生物科技行业真核微生物讲义.docx

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生物科技行业真核微生物讲义

（生物科技行业）真核微生物讲义

真核微生物

具有核膜包被的真正细胞核、能进行有丝分裂、细胞质中有线粒体的微小生物，称为真核微生物。

真核微生物主要包括：

真菌中的酵母菌和丝状真菌、微藻及原生动物。

真核生物和原核生物间的差别见下表。

在真核微生物中，种类最多、被比较广泛研究的类群是真菌。

真菌是壹个自然的分类类群，其成员既有很微小的酵母，也有较大型的蘑菇。

由于微生物是指肉眼见不见或见不清楚结构的微小生物，因此只有部分真菌属于微生物的范畴，就是我们在研究和生产上经常涉及到的酵母和霉菌，而具有大型子实体的蘑菇、灵芝、马勃、木耳、鹿花等等则不应被包括在微生物的范畴之中。

另壹方面，随着生物的系统学特别是真菌的系统学研究的深入，壹些曾被认为属于真菌的类群当下已被划入到其他的生物界中，例如过去在丝状真菌中涉及到的以水霉、疫霉、霜霉等为代表卵菌以及丝壶菌等；仍有壹直存在分类学归属争议的粘菌、根肿菌等。

再加上属于微生物范畴的、分类地位明确的藻类和原生动物等，真核微生物实际上不像原核微生物那样是壹个单系类群，而是包含了属于不同生物界的几个类群，不过这其中，真菌仍是种类较多、价值比较重要的主要微生物类群。

按照晚近的壹些认识，真菌的主要特征包括：

①具有真正细胞核；②没有叶绿素，不能进行光合作用；③营养体壹般为发达的丝状、分枝结构，也有单细胞；④能进行有性和无性繁殖，产生孢子；⑤细胞壁含几丁质（甲壳质）；

营养方式为吸收式异养；

陆生性较强。

第壹节丝状真菌——霉菌

绝大多数真菌的营养体是菌丝体，因此，丝状真菌是真菌的最主要成员。

同时丝状真菌也不是壹个系统学或者分类学上的概念，因为它是按照营养体类型的壹致性而不是按照作为真菌分类依据的子实体特征来划定范畴的，故包含了接合菌、子囊菌和担子菌等。

霉菌（mould，mold）是丝状真菌（filamentousfungi）的壹个通俗名称，这是因为这类真菌通常会在生长基质表面呈现为发霉的特征。

它们往往在潮湿的气候下大量生长繁殖，长出肉眼可见的丝状、绒状或蛛网状的菌丝体（霉状物），有较强的陆生性，在自然条件下，常引起食物、工农业产品的霉变和植物的真菌病害。

在地球上，几乎到处都有丝状真菌的踪迹，种类多、数量大。

在自然界中，真菌是各种复杂有机物，尤其是数量最大的纤维素、半纤维素和木质素的主要分解者。

由于它们具有广泛的生物化学转化活动，使数量巨大的动植物尤其是植物的残体，重新转变为生态系统中的生产者——绿色植物的养料，从而保证了地球上包括人类在内的壹切异养生物即生态系统中消费者的需要，且促进了整个生物圈的繁荣发展。

霉菌对工农业生产、医疗实践、环境保护和生物学基本理论研究等方面都有密切的关系：

①工业应用：

如柠檬酸、葡萄糖酸等多种有机酸，淀粉酶、蛋白酶和纤维素酶等多种酶制剂，青霉素、头孢霉素等抗生素，核黄素等维生素，麦角碱等生物碱，真菌多糖、酿造食品以及植物生长刺激素（赤霉素）等的生产；利用某些霉菌对甾族化合物的生物转化以生产甾体激素类药物；以及霉菌在生物防治、污水处理和生物测定等方面的应用等。

②生产各种传统食品，如酿制酱、酱油、干酪等。

③基本理论研究：

霉菌在基本理论研究中应用很广，最著名的例子是Neurosporacrassa（粗糙脉孢菌）等在建立生化遗传学中的作用。

④工业产品的霉变：

食品、纺织品、皮革、木器、纸张、光学仪器、电工器材和照相胶片等都易被霉菌所霉坏、变质。

⑤引起植物病害：

植物传染性病害的主要病原微生物是真菌。

真菌约可引起3万种植物病害。

如19世纪中叶在欧洲大流行的马铃薯晚疫病；我国于1950年发生的小麦锈病和1974年发生的稻瘟病，使小麦和水稻分别减产了60亿公斤，等等。

⑥引起动物疾病；不少致病真菌可引起人体和动物的浅部病变（例如皮肤癣菌引起的各种癣症）和深部病变（例如既可侵害皮肤、粘膜，又可侵犯肌肉、骨胳和内脏的各种致病真菌），在当前已知道的约5万种真菌中，被国际确认的人、畜致病菌或条件致病菌已有二百余种（包括酵母菌在内）。

壹、营养体Vegetativebody

（壹）菌丝（hyphae）：

是真菌营养体的基本单位，为分枝管状，有或无隔膜。

它的直径壹般为3～10μm，和酵母细胞类似，比细菌或放线菌的细胞约粗10倍。

1、真菌菌丝细胞的构造：

其外由厚实、坚韧的细胞壁所包裹，其内有细胞膜，再内就是充满着细胞质的细胞腔。

细胞核也由双层的核膜包裹，其上有许多膜孔，核内有壹核仁。

在细胞质中存在着液泡、线粒体、内质网、核糖体、泡囊和膜边体（lomasome）等。

膜边体是壹种特殊的膜结构，位于细胞壁和细胞膜之间，由单层膜包围而成，形状变化很大，有管状、囊状、球状、卵圆状或为多层折叠状等存在于细胞周围，有点类似于细菌中的间体。

其功能仍不够清楚，可能和壁形成有关。

2、菌丝顶端的构造：

包括延伸区、硬化区、次生壁形成区、成熟区、隔膜区。

菌丝顶端延伸区和硬化区的内层是几丁质层，外层为蛋白质层；次生壁形成区就是亚顶端部位，其由内至外是几丁质层、蛋白质层和葡聚糖蛋白网层；再下面就是成熟区，其由内至外相应地为几丁质层、蛋白质层、葡聚糖蛋白质层和葡聚糖层；最后就是隔膜区。

真菌细胞壁特征性地含有几丁质，使细胞壁坚韧；也含有蛋白质、甘露聚糖和葡聚糖等无定型物质，它们混在上述纤维状物质构成的网内或网外，充实了细胞壁的结构。

3、菌丝的功能：

主要进行营养吸收和生长扩展。

4、菌丝变态：

近似通常是分枝的丝状结构，但也常常转变形成壹些特殊的形态。

（1）假根（rhizoid）：

存在于毛霉目真菌中，是匍匐状菌丝和基质接触分化出来的根状结构，起固着菌体和吸取养料的作用。

（2）吸器（haustorium）：

由植物专性寄生真菌从菌丝上产生出来的旁枝，侵入细胞内吸收养料的器官。

形态多样。

（3）附着胞：

许多植物寄生真菌在其芽管或老菌丝顶端发生的膨大结构。

可分泌粘性物，借以牢固地粘附在宿主的表面。

（4）附着枝：

壹些寄生真菌由菌丝细胞生出1～2个细胞的短枝，以将菌丝附着于宿主上。

（5）匍匐菌丝：

毛霉目真菌通常形成的具有延伸功能的匍匐状菌丝。

（6）菌环（ring）和菌网（net）：

捕食性真菌产生的、有菌丝分枝组成的环状或网状组织，主要用于捕捉线虫。

（二）菌丝组织和菌丝组织体

1、菌丝组织：

在真菌生活史的某些阶段，菌丝体进壹步结合、组织化，形成疏松的或紧密地交织的组织。

（1）疏丝组织：

比较疏松，菌丝体是长形的、多少互相平行排列的细胞。

（2）拟薄壁组织：

有紧密排列的多角形或卵圆形的菌丝细胞组成，类似于维管束植物的薄壁细胞。

2、菌丝组织体：

（1）菌核（sclerotium）：

是壹种休眠结构、表面颜色黑或暗，颗粒状，由皮层、拟薄壁组织和疏丝组织组成，贮藏养料，且可抵抗逆境、渡过不良环境，条件合适时，可恢复生长，长出菌丝，或者产生子实体。

（2）子座（stroma）：

结构、功能基本上和菌和相同，但形态上为垫状。

（3）菌索（rhizomorph）：

形态上为索状，由皮层和髓部组成，具有延伸和生长能力，能够吸收营养，穿透性强，且可形成子实体。

二、子实体frutingbody

子实体（sporocarp或fruitingbody）：

由菌丝等营养体转化或分化而来的、在其里面或上面可产生孢子的、有壹定形状的任何构造。

是真菌壹切产生孢子的结构的统称，包括无性的和有性的。

（壹）无性子实体：

1、游动孢子囊和游动孢子囊梗：

存在于鞭毛菌中，有菌丝顶端分化出孢子囊，其内原生质割裂产生具鞭毛的游动孢子，壹般着生在菌丝分化形成的游动孢子囊梗上。

2、孢子囊和孢子囊梗：

存在于接合菌中，不同于游动孢子囊之处在于，其内生的孢子成为孢囊孢子，无鞭毛、有细胞壁，仍常有囊轴。

3、分生孢子梗：

存在于子囊菌或半知菌中，由菌丝分化而来，直接外生于菌落表面或基质表面，外生分生孢子。

单生或丛生。

形态、颜色等多样。

4、分生孢子梗束：

是成束状，紧密联结在壹起的分生孢子梗。

5、分生孢子器：

是壹个球形或瓶状的结构，在其内壁四周或底部丛生有极短的分生孢子梗，在梗上产生分生孢子。

6、分生孢子盘：

是壹种盘状的结构，其表面簇生有分生孢子梗，生和寄主的角质层或皮层下。

7、分生孢子座：

是壹种垫状的结构，在子座上紧密聚集成簇有分生孢子梗。

（二）有性子实体

1、担子果：

产生担子的子实体。

担子由双核菌丝的顶端细胞膨大后形成的。

其内进行核的融合和减数分裂，最终在表面外生担孢子。

有裸果型，被果型和半被果型三类。

2、子囊果：

产生和含有子囊的子实体。

（1）闭囊壳：

是壹个球形的，闭合无孔口的结构。

（2）子囊壳：

是壹个具有孔口的球形或瓶状的结构。

（3）子囊盘：

是壹个盘状，杯状或碗状的结构。

（4）子囊座：

含有子囊的子座，子囊生于子座内部的溶腔中。

三、真菌的孢子Spore

真菌的孢子形态多样，特征丰富，是真菌分类鉴定的依据。

抗逆性很强，数量大，是繁殖方式，也是传播单位。

真菌孢子的这些共性有利于我们分离，保存菌种，但也是侵染致病、污染霉变的重要原因之壹。

四、霉菌的菌落

霉菌的细胞呈丝状，在固体培养基上有营养菌丝和气生菌丝的分化，气生菌丝间没有毛细管水，故它们的菌落和细菌和酵母的不同，而和放线菌的接近。

霉菌的菌落形态较大，质地壹般比放线菌疏松，外观干燥，不透明，呈现或紧或松的蛛网状、绒毛状或棉絮状；菌落和培养基的连接紧密，不易挑取，菌落正反面的颜色和边缘和中心的颜色常不壹致等。

菌落正反面颜色呈现明显差别的原因，是气生菌丝尤其是由它所分化出来的子实体的颜色往往比分散在固体基质内的营养菌丝的颜色深；而菌落中心和边缘颜色及结构不同的原因，则是越接近中心的气生菌丝其生理年龄越大，发育分化和成熟也越早，颜色壹般也越深，这样，它和菌落边缘尚未分化的气生菌丝比起来，自然会有明显的颜色和结构上的差异。

第二节酵母菌

酵母菌（yeast）壹般泛指能发酵糖类的各种单细胞真菌。

从分类学上见，尽管壹般认为它们主要是属于子囊菌，可是仍有壹些酵母的有性繁殖产生担子，有仍有壹些酵母菌是没有有性生殖的，因此，关于酵母菌的系统学归属和范畴仍有需要澄清和解决的问题。

酵母菌的主要特点如下：

①营养体（菌体）为单细胞；②多数无性繁殖方式为芽殖，也有裂殖；③有性繁殖主要产生子囊和子囊孢子，少数产生担子和担孢子；④壹般能发酵糖类产能；⑤细胞壁常含甘露聚糖；

壹般嗜好在含糖量较高、酸度较大的水生环境中生长。

酵母菌的种类很多，且且和人类的关系极其密切。

能够认为，酵母菌是人类的第壹种“家养微生物”。

酵母菌及其发酵产品大大改善和丰富了人类的生活，例如乙醇和有关饮料的生产，面包的制造等。

酵母菌分布广泛，是发酵工业的基础。

同时酵母菌可被用于甘油发酵、石油降解和转化、油品脱蜡、核酸、甾醇、辅酶A、细胞色素C、凝血质和维生素等生化药物的生产，仍可用于单细胞蛋白（SCP）的生产，也是生物学实验的良好材料。

主要生长在偏酸性的含糖环境中，例如，在水果、蔬菜、蜜饯的表面和在果园土壤中最为常见，此外，在油田和炼油厂附近土层中也很易分离到能特别利用烃类作为碳源的酵母菌。

单细胞蛋白（SCP，singlecellprotein）壹般是指来自各类单细胞微生物体的蛋白，可供动物作营养。

酵母的单细胞蛋白无毒、易消化吸收、必需氨基酸的含量丰富、核酸含量较低、口味好、制造容易、价格低廉。

酵母菌单细胞蛋白生产可利用无机氮源或尿素，生长速度快，细胞体积大。

在有害方面，目前已知少数酵母菌能引起人或其他动物的疾病，其中最常见的是Candidaalbicans（白色假丝酵母菌，即“白色念珠菌”）和Cryptococcusneoformans（新型隐球菌）。

壹、酵母菌细胞的形态构造

酵母菌是单细胞真核微生物，细胞直径壹般比细菌大10倍，例如，典型的酵母菌——酿酒酵母Saccharomycescerevisiae细胞大小为4.5～21×2.5～10μm，因此，在光学显微镜下，可模糊地见到它们细胞内的种种结构分化。

酵母菌细胞的形态通常有球状、卵圆状、椭圆状、柱状或香肠状等多种。

可因串生芽殖后，子细胞和暂不脱离母细胞而形成假菌丝。

（壹）细胞壁

酵母菌的细胞壁壹般厚约25μm，约占细胞干重的25％，是壹种坚韧的结构。

用蜗牛消化酶可水解酵母菌的细胞壁，从而制备酵母菌的原生质体。

酵母菌的细胞壁分为三层，外层为甘露聚糖，内层为葡聚糖，中间夹有壹层蛋白质分子。

蛋白质约占细胞壁干重的10％，其中壹些是酶，如葡聚糖酶、甘聚糖酶、蔗糖酶、碱性磷酸酶和脂酶等。

细胞壁上仍含有少量类脂和以环状形式分布在芽痕周围的几丁质。

（二）细胞膜

酵母菌的细胞膜也是单位膜，是壹种双层结构，为俩层磷脂分子，亲水的磷酸集团排列在膜的外侧，疏水部分排列在内侧，上下俩层中嵌夹有蛋白质和甾醇，甾醇中又以麦角甾醇居多，经紫外线照射，可形成丁种维生素（D2）。

整个细胞膜中，蛋白质约占干重50％，类脂约占40％。

酵母菌细胞膜的功能主要是：

①用以调节细胞外溶质运送到细胞内的渗透屏障；②细胞壁等大分子成分的生物合成和装配基地；③部分酶的合成和作用场所。

（三）细胞核

酵母菌具有真核，其细胞核有核膜，用碱性品红或姬姆萨染色法对固定的酵母细胞进行染色，仍可观察到核内的染色体；核膜是壹种双层单位膜，其上有存在大量直径为40～70nm的核孔，用以增大核内外的物质交换。

酵母细胞核是其遗传信息的主要贮存库。

但在核外，线粒体和环状的质粒中也含有DNA。

（四）其他细胞构造

1、液泡（vacuole）。

储藏含有营养物（如聚磷酸、类脂、中间代谢物）和壹些水解酶、金属离子，也可调节细胞的渗透压。

2、线粒体（mitochondria）。

富含参和电子传递和氧化磷酸化的酶，是进行氧化磷酸化的细胞器。

3、微体（microbody）：

存在于有些酵母菌中，如Candidaalbicans，参和甲醇和烷烃的氧化。

二、酵母菌的繁殖方式

（壹）无性繁殖

1．芽殖（budding）。

是酵母菌最常见的繁殖方式。

在母细胞形成芽体的部位，由于水解酶对细胞壁多糖的分解，使细胞壁变薄。

大量新细胞物质——核物质（染色体）和细胞质等在芽体起始部位上堆积，使芽体逐步长大。

当芽体达到最大体积，即和母细胞等大时，它和母细胞相连部位形成了壹块隔壁。

最后，母细胞和子细胞在隔壁处分离。

2．裂殖（fission）。

酵母菌的裂殖和细菌的裂殖相似。

其过程是细胞伸长，核分裂为二，然后细胞中央出现隔膜，将细胞横分为俩个相等大小的、各具有壹个核的子细胞。

3．产生无性孢子。

在卵圆形的营养细胞上生出小梗，在小梗顶端形成肾形的无性孢子，成熟后被喷射出来，故这种孢子又称为掷孢子（ballistospore）。

（二）有性繁殖

在酵母菌中，且不如大多数子囊菌那样在有性生殖时产生特定的雌雄配子囊——产囊体和雄器，因此最终产生的子囊是裸露的。

壹般是由相邻的俩个性别不同的细胞结合，双方的原生质汇入壹个细胞或融合为壹个细胞，然后发生核配和减数分裂，原有的细胞发育成子囊（ascus），其内部围绕子核和其周围的原生质形成子囊孢子（ascospore）。

三、酵母菌的生活史（lifecycle）

在真菌中，从壹种孢子萌发开始，经过生长、发育，又产生同壹种孢子的过程为真菌的生活史。

酵母菌的生活史有三种类型。

（壹）营养体既能够单倍体（n）也能够二倍体（2n）形式存在——以酿酒酵母Saccharomycescerevisiae为代表。

1、特点：

①壹般情况下都以营养体状态进行出芽繁殖；②营养体既能够单倍体形式存在，也能以二倍体形式存在；③在特定条件下进行有性繁殖。

2、过程：

①子囊孢子在合适的条件下发芽产生单倍体营养细胞；②单倍体营养细胞不断进行出芽繁殖；③俩个性别不同的营养细胞彼此接合，在质配后即发生核配，形成二倍体营养细胞；④二倍体营养细胞且不立即进行核分裂，而是不断进行出芽繁殖；⑤在特定条件（例如在含醋酸钠的McClary培养基、石膏块和胡萝卜条上）下，二倍体营养细胞转变成子囊，细胞核进行减数分裂，且形成4个子囊孢子；⑥子囊破壁释放出单倍体子囊孢子。

（二）营养体只能以单倍体（n）形式存在——以八孢裂殖酵母Schizosaccharomycesoctosporus为代表。

1、特点：

①营养细胞为单倍体；②无性繁殖以裂殖方式进行；③二倍体细胞不能独立生活。

2、主要过程：

①单倍体营养细胞借裂殖进行无性繁殖；②俩个营养细胞接触后形成接合管，发生质配后即行核配，于是俩个细胞联成壹体；③二倍体的核分裂3次，第壹次为减数分裂；④形成8个单倍体的子囊孢子；⑤子囊破裂，释放子囊孢子。

（三）营养体只能以二倍体（2n）形式存在——以路德类酵母Saccharomycodesludwigii为代表。

1、特点：

①营养体为二倍体，不断进行芽殖生长；②单倍体的子囊孢子在子囊内发生接合；③单倍体阶段仅以子囊孢子形式存在，不能独立生活。

2、过程：

①单倍体子囊孢子在孢子囊内成对接合，且发生质配和核配；②接合后的二倍体细胞萌发，穿破子囊壁；③二倍体的营养细胞可独立生活，通过芽殖方式进行无性繁殖；④在二倍体营养细胞内的核发生减数分裂，营养细胞成为子囊，其中形成4个单倍体子囊孢子。

四、酵母菌的菌落

酵母菌在固体培养基表面形成的菌落和细菌相仿，壹般湿润、较光滑，有壹定透明度，容易挑起，质地均匀，颜色均壹。

但较大、较厚、外观较稠，壹般会有芳香味，边缘圆整或粗糙。

在微生物学学习、研究和应用中，菌落的特征是初步判断微生物类群的重要形态指标。

现将细菌、放线菌、酵母菌和霉菌的菌落和细胞的基本特征作壹比较如下。