生长速率对生长速率对 DNA 浓度和平均染色体构型的影响浓度和平均染色体构型的影响 一个启动细胞量单位含有一个刚开始一轮复制的染色体 用一水平线一个启动细胞量单位含有一个刚开始一轮复制的染色体 用一水平线 C 分钟长度表示 它分钟长度表示 它 在纵轴上所处高度代表细胞量 假定细胞量的复制时间为在纵轴上所处高度代表细胞量 假定细胞量的复制时间为 70 min 见图 见图 1 28a 将出现轮与轮 将出现轮与轮 复制的间隙 当细胞量增加到三倍时它将完成复制的间隙 当细胞量增加到三倍时它将完成 4 个复制好的染色体 个复制好的染色体 生长速率对生长速率对 DNA 浓度和平均染色体构型的影响浓度和平均染色体构型的影响 如在零小时把细胞置于增代时间为如在零小时把细胞置于增代时间为 40 min 的培养基内 见图的培养基内 见图 1 28b 则新一轮复制将紧跟 则新一轮复制将紧跟 在上一轮复制完成之后开始 轮与轮之间不存在间隙 待细胞量增到在上一轮复制完成之后开始 轮与轮之间不存在间隙 待细胞量增到 3 个单位时 第二轮的复个单位时 第二轮的复 制将不会完成 结果得到制将不会完成 结果得到 2 条复制了一半的染色体 条复制了一半的染色体 DNA 浓度下降到浓度下降到 3 3 生长速率对生长速率对 DNA 浓度和平均染色体构型的影响浓度和平均染色体构型的影响 如将细胞置于增代时间为如将细胞置于增代时间为 20 min 的培养基内的培养基内 在第一轮复制还未完成前第二轮复制已开始 在第一轮复制还未完成前第二轮复制已开始 当细胞量达到当细胞量达到 3 时时 只有一个带三个复制叉的染色体 见图只有一个带三个复制叉的染色体 见图 1 28c DNA 浓度进一步下降到浓度进一步下降到 2 25 3 生长速率对生长速率对 DNA 浓度和平均染色体构型的影响浓度和平均染色体构型的影响 生长速率影响染色体上不同位置的相对基因拷贝数 在一随机的指数培养物中 接近原点处的基因 其拷贝数总是居多 靠近两端的较少 在一随机的指数培养物中 接近原点处的基因 其拷贝数总是居多 靠近两端的较少 这种相对基因剂量的倾斜度随生长速率的增加而提高 这种相对基因剂量的倾斜度随生长速率的增加而提高 生长速率影响染色体上不同位置的相对基因拷贝数 DNA 的浓度随生长速率的增加而下跌 从而不同程度地影响基因浓度 那些靠近染色体原的浓度随生长速率的增加而下跌 从而不同程度地影响基因浓度 那些靠近染色体原 点的基因浓度没有变化 位于中间的基因平均浓度则只有原点周围的一半左右 处在染色体复点的基因浓度没有变化 位于中间的基因平均浓度则只有原点周围的一半左右 处在染色体复 制近末端的基因浓度最低 制近末端的基因浓度最低 生长速率影响染色体上不同位置的相对基因拷贝数 在一个细胞周期内 一个基因浓度相对另一个而言 可相差在一个细胞周期内 一个基因浓度相对另一个而言 可相差 4 倍 生长速率对不同作用 倍 生长速率对不同作用 提供了一种解释非随机基因次序的理由 提供了一种解释非随机基因次序的理由 生长速率影响染色体上不同位置的相对基因拷贝数 据此 对生长速率有限制作用的应位于靠近染色体原点处 其实 这是为什么大肠杆菌中据此 对生长速率有限制作用的应位于靠近染色体原点处 其实 这是为什么大肠杆菌中 有有 6 个拷贝编码核糖体个拷贝编码核糖体 RNA 的基因都聚集在原点的附近的缘故 的基因都聚集在原点的附近的缘故 生长速率对细胞组分的影响 每个细胞每个细胞 RNA 随生长速率的变化可以达随生长速率的变化可以达 10 倍之多 在快速生长的细胞中倍之多 在快速生长的细胞中 RNA 的含量可以的含量可以 达到细胞重量的达到细胞重量的 30 每个细胞的每个细胞的 DNA 也随生长速率的提高而增加 但程度低一些 因此 以细胞重量衡量 也随生长速率的提高而增加 但程度低一些 因此 以细胞重量衡量 DNA 含量是减少的 含量是减少的 细胞的外壳的厚度通常不变 胞壁和质膜在整个细胞中的比例随细胞个子的增大而减小 细胞的外壳的厚度通常不变 胞壁和质膜在整个细胞中的比例随细胞个子的增大而减小 丝状菌生长分化的调节 微生物的生长调节微生物的生长调节 微生物的生长分化受其自身和外界多种因素的调节 这里以真菌为对象 阐述菌丝体形微生物的生长分化受其自身和外界多种因素的调节 这里以真菌为对象 阐述菌丝体形 态调节的规律 态调节的规律 丝状菌生长分化的调节 霉菌和放线菌均为丝状微生物 其生长方式是菌丝霉菌和放线菌均为丝状微生物 其生长方式是菌丝 hyphae 末梢伸长 分枝末梢伸长 分枝 图图 1 5 和交和交 错成网错成网 图图 1 6 称为菌丝体 称为菌丝体 mycelium 一定长度的真菌菌丝 其横切面有间隔膜 真菌属 一定长度的真菌菌丝 其横切面有间隔膜 真菌属 真核生物 为多细胞 且每个细胞含有多个细胞核和各种细胞器 真核生物 为多细胞 且每个细胞含有多个细胞核和各种细胞器 丝状菌生长分化的调节 细胞一旦形成后便保持其完整性 且与其相邻细胞的菌龄不同 越靠近末梢的菌丝 越年细胞一旦形成后便保持其完整性 且与其相邻细胞的菌龄不同 越靠近末梢的菌丝 越年 轻 轻 放线菌 链霉菌和诺卡氏菌属均属于放线菌属 为原核生物 革兰氏染色呈阳性 它们放线菌 链霉菌和诺卡氏菌属均属于放线菌属 为原核生物 革兰氏染色呈阳性 它们 无核膜和细胞器 其菌丝直径无核膜和细胞器 其菌丝直径 约约 1 m 比霉菌比霉菌 2 10 m 细 易折断 许多真菌能形成孢细 易折断 许多真菌能形成孢 子 称为分生孢子 子 称为分生孢子 菌丝顶端生长菌丝顶端生长 Apical growth of haphae 菌丝仅在顶端 末梢 生长 其余部分的菌丝壁加厚 但不扩展 居间生长 intercalary growth 的细胞的任何部分均能扩展与分裂 菌丝顶端生长机制 大多数菌丝顶端生长机制都与泡囊大多数菌丝顶端生长机制都与泡囊 vesicles 在顶端的聚集有关 在顶端的聚集有关 一旦生长停止 泡囊在顶端消失 并分布在次顶部生长区 一旦生长停止 泡囊在顶端消失 并分布在次顶部生长区 菌丝顶端生长机制 一种推测的细胞壁单位的生长活动 a 含有细胞壁溶解酶的泡囊与质膜融合 含有细胞壁溶解酶的泡囊与质膜融合 b 细胞壁的网状结构局部拆开 从而取得塑性 细胞壁的网状结构局部拆开 从而取得塑性 c 细胞壁由于原生质内部压力而扩展 泡囊与质膜融合 释放出细胞壁合成酶 细胞壁由于原生质内部压力而扩展 泡囊与质膜融合 释放出细胞壁合成酶 d 新细胞壁的合成前体由泡囊提供 细胞壁的合成从质膜向外扩展 新细胞壁的合成前体由泡囊提供 细胞壁的合成从质膜向外扩展 e 新细胞壁单元被合成 新细胞壁单元被合成 泡囊是什么 泡囊是一种由单层膜包裹的细胞器泡囊是一种由单层膜包裹的细胞器 可把它看作是溶酶体复合物或内膜复合物的一部分 可把它看作是溶酶体复合物或内膜复合物的一部分 还含有细胞壁合成酶以及细胞壁的若干前体 它在胞内起运输材料的作用 还含有细胞壁合成酶以及细胞壁的若干前体 它在胞内起运输材料的作用 泡囊如何在菌丝顶端聚集 内质网系统产生泡囊的区域位于菌丝的次顶部内质网系统产生泡囊的区域位于菌丝的次顶部 藉化学或电化学浓度梯度藉化学或电化学浓度梯度 推动力推动力 移动的 移动的 菌丝顶端全靠发酵维持 因无线粒体 顶部以外的细胞靠线粒体进行正常呼吸 菌丝顶端全靠发酵维持 因无线粒体 顶部以外的细胞靠线粒体进行正常呼吸 泡囊如何在菌丝顶端聚集 用细胞松弛素用细胞松弛素 Cytochalasin 可以完全抑制细胞质的流动 从而阻止泡囊的移动和生长 故可以完全抑制细胞质的流动 从而阻止泡囊的移动和生长 故 细胞质的流动是生长的细胞质的流动是生长的 推动力推动力 使泡囊流向菌丝顶端 使泡囊流向菌丝顶端 泡囊如何在菌丝顶端聚集 如菌丝顶端同其次顶部区域被隔离如菌丝顶端同其次顶部区域被隔离 则生长便缓慢下来 则生长便缓慢下来 如切断的地方离开顶端远些如切断的地方离开顶端远些 对生长的影响便小得多 对生长的影响便小得多 据此 可测定末稍生长区域的长度 粗糙链孢霉顶端生长的低限长度为据此 可测定末稍生长区域的长度 粗糙链孢霉顶端生长的低限长度为 10 mm 两种形式的胞质流动 一种是导向菌丝顶端的快速流动 菌丝顶端失水一种是导向菌丝顶端的快速流动 菌丝顶端失水 造成顶端与次顶端之间的水势梯度 从而造成顶端与次顶端之间的水势梯度 从而 加速这种流动 加速这种流动 另一种形式的胞质流动为双向流动或环流另一种形式的胞质流动为双向流动或环流 Cyclosis 其流动速率要慢得多 其流动速率要慢得多 泡囊的形成 泡囊的形成是由高尔基泡囊的形成是由高尔基 Golgi 体或内质网体或内质网 Endoplasmic reticulum 的特定区域释放 再输的特定区域释放 再输 送到生长点 与质膜结合 送到生长点 与质膜结合 泡囊的三种作用 1 运输各种负责把细胞壁拆开和扩建的酶 运输各种负责把细胞壁拆开和扩建的酶 2 运输新的细胞壁成分运输新的细胞壁成分 其前体或预制单位 其前体或预制单位 3 运输合成 运输合成 菌丝生长过程 对孢子发芽的研究可获得有关顶端生长的有用的信息 对孢子发芽的研究可获得有关顶端生长的有用的信息 如图所示如图所示 开始孢子吸水膨胀开始孢子吸水膨胀 这时细胞壁合成材料散布在孢子周围内表面这时细胞壁合成材料散布在孢子周围内表面 随后长出芽管 随后长出芽管 新材料便聚结在芽管的顶端 新材料便聚结在芽管的顶端 菌丝生长过程 故极性生长并不是一开始就有的特性 而是在非极性故极性生长并不是一开始就有的特性 而是在非极性 各向同性各向同性 生长过后才出现的 在不生长过后才出现的 在不 利条件下有些真菌的极性生长利条件下有些真菌的极性生长 非各向同性非各向同性 被无限地推迟 被无限地推迟 菌丝生长过程 黑曲霉的孢子在黑曲霉的孢子在 44 下生长 它继续膨胀 形成巨细胞 如这时再转移到下生长 它继续膨胀 形成巨细胞 如这时再转移到 30 下生长 它下生长 它 会表现得很特殊 从巨细胞中伸出芽管 随后形成孢子 见图会表现得很特殊 从巨细胞中伸出芽管 随后形成孢子 见图 1 37 菌丝生长过程 菌丝生长过程 这说明在孢子膨胀期间黑曲霉也能正常地成熟 甚至产生孢子 只是要等到适合于极性生这说明在孢子膨胀期间黑曲霉也能正常地成熟 甚至产生孢子 只是要等到适合于极性生 长时机才能表达这种潜在能力 长时机才能表达这种潜在能力 菌丝顶端生长过程 研究顶端生长过程的另一种实验方法是用水浸没镰刀菌菌落 观察其顶端生长情况 研究顶端生长过程的另一种实验方法是用水浸没镰刀菌菌落 观察其顶端生长情况 菌丝顶端生长过程 菌丝顶端生长过程 结果有半数菌丝末梢停滞结果有半数菌丝末梢停滞 1 分钟后重新生长 只是在膨胀的菌丝顶端长出较细的菌丝 其分钟后重新生长 只是在膨胀的菌丝顶端长出较细的菌丝 其 余菌丝停止生长几分钟后在菌丝顶端又长出一个以上的较细的芽 余菌丝停止生长几分钟后在菌丝顶端又长出一个以上的较细的芽 菌丝顶端生长过程 重复以上试验 但这次加水后重复以上试验 但这次加水后 等等 40 秒 再加入等渗溶液秒 再加入等渗溶液 即与琼脂的渗透压一样的溶液即与琼脂的渗透压一样的溶液 这会使它膨胀 暂停出芽 过后又长出一个以上的细芽 这会使它膨胀 暂停出芽 过后又长出一个以上的细芽 菌丝顶端生长过程 这些现象说明 生长可能包含两个过程这些现象说明 生长可能包含两个过程 1 塑性顶端的延伸 塑性顶端的延伸 2 细胞壁的硬化 即随顶端延伸后的硬化细胞壁的硬化 即随顶端延伸后的硬化 菌丝顶端生长过程 在正常生长情况下这两个过程以同样的速率进行 只是硬化紧随顶端延伸之后 故总是只在正常生长情况下这两个过程以同样的速率进行 只是硬化紧随顶端延伸之后 故总是只 有一小段延伸区域呈塑性 有一小段延伸区域呈塑性 菌丝顶端生长过程 菌丝浸水试验的第一种情况可解释为浸水后生长延伸停止 菌丝顶端在重新调整其新的渗菌丝浸水试验的第一种情况可解释为浸水后生长延伸停止 菌丝顶端在重新调整其新的渗 透压期间 细胞壁的硬化继续进行 在顶端还未完全透压期间 细胞壁的硬化继续进行 在顶端还未完全 封住封住 前 在剩下的还未硬化的当中塑性前 在剩下的还未硬化的当中塑性 部位继续长出一细芽 部位继续长出一细芽 菌丝顶端生长过程 对第二种情况 生长再次受到干扰 耽误了在剩余部位出芽的时机 最终顶端全被对第二种情况 生长再次受到干扰 耽误了在剩余部位出芽的时机 最终顶端全被 封住封住 这期间胞质继续流动的结果菌丝顶端膨胀 过几分钟便会在其它薄弱部位找到突破口 抽出一这期间胞质继续流动的结果菌丝顶端膨胀 过几分钟便会在其它薄弱部位找到突破口 抽出一 个以上完全新的细芽 个以上完全新的细芽 菌丝顶端生长过程 细胞壁的硬化是指胞壁的加厚或完全新的细胞壁的沉着细胞壁的硬化是指胞壁的加厚或完全新的细胞壁的沉着 而塑性顶端的延伸要靠溶解酶类而塑性顶端的延伸要靠溶解酶类 的作用才能实现 的作用才能实现 因此 如这些酶不稳定 或被蛋白酶降解 或因渗透压改变 阻止泡囊与菌丝顶端的结合 因此 如这些酶不稳定 或被蛋白酶降解 或因渗透压改变 阻止泡囊与菌丝顶端的结合 结果便出现胞壁的硬化 结果便出现胞壁的硬化 菌丝分枝规律 菌丝分枝一般离生长着的菌丝顶端有些距离的后方进行 真菌如同高等植物那样显示出顶菌丝分枝一般离生长着的菌丝顶端有些距离的后方进行 真菌如同高等植物那样显示出顶 端生长的优势 但怎样维持这种优势知道的很少 端生长的优势 但怎样维持这种优势知道的很少 菌丝分枝规律 菌丝分枝一般均朝向菌落的边缘扩展生长 菌丝分枝一般均朝向菌落的边缘扩展生长 并偏离其亲本菌丝和相互岔开生长 并偏离其亲本菌丝和相互岔开生长 菌丝分枝规律 这是多余的细胞质用于生长的结果 并且在细胞质体积 核分裂和分枝数目之间存在着明这是多余的细胞质用于生长的结果 并且在细胞质体积 核分裂和分枝数目之间存在着明 显的关系 在其它真菌中也确定了细胞体积和分枝之间的类似关系 显的关系 在其它真菌中也确定了细胞体积和分枝之间的类似关系 分枝的形成 分枝需要从已成熟的细胞中产生 这伴随着泡囊在菌丝顶端的聚集 分枝在菌丝的哪一部分枝需要从已成熟的细胞中产生 这伴随着泡囊在菌丝顶端的聚集 分枝在菌丝的哪一部 位产生位产生 这似乎有一这似乎有一 中意中意 点点 往往位于间隔的附近 通过试验可证实这一点 往往位于间隔的附近 通过试验可证实这一点 完整菌丝断片的出芽位置 分枝的形成 将菌丝打碎 只要得到含有完整间室的碎片 便能如图将菌丝打碎 只要得到含有完整间室的碎片 便能如图 1 39 那样产生新的分枝 新分枝总那样产生新的分枝 新分枝总 是产生在这些碎片的靠间隔处 故即使在菌丝内其个体细胞也有某些程度的极性 是产生在这些碎片的靠间隔处 故即使在菌丝内其个体细胞也有某些程度的极性 菌丝生长单位 hyphal growth unit G m G 菌丝总长度菌丝总长度 菌丝分枝数目菌丝分枝数目 经最初的波动后经最初的波动后 G 随菌落的生长而变化 因此 分枝的数目总是与菌丝总长 从而与细胞随菌落的生长而变化 因此 分枝的数目总是与菌丝总长 从而与细胞 质的体积成正比 质的体积成正比 由此可见 新分枝是在胞液体积超过现有分枝数所能容纳的体积时产生的 由此可见 新分枝是在胞液体积超过现有分枝数所能容纳的体积时产生的 菌丝生长单位 在琼脂中生长的不同阶段摄下年轻菌落的发育照片 按公式可求的菌丝生长单位 在琼脂中生长的不同阶段摄下年轻菌落的发育照片 按公式可求的菌丝生长单位 G 菌丝生长单位 从生长单位的确立可看出胞液体积与分枝之间有如下规律 从生长单位的确立可看出胞液体积与分枝之间有如下规律 1 每一分枝连同其有关的一定量的细胞质可当作一个菌丝每一分枝连同其有关的一定量的细胞质可当作一个菌丝 单位单位 unit 就像对待个体细胞 就像对待个体细胞 如酵母那样 故一真菌菌落是靠如酵母那样 故一真菌菌落是靠 假想的假想的 单位生长的 实际上它们是连在一起 分不清的 单位生长的 实际上它们是连在一起 分不清的 2 由于新的分枝是由于新的分枝是 多余多余 细胞质形成的 分枝的数目基本上取决于菌落的营养状况 从而取决细胞质形成的 分枝的数目基本上取决于菌落的营养状况 从而取决 于细胞质的数量 于细胞质的数量 菌丝生长单位 3 因现有的分枝能优先得到细胞质 故一分枝的形成对已有的分枝的生长速率影响很小 因现有的分枝能优先得到细胞质 故一分枝的形成对已有的分枝的生长速率影响很小 4 真菌菌落容易适应一定范围的养分浓度变化 它在养分贫乏的琼脂培养基中散开的速度几真菌菌落容易适应一定范围的养分浓度变化 它在养分贫乏的琼脂培养基中散开的速度几 乎同丰富培养基上的一样 但分枝少一些 乎同丰富培养基上的一样 但分枝少一些 菌丝生长单位 菌丝生长单位 生长初期 菌丝总长度和分枝数目均以指数的速率增加 这时的菌丝体间隔较长 生长初期 菌丝总长度和分枝数目均以指数的速率增加 这时的菌丝体间隔较长 菌丝生长单位的变化幅度随生长而减小 最后稳定 菌丝生长单位的变化幅度随生长而减小 最后稳定 微生物生长分化的调节 微生物的生长分化受其自身和外界多种因素的调节 微生物的生长分化受其自身和外界多种因素的调节 以真菌为对象阐述菌丝体形态的调节 以真菌为对象阐述菌丝体形态的调节 以下的规律主要适用于固体培养基上生长的未分化菌丝 以下的规律主要适用于固体培养基上生长的未分化菌丝 微生物生长分化的调节 真菌孢子在培养基上发芽 形成未分化的菌丝 继续生长 分化为成熟的菌丝 真菌孢子在培养基上发芽 形成未分化的菌丝 继续生长 分化为成熟的菌丝 微生物生长分化的调节 丝状菌的形态上的优势丝状菌的形态上的优势 菌能无限扩增而无需改变细胞质的体积与表面积之比 菌能无限扩增而无需改变细胞质的体积与表面积之比 菌丝体与培养基之间的物质交换只需通过较短的距离 菌丝体与培养基之间的物质交换只需通过较短的距离 菌丝以有规律的分枝确保它能高效地复盖在固体培养基上 菌丝以有规律的分枝确保它能高效地复盖在固体培养基上 微生物生长分化的调节 微生物生长分化的调节 未分化菌丝的生长调节至少包含三种机制 1 菌丝极化的调节菌丝极化的调节 生长是极化的生长是极化的 菌丝的伸长仅限于菌丝顶端 菌丝的伸长仅限于菌丝顶端 2 分枝启动的调节分枝启动的调节 芽管伸长 形成主杆菌丝芽管伸长 形成主杆菌丝 并由此形成初级分枝并由此形成初级分枝 再由此形成次级再由此形成次级 一直分一直分 枝下去 从菌丝体的形态特征说明存在着一种调节分枝启动频率的机制 枝下去 从菌丝体的形态特征说明存在着一种调节分枝启动频率的机制 3 菌丝空间分布的调节菌丝空间分布的调节 未分化菌丝趋向于分散独立生长 相邻菌丝间的接触因未分化菌丝趋向于分散独立生长 相邻菌丝间的接触因 回避作用回避作用 而减少 这称为向自性而减少 这称为向自性 autotropism 极化生长的调节 菌丝极化生长是指孢子或菌丝细胞的一端发芽 伸长 长成菌丝 菌丝极化生长是指孢子或菌丝细胞的一端发芽 伸长 长成菌丝 培养条件 如温度不适 或在厌氧 含培养条件 如温度不适 或在厌氧 含 CO2浓度较高的条件下会阻止极化生长 并以非极化浓度较高的条件下会阻止极化生长 并以非极化 即各向同性即各向同性 方式方式 像酵母那样生长 像酵母那样生长 非极化生长是与不利的生长条件相联系的 非极化生长是与不利的生长条件相联系的 极化生长的调节 菌丝极化生长受若干内源调节机制的控制 菌丝生长菌丝极化生长受若干内源调节机制的控制 菌丝生长 孢子发芽 顶端生长 分枝孢子发芽 顶端生长 分枝 总是与泡总是与泡 囊的活动相联系 囊的活动相联系 调节是通过向菌丝顶端输送泡囊 泡囊与细胞膜融合发挥作用的 调节是通过向菌丝顶端输送泡囊 泡囊与细胞膜融合发挥作用的 扰乱这两种作用会导致各向同性生长 扰乱这两种作用会导致各向同性生长 菌丝分枝启动的调节 从孢子发芽后未分化菌丝体起先在大致恒定的环境条件下生长 随后其生长环境 即培养基的从孢子发芽后未分化菌丝体起先在大致恒定的环境条件下生长 随后其生长环境 即培养基的 物化条件有较大的改变 物化条件有较大的改变 在固体培养基上菌丝体的初期生长阶段与分批培养的初期指数生长条件相似 所形成的菌丝也在固体培养基上菌丝体