發(fā)酵調(diào)控學(復習)

1、發(fā)酵調(diào)控學發(fā)酵調(diào)控學生物工程學院生物工程學院儲儲 炬炬課程內(nèi)容1 微生物生長分化調(diào)節(jié)的規(guī)律微生物生長分化調(diào)節(jié)的規(guī)律(1)細胞周期內(nèi)有關(guān)生長的活動，dna合成與細胞分裂的調(diào)節(jié)(2)絲狀菌生長分化的調(diào)節(jié)2 初級代謝的調(diào)節(jié)機制初級代謝的調(diào)節(jié)機制(1)調(diào)節(jié)的生化基礎(chǔ)(2)代謝調(diào)節(jié)的方式與內(nèi)容：誘導、分解代謝物調(diào)節(jié)、反饋調(diào)節(jié)課程內(nèi)容3 次級代謝物的生物合成的調(diào)節(jié)次級代謝物的生物合成的調(diào)節(jié)(1)次級代謝物的概念(2)生物合成的前體(3)次級代謝物的生物合成(4)抗生素生物合成的控制課程內(nèi)容4 發(fā)酵過程控制發(fā)酵過程控制(1)控制的策略(2)參數(shù)的指導作用(3)參數(shù)相關(guān)分析(4)過程控制的評價主要參考書現(xiàn)代工

2、業(yè)發(fā)酵調(diào)控學，儲炬，李友榮，化現(xiàn)代工業(yè)發(fā)酵調(diào)控學，儲炬，李友榮，化學工業(yè)出版社，北京。學工業(yè)出版社，北京。2002年年1月月biotechnology, 2nd ed. vol.1; biological fundamentals. rehm h-jbbiotechnology, 3nd ed vol.3;bioprocessing. rehm h-jb微生物發(fā)酵代謝調(diào)控與發(fā)酵過微生物發(fā)酵代謝調(diào)控與發(fā)酵過程優(yōu)化技術(shù)程優(yōu)化技術(shù)代謝調(diào)控是研究內(nèi)在的調(diào)節(jié)機制，而過程優(yōu)化則是外在控制，是建立在相關(guān)參數(shù)的分析上的，這兩個方向相輔相成，前者為后者的基礎(chǔ)，而后者是使理論變?yōu)楝F(xiàn)實的手段。1微生物生長與調(diào)節(jié) 為

3、了控制菌體的生長，需要了解生長的為了控制菌體的生長，需要了解生長的方式，細胞分裂和調(diào)節(jié)的規(guī)律，測量微方式，細胞分裂和調(diào)節(jié)的規(guī)律，測量微生物生長的各種辦法，微生物生長繁殖生物生長的各種辦法，微生物生長繁殖的形式與工業(yè)生產(chǎn)的關(guān)系，環(huán)境變化對的形式與工業(yè)生產(chǎn)的關(guān)系，環(huán)境變化對微生物生長的影響。因此，研究微生物微生物生長的影響。因此，研究微生物的生長分化規(guī)律無疑是發(fā)酵調(diào)控原理的的生長分化規(guī)律無疑是發(fā)酵調(diào)控原理的一個重要組成部分一個重要組成部分。 細胞周期 對于個體細胞行為，主要關(guān)心對于個體細胞行為，主要關(guān)心染色體啟動、復制和分離染色體啟動、復制和分離新細胞壁材料的合成與插入新細胞壁材料的合成與插入?yún)f(xié)調(diào)

4、染色體復制和細胞分裂的信號協(xié)調(diào)染色體復制和細胞分裂的信號 細胞周期細胞周期細胞周期(cell cycle)： 細胞的一系列可鑒別的周而復始的細胞的一系列可鑒別的周而復始的生長活動。這些活動的順序不變生長活動。這些活動的順序不變, 完完成一個活動后才能進行下一個活動。成一個活動后才能進行下一個活動。圖1 細胞周期細胞周期典型的真核生物細胞周期如圖所示典型的真核生物細胞周期如圖所示: s, m和和g1, g2分別代表分別代表dna 合成合成, 有絲分裂期有絲分裂期和兩次間隙。和兩次間隙。若生長速率因養(yǎng)分多寡而改變?nèi)羯L速率因養(yǎng)分多寡而改變, s, g2 和和m 幾乎不變幾乎不變, 只有只有g(shù)1改變

5、。改變。mtg: mean generation time細胞周期原核生物在低生長速率下的低生長速率下的細胞周期, 與真核生物相似。其染色體復制期c 相當于 s；細胞分裂期 d相當于g2+m；c 和d 不隨生長速率變化, 只有g(shù)1可變動。細胞周期的各項活動怎樣去適應(yīng)生長速細胞周期的各項活動怎樣去適應(yīng)生長速率變化的需要率變化的需要？染色體復制與細胞分裂的調(diào)節(jié)染色體復制怎樣與細胞分裂協(xié)調(diào)？染色體復制怎樣與細胞分裂協(xié)調(diào)？ 在高速生長下, 如細胞周期為30 min, 染色體復制不能在一個周期內(nèi)完成。為此，未等前一輪復制結(jié)束，后一輪復制又在原點上啟動?？梢园裞 期的啟動和終止,以及細胞分裂看作是不可更改

6、的活動順序, 稱為稱為c+d 周期周期。染色體復制與細胞分裂的調(diào)節(jié)若增代時間少于若增代時間少于 c+d時間時間, c+d 周周期重疊，其重要特征是分配到子細期重疊，其重要特征是分配到子細胞的染色體已開始新的一輪復制。胞的染色體已開始新的一輪復制。這類染色體稱為二叉染色體這類染色體稱為二叉染色體(dichotomous)。圖2大腸桿菌的染色體復制和細胞分裂的時間分配示意圖染色體復制和細胞分裂的調(diào)節(jié)規(guī)律染色體復制未完成，染色體復制未完成， 細胞就不會分裂。細胞就不會分裂。不管生長速率如何，大腸桿菌的細胞分不管生長速率如何，大腸桿菌的細胞分裂總是出現(xiàn)在染色體復制完成之后。裂總是出現(xiàn)在染色體復制完成之

7、后。不管生長速率如何，不管生長速率如何，c 和和d 所需時間大所需時間大致不變。致不變。c 和和 d可以依次或同時可以依次或同時(指上一輪的指上一輪的 d和和下一輪的下一輪的c ) 進行。進行。思考題 加倍時間最小為多少？c40， d20時，時間如何分配？ 染色體復制的啟動 染色體復制的啟動受啟動因子染色體復制的啟動受啟動因子(origin), 一種特異調(diào)節(jié)性蛋白的正一種特異調(diào)節(jié)性蛋白的正向控制。當啟動因子增加到某一臨向控制。當啟動因子增加到某一臨界水平界水平, 啟動便開始。在這以后啟動啟動便開始。在這以后啟動因子被毀或稀釋。合成啟動因子達因子被毀或稀釋。合成啟動因子達到有效濃度所需的時間恰好

8、等于培到有效濃度所需的時間恰好等于培養(yǎng)物增代時間。養(yǎng)物增代時間。染色體復制的啟動 大腸桿菌在啟動時的啟動因子數(shù)量與細大腸桿菌在啟動時的啟動因子數(shù)量與細胞質(zhì)量之比在各種生長速率下是一樣的。胞質(zhì)量之比在各種生長速率下是一樣的。這一比例實際上是染色體啟動因子的濃這一比例實際上是染色體啟動因子的濃度。細胞似乎能檢出啟動因子的濃度。度。細胞似乎能檢出啟動因子的濃度。當它達到一臨界值時便啟動新一輪的復當它達到一臨界值時便啟動新一輪的復制。啟動的直接后果是啟動因子的濃度制。啟動的直接后果是啟動因子的濃度提高一倍。提高一倍。染色體復制的啟動 啟動不會重新發(fā)生直到其濃度因生啟動不會重新發(fā)生直到其濃度因生長而降到

9、臨界值。這種控制機制構(gòu)長而降到臨界值。這種控制機制構(gòu)成一種生物鐘。它是以細胞體積或成一種生物鐘。它是以細胞體積或其它有關(guān)參數(shù)為依據(jù)。據(jù)此，染色其它有關(guān)參數(shù)為依據(jù)。據(jù)此，染色體復制的啟動頻率是體復制的啟動頻率是dna 合成速率合成速率的控制步驟。的控制步驟。染色體復制的啟動o/m=i 啟動，啟動， 啟動后，啟動后，2o/m=i,ii 不再啟動，不再啟動， m增加，增加，m 2m，使，使i逐逐漸下降，漸下降， 2o/2m=o/m=i，又開始啟動。又開始啟動。啟動和復制是性質(zhì)截然不同的兩種過程 啟動的過程需要蛋白質(zhì)合成，如蛋白質(zhì)合成受阻，啟動的過程需要蛋白質(zhì)合成，如蛋白質(zhì)合成受阻，已啟動的已啟動的d

10、na合成能完成，但不能啟動新一輪合成能完成，但不能啟動新一輪dna合成合成 。曾檢出其產(chǎn)物負責啟動而不負責隨后復制的基曾檢出其產(chǎn)物負責啟動而不負責隨后復制的基因；因；加入利福平或氯霉素抑制加入利福平或氯霉素抑制rna或蛋白質(zhì)合成或或蛋白質(zhì)合成或除去營養(yǎng)缺陷型所需的氨基酸都能阻止啟動，但除去營養(yǎng)缺陷型所需的氨基酸都能阻止啟動，但允許復制繼續(xù)完成；允許復制繼續(xù)完成；培養(yǎng)物進入穩(wěn)定生長期后，中止生長的細胞含有培養(yǎng)物進入穩(wěn)定生長期后，中止生長的細胞含有完整的染色體完整的染色體。染色體復制的啟動 啟動總是在染色體上的專一位置上進行。啟動總是在染色體上的專一位置上進行。此位點稱為復制或染色體原點。在大腸此

11、位點稱為復制或染色體原點。在大腸桿菌此位點很靠近桿菌此位點很靠近ilv座位。座位。在大腸桿菌和枯草桿菌中復制叉以兩個在大腸桿菌和枯草桿菌中復制叉以兩個方向沿染色體運行，大約在離原點方向沿染色體運行，大約在離原點180度度地方相遇。地方相遇。染色體復制的啟動 啟動的頻率取決于細胞量增長的速啟動的頻率取決于細胞量增長的速率，即生長停止，啟動也隨著停止率，即生長停止，啟動也隨著停止是預料中的事。是預料中的事。 細胞周期的研究方法細胞周期的研究方法1 鏡檢法鏡檢法 用電子顯微鏡觀察單個細胞的生長，定用電子顯微鏡觀察單個細胞的生長，定時拍照。由此發(fā)現(xiàn)大腸桿菌在分裂時細時拍照。由此發(fā)現(xiàn)大腸桿菌在分裂時細胞

12、個子的變化不大。胞個子的變化不大。細胞周期的研究方法細胞周期的研究方法 1 鏡檢法鏡檢法 說明似乎存在一種控制細胞個子大說明似乎存在一種控制細胞個子大小的因子，即尺寸因子小的因子，即尺寸因子(size factor), 可能是啟動細胞質(zhì)量可能是啟動細胞質(zhì)量(initiation mass)。 1 1 鏡檢法鏡檢法 缺點缺點:細胞由培養(yǎng)液轉(zhuǎn)移到固體細胞由培養(yǎng)液轉(zhuǎn)移到固體表面表面,會受到干擾。會受到干擾。 細胞年齡變化較大時細胞年齡變化較大時,細胞大小細胞大小變化不大。變化不大。2 同步培養(yǎng)(synchrony)法 (1) 密度梯度離心沉降法密度梯度離心沉降法 按細胞的大小按細胞的大小/年齡把在對

13、數(shù)生長期的培養(yǎng)年齡把在對數(shù)生長期的培養(yǎng)物分級。物分級。 h2o/d2o密度梯度沉降法密度梯度沉降法: 能應(yīng)用于任何品種能應(yīng)用于任何品種, 不會施加滲透壓強不會施加滲透壓強 的影響。的影響。 從某一密度帶便可分離出同質(zhì)的細胞群體，從某一密度帶便可分離出同質(zhì)的細胞群體，隨后培養(yǎng)。隨后培養(yǎng)。細胞大小的分布頻率與蛋白質(zhì)合成速率的關(guān)系細胞大小的分布頻率與蛋白質(zhì)合成速率的關(guān)系 蛋白質(zhì)合成速率與細胞長度蛋白質(zhì)合成速率與細胞長度(體體積積)成正比，從而與細胞年齡成成正比，從而與細胞年齡成正比。正比。(2)過濾洗脫法 將細胞粘附在固體支持物，如硝化將細胞粘附在固體支持物，如硝化纖維膜上，然后將其倒置，讓生長纖維

14、膜上，然后將其倒置，讓生長培養(yǎng)基從上到下通過，新生的細胞培養(yǎng)基從上到下通過，新生的細胞便被洗脫到培養(yǎng)基中，呈一種特征便被洗脫到培養(yǎng)基中，呈一種特征性的振蕩模式，見圖性的振蕩模式，見圖123。過濾洗脫法(2)過濾洗脫法 在初始沖洗在初始沖洗(wash-off)期后從濾膜上期后從濾膜上洗脫下來的主要是新分裂的細胞。洗脫下來的主要是新分裂的細胞。在洗脫曲線高峰下從膜上洗下的細在洗脫曲線高峰下從膜上洗下的細胞是沉積在膜上的新生細胞后代，胞是沉積在膜上的新生細胞后代，那些在低峰下的是其沉積時正要分那些在低峰下的是其沉積時正要分裂細胞后代。裂細胞后代。過濾洗脫法 洗脫洗脫(wash- off)的振蕩模式可

15、以的振蕩模式可以測出細胞周期。測出細胞周期。3 同位素示蹤法 如親本培養(yǎng)物沉積在濾膜上之前用如親本培養(yǎng)物沉積在濾膜上之前用氚標記的胸苷使細胞帶上標記，則氚標記的胸苷使細胞帶上標記，則結(jié)合到洗脫細胞的標記量與結(jié)合到結(jié)合到洗脫細胞的標記量與結(jié)合到親本培養(yǎng)物那一年齡細胞的標記量親本培養(yǎng)物那一年齡細胞的標記量成正比。成正比。細胞周期細胞周期細胞周期細胞周期 其一個洗脫峰其一個洗脫峰(后代后代)帶有比前一代少帶有比前一代少一倍的放射性標記。一倍的放射性標記。 可以分別求得可以分別求得c和和d值值 3 同位素示蹤法 另一種研究細胞周期的方法是通過另一種研究細胞周期的方法是通過蔗糖密度梯度離心，使一對數(shù)生長

16、蔗糖密度梯度離心，使一對數(shù)生長的培養(yǎng)物沉淀的培養(yǎng)物沉淀, 收集最上層的細胞，收集最上層的細胞，在含有氚在含有氚-標記胸苷的生長培養(yǎng)基上標記胸苷的生長培養(yǎng)基上生長，測量其生長，測量其dna合成速率。合成速率。3 同位素示蹤法 洗脫前在無標記培養(yǎng)基中生長，洗洗脫前在無標記培養(yǎng)基中生長，洗脫時用帶標記的培養(yǎng)基，得到的帶脫時用帶標記的培養(yǎng)基，得到的帶標記標記dna呈階梯上升狀。呈階梯上升狀。細胞周期細胞周期4 生長速率與細胞個子大小的關(guān)系 生長培養(yǎng)基越豐富，細菌生長速率生長培養(yǎng)基越豐富，細菌生長速率加快，其細胞的個子也越大。加快，其細胞的個子也越大。 如在同一種培養(yǎng)基內(nèi)改變溫度也會如在同一種培養(yǎng)基內(nèi)改

17、變溫度也會影響生長速率，但對細胞個子大小影響生長速率，但對細胞個子大小幾乎沒有多大影響。幾乎沒有多大影響。4 生長速率與細胞個子大小的關(guān)系 如一細胞的增代時間為如一細胞的增代時間為60min，在細，在細胞分裂時染色體復制便開始啟動。胞分裂時染色體復制便開始啟動。假設(shè)細胞這時具有質(zhì)量為假設(shè)細胞這時具有質(zhì)量為m (啟動細啟動細胞量胞量=1/啟動因子濃度啟動因子濃度)。4 生長速率與細胞個子大小的關(guān)系 個體細胞的量在指數(shù)地增加，直到個體細胞的量在指數(shù)地增加，直到2m，細胞便開始分裂。，細胞便開始分裂。 此時從培養(yǎng)液中檢出新生的細胞，此時從培養(yǎng)液中檢出新生的細胞，置于較豐富的培養(yǎng)基置于較豐富的培養(yǎng)基

18、(能使菌快速生能使菌快速生長長, 增代時間為增代時間為35 min) 中，并假定中，并假定細胞迅速調(diào)整到新的生長速率。細胞迅速調(diào)整到新的生長速率。4 生長速率與細胞個子大小的關(guān)系 這樣，個體細胞量增長速率往上移這樣，個體細胞量增長速率往上移動，如動，如c+d規(guī)律還適用，下一個細規(guī)律還適用，下一個細胞分裂的時間不會變動，但細胞個胞分裂的時間不會變動，但細胞個子會增大。子會增大。 新一輪復制的啟動將在細胞分裂前新一輪復制的啟動將在細胞分裂前便開始。便開始。4 生長速率與細胞個子大小的關(guān)系 換句話說，換句話說，c+d 周期現(xiàn)在開始重疊。周期現(xiàn)在開始重疊。快速生長經(jīng)一個細胞周期后便達到快速生長經(jīng)一個細

19、胞周期后便達到新的平衡。生長速率越快，細胞個新的平衡。生長速率越快，細胞個子的差異也越大。子的差異也越大。生長速率對細胞個子和染色體復制啟動時間的影響生長速率對細胞個子和染色體復制啟動時間的影響可用式可用式1-27 表示細胞周期表示細胞周期t對指數(shù)培對指數(shù)培養(yǎng)物的細胞個子平均大小養(yǎng)物的細胞個子平均大小m 的影響。的影響。 m = k2(c+d/t) (1-27) 曲線的形狀將取決于曲線的形狀將取決于c，d 和和k 是否是否變，只有在簡單情況下變，只有在簡單情況下logm與與t作曲作曲線才會得一直線。線才會得一直線。細菌培養(yǎng)物的生長周期 在一來自靜止期細胞的培養(yǎng)物的生在一來自靜止期細胞的培養(yǎng)物的

20、生長期間，在細胞數(shù)目開始增加以前長期間，在細胞數(shù)目開始增加以前有一相當長的停滯期。細胞量開始有一相當長的停滯期。細胞量開始增長的滯后現(xiàn)象短一些。增長的滯后現(xiàn)象短一些。細菌培養(yǎng)物的生長周期如達到物態(tài)的指數(shù)生長，則所有可測的如達到物態(tài)的指數(shù)生長，則所有可測的參數(shù)也將平行地增長。參數(shù)也將平行地增長。當培養(yǎng)物進入靜止期便發(fā)生與上述當培養(yǎng)物進入靜止期便發(fā)生與上述相相反的活動順序。反的活動順序。因啟動速率比細胞分裂早減速因啟動速率比細胞分裂早減速cd分鐘。分鐘。細胞量增長下降時，細胞分裂繼續(xù)指數(shù)細胞量增長下降時，細胞分裂繼續(xù)指數(shù)進行，細胞漸漸變小。進行，細胞漸漸變小。細菌培養(yǎng)物的生長周期細菌培養(yǎng)物的生長周

21、期 新的一輪新的一輪dna復制的啟動頻率復制的啟動頻率取決于新細胞量的積累速率，則取決于新細胞量的積累速率，則吸光度與細胞數(shù)目至少有吸光度與細胞數(shù)目至少有cd分鐘不平行。分鐘不平行。生長速率和dna濃度 細胞中的細胞中的dna%隨生長速率的增加而下降，隨生長速率的增加而下降，可用式可用式1-28表示表示:g/m= /(kc ln2)(1-2-c/ ) (1-28)式中式中g(shù) 是基因組的當量，為每個細胞的是基因組的當量，為每個細胞的dna 平均值。平均值。生長速率對生長速率對dnadna濃度和平均染色體構(gòu)型的影響濃度和平均染色體構(gòu)型的影響展示了3種質(zhì)量倍增時間：a) 70 min，b) 40 m

22、in，c) 20 min生長速率對生長速率對dnadna濃度和平均染色體構(gòu)型的影響濃度和平均染色體構(gòu)型的影響 一個啟動細胞量單位含有一個剛開始一一個啟動細胞量單位含有一個剛開始一輪復制的染色體。用一水平線輪復制的染色體。用一水平線c 分鐘長分鐘長度表示。它在縱軸上所處高度代表細胞度表示。它在縱軸上所處高度代表細胞量。假定細胞量的復制時間為量。假定細胞量的復制時間為70 min，見圖見圖1-28a，將出現(xiàn)輪與輪復制的間隙。，將出現(xiàn)輪與輪復制的間隙。當細胞量增加到三倍時它將完成當細胞量增加到三倍時它將完成4 個復個復制好的染色體。制好的染色體。生長速率對生長速率對dnadna濃度和平均染色體構(gòu)型的

23、影響濃度和平均染色體構(gòu)型的影響 如在零小時把細胞置于增代時間為如在零小時把細胞置于增代時間為40 min的培養(yǎng)基內(nèi)，見圖的培養(yǎng)基內(nèi)，見圖1-28b，則新一輪，則新一輪復制將緊跟在上一輪復制完成之后開始，復制將緊跟在上一輪復制完成之后開始，輪與輪之間不存在間隙。待細胞量增到輪與輪之間不存在間隙。待細胞量增到3個單位時，第二輪的復制將不會完成。個單位時，第二輪的復制將不會完成。結(jié)果得到結(jié)果得到2條復制了一半的染色體，條復制了一半的染色體，dna濃度下降到濃度下降到3/3。生長速率對生長速率對dnadna濃度和平均染色體構(gòu)型的影響濃度和平均染色體構(gòu)型的影響 如將細胞置于增代時間為如將細胞置于增代時間

24、為20 min的培養(yǎng)的培養(yǎng)基內(nèi)基內(nèi), 在第一輪復制還未完成前第二輪復在第一輪復制還未完成前第二輪復制已開始。當細胞量達到制已開始。當細胞量達到3 時時, 只有一個只有一個帶三個復制叉的染色體，見圖帶三個復制叉的染色體，見圖1-28c，dna 濃度進一步下降到濃度進一步下降到2.25/3。生長速率對生長速率對dnadna濃度和平均染色體構(gòu)型的影響濃度和平均染色體構(gòu)型的影響生長速率影響染色體上不同位置的相對基因拷貝數(shù) 在一隨機的指數(shù)培養(yǎng)物中，接近原點處在一隨機的指數(shù)培養(yǎng)物中，接近原點處的基因，其拷貝數(shù)總是居多，靠近兩端的基因，其拷貝數(shù)總是居多，靠近兩端的較少。的較少。 這種相對基因劑量的傾斜度隨生

25、長速這種相對基因劑量的傾斜度隨生長速率的增加而提高。率的增加而提高。生長速率影響染色體上不同位置的相對基因拷貝數(shù) dna的濃度隨生長速率的增加而下的濃度隨生長速率的增加而下跌，從而不同程度地影響基因濃度。跌，從而不同程度地影響基因濃度。那些靠近染色體原點的基因濃度沒那些靠近染色體原點的基因濃度沒有變化；位于中間的基因平均濃度有變化；位于中間的基因平均濃度則只有原點周圍的一半左右；處在則只有原點周圍的一半左右；處在染色體復制近末端的基因濃度最低。染色體復制近末端的基因濃度最低。生長速率影響染色體上不同位置的相對基因拷貝數(shù) 在一個細胞周期內(nèi)，一個基因濃度在一個細胞周期內(nèi)，一個基因濃度相對另一個而言

26、，可相差相對另一個而言，可相差4倍。生長倍。生長速率對不同作用，提供了一種解釋速率對不同作用，提供了一種解釋非隨機基因次序的理由。非隨機基因次序的理由。生長速率影響染色體上不同位置的相對基因拷貝數(shù) 據(jù)此，對生長速率有限制作用的應(yīng)據(jù)此，對生長速率有限制作用的應(yīng)位于靠近染色體原點處。其實，這位于靠近染色體原點處。其實，這是為什么大腸桿菌中有是為什么大腸桿菌中有6 個拷貝編個拷貝編碼核糖體碼核糖體rna的基因都聚集在原點的基因都聚集在原點的附近的緣故。的附近的緣故。生長速率對細胞組分的影響每個細胞每個細胞rna隨生長速率的變化可以達隨生長速率的變化可以達10倍之倍之多。在快速生長的細胞中多。在快速生

27、長的細胞中rna的含量可以達到的含量可以達到細胞重量的細胞重量的30。每個細胞的每個細胞的dna也隨生長速率的提高而增加，也隨生長速率的提高而增加，但程度低一些。因此，以細胞重量衡量，但程度低一些。因此，以細胞重量衡量，dna含量是減少的。含量是減少的。細胞的外殼的厚度通常不變，胞壁和質(zhì)膜在整個細胞的外殼的厚度通常不變，胞壁和質(zhì)膜在整個細胞中的比例隨細胞個子的增大而減小。細胞中的比例隨細胞個子的增大而減小。絲狀菌生長分化的調(diào)節(jié)微生物的生長調(diào)節(jié)微生物的生長調(diào)節(jié) 微生物的生長分化受其自身和外微生物的生長分化受其自身和外界多種因素的調(diào)節(jié)。這里以真菌為界多種因素的調(diào)節(jié)。這里以真菌為對象，闡述菌絲體形態(tài)

28、調(diào)節(jié)的規(guī)律。對象，闡述菌絲體形態(tài)調(diào)節(jié)的規(guī)律。絲狀菌生長分化的調(diào)節(jié) 霉菌和放線菌均為絲狀微生物。其生長方霉菌和放線菌均為絲狀微生物。其生長方式是菌絲式是菌絲 (hyphae) 末梢伸長、分枝末梢伸長、分枝 (圖圖1-5) 和交錯成網(wǎng)和交錯成網(wǎng) (圖圖1-6)，稱為菌絲體，稱為菌絲體 (mycelium)。一定長度的真菌菌絲，其。一定長度的真菌菌絲，其橫切面有間隔膜。真菌屬真核生物，為橫切面有間隔膜。真菌屬真核生物，為多細胞，且每個細胞含有多個細胞核和多細胞，且每個細胞含有多個細胞核和各種細胞器。各種細胞器。絲狀菌生長分化的調(diào)節(jié) 細胞一旦形成后便保持其完整性，且與細胞一旦形成后便保持其完整性，且與

29、其相鄰細胞的菌齡不同，越靠近末梢的其相鄰細胞的菌齡不同，越靠近末梢的菌絲，越年輕。菌絲，越年輕。 放線菌、鏈霉菌和諾卡放線菌、鏈霉菌和諾卡氏菌屬均屬于放線菌屬，為原核生物，氏菌屬均屬于放線菌屬，為原核生物，革蘭氏染色呈陽性。它們無核膜和細胞革蘭氏染色呈陽性。它們無核膜和細胞器，其菌絲直徑器，其菌絲直徑 (約約1 m) 比霉菌比霉菌 (2-10m) 細，易折斷。許多真菌能形成孢細，易折斷。許多真菌能形成孢子，稱為分生孢子。子，稱為分生孢子。菌絲頂端生長菌絲頂端生長(apical growth of haphae)(apical growth of haphae) 菌絲僅在頂端(末梢)生長, 其余

30、部分的菌絲壁加厚，但不擴展。 居間生長(intercalary growth)的細胞的任何部分均能擴展與分裂。菌絲頂端生長機制大多數(shù)菌絲頂端生長機制都與泡囊大多數(shù)菌絲頂端生長機制都與泡囊(vesicles)在頂端的聚集有關(guān)。在頂端的聚集有關(guān)。一旦生長停止，泡囊在頂端消失，并一旦生長停止，泡囊在頂端消失，并分布在次頂部生長區(qū)。分布在次頂部生長區(qū)。菌絲頂端生長機制 一種推測的細胞壁單位的生長活動a) 含有細胞壁溶解酶的泡囊與質(zhì)膜融合；含有細胞壁溶解酶的泡囊與質(zhì)膜融合；b) 細胞壁的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)局部拆開，從而取得塑性；細胞壁的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)局部拆開，從而取得塑性；c) 細胞壁由于原生質(zhì)內(nèi)部壓力而擴展，泡囊與質(zhì)

31、細胞壁由于原生質(zhì)內(nèi)部壓力而擴展，泡囊與質(zhì)膜融合，釋放出細胞壁合成酶；膜融合，釋放出細胞壁合成酶；d)新細胞壁的合成前體由泡囊提供，細胞壁的合成新細胞壁的合成前體由泡囊提供，細胞壁的合成從質(zhì)膜向外擴展；從質(zhì)膜向外擴展；e) 新細胞壁單元被合成。新細胞壁單元被合成。泡囊是什么? 泡囊是一種由單層膜包裹的細胞器泡囊是一種由單層膜包裹的細胞器, , 可可把它看作是溶酶體復合物或內(nèi)膜復合物把它看作是溶酶體復合物或內(nèi)膜復合物的一部分。的一部分。 還含有細胞壁合成酶以及細胞壁的若干還含有細胞壁合成酶以及細胞壁的若干前體。它在胞內(nèi)起運輸材料的作用。前體。它在胞內(nèi)起運輸材料的作用。泡囊如何在菌絲頂端聚集 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)

32、系統(tǒng)產(chǎn)生泡囊的區(qū)域位于菌內(nèi)質(zhì)網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生泡囊的區(qū)域位于菌絲的次頂部絲的次頂部, 藉化學或電化學濃度梯藉化學或電化學濃度梯度度(推動力推動力)移動的。菌絲頂端全靠發(fā)移動的。菌絲頂端全靠發(fā)酵維持。因無線粒體，頂部以外的酵維持。因無線粒體，頂部以外的細胞靠線粒體進行正常呼吸。細胞靠線粒體進行正常呼吸。泡囊如何在菌絲頂端聚集 用細胞松弛素用細胞松弛素(cytochalasin)可以可以完全抑制細胞質(zhì)的流動，從而阻止完全抑制細胞質(zhì)的流動，從而阻止泡囊的移動和生長。故細胞質(zhì)的流泡囊的移動和生長。故細胞質(zhì)的流動是生長的動是生長的推動力推動力，使泡囊流，使泡囊流向菌絲頂端。向菌絲頂端。泡囊如何在菌絲頂端聚集 如

33、菌絲頂端同其次頂部區(qū)域被隔離如菌絲頂端同其次頂部區(qū)域被隔離, 則生則生長便緩慢下來；長便緩慢下來； 如切斷的地方離開頂端遠些如切斷的地方離開頂端遠些, 對生長的影對生長的影響便小得多。響便小得多。 據(jù)此，可測定末稍生長區(qū)域的長度。粗據(jù)此，可測定末稍生長區(qū)域的長度。粗糙鏈孢霉頂端生長的低限長度為糙鏈孢霉頂端生長的低限長度為10 mm。兩種形式的胞質(zhì)流動 一種是導向菌絲頂端的快速流動。菌絲頂一種是導向菌絲頂端的快速流動。菌絲頂端失水端失水, 造成頂端與次頂端之間的水勢梯造成頂端與次頂端之間的水勢梯度，從而加速這種流動。度，從而加速這種流動。 另一種形式的胞質(zhì)流動為雙向流動或環(huán)流另一種形式的胞質(zhì)流動

34、為雙向流動或環(huán)流 (cyclosis) , 其流動速率要慢得多。其流動速率要慢得多。 泡囊的形成 泡囊的形成是由高爾基泡囊的形成是由高爾基(golgi)體或體或內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(endoplasmic reticulum) 的特定區(qū)域釋放，再輸送到生長點，的特定區(qū)域釋放，再輸送到生長點，與質(zhì)膜結(jié)合。與質(zhì)膜結(jié)合。泡囊的三種作用 1) 運輸各種負責把細胞壁拆開和擴建的運輸各種負責把細胞壁拆開和擴建的酶；酶； 2) 運輸新的細胞壁成分運輸新的細胞壁成分, 其前體或預制單其前體或預制單位；位； 3) 運輸合成。運輸合成。 菌絲生長過程 對孢子發(fā)芽的研究可獲得有關(guān)頂端對孢子發(fā)芽的研究可獲得有關(guān)頂端生長的有用

35、的信息。生長的有用的信息。 如圖所示如圖所示, 開始孢子吸水膨脹開始孢子吸水膨脹, 這時這時細胞壁合成材料散布在孢子周圍內(nèi)細胞壁合成材料散布在孢子周圍內(nèi)表面表面, 隨后長出芽管，新材料便聚結(jié)隨后長出芽管，新材料便聚結(jié)在芽管的頂端。在芽管的頂端。菌絲生長過程 故極性生長并不是一開始就有的特故極性生長并不是一開始就有的特性，而是在非極性性，而是在非極性(各向同性各向同性)生長過生長過后才出現(xiàn)的。在不利條件下有些真后才出現(xiàn)的。在不利條件下有些真菌的極性生長菌的極性生長(非各向同性非各向同性)被無限地被無限地推遲。推遲。菌絲生長過程 黑曲霉的孢子在黑曲霉的孢子在44下生長，它繼下生長，它繼續(xù)膨脹，形成

36、巨細胞。如這時再轉(zhuǎn)續(xù)膨脹，形成巨細胞。如這時再轉(zhuǎn)移到移到30下生長，它會表現(xiàn)得很特下生長，它會表現(xiàn)得很特殊。從巨細胞中伸出芽管，隨后形殊。從巨細胞中伸出芽管，隨后形成孢子，見圖成孢子，見圖1-37。菌絲生長過程菌絲生長過程 這說明在孢子膨脹期間黑曲霉也能這說明在孢子膨脹期間黑曲霉也能正常地成熟，甚至產(chǎn)生孢子，只是正常地成熟，甚至產(chǎn)生孢子，只是要等到適合于極性生長時機才能表要等到適合于極性生長時機才能表達這種潛在能力。達這種潛在能力。菌絲頂端生長過程 研究頂端生長過程的另一種實驗方研究頂端生長過程的另一種實驗方法是用水浸沒鐮刀菌菌落，觀察其法是用水浸沒鐮刀菌菌落，觀察其頂端生長情況。頂端生長情況

37、。菌絲頂端生長過程菌絲頂端生長過程 結(jié)果有半數(shù)菌絲末梢停滯結(jié)果有半數(shù)菌絲末梢停滯1 分鐘后分鐘后重新生長，只是在膨脹的菌絲頂端重新生長，只是在膨脹的菌絲頂端長出較細的菌絲。其余菌絲停止生長出較細的菌絲。其余菌絲停止生長幾分鐘后在菌絲頂端又長出一個長幾分鐘后在菌絲頂端又長出一個以上的較細的芽。以上的較細的芽。菌絲頂端生長過程 重復以上試驗，但這次加水后重復以上試驗，但這次加水后,等等40秒，再加入等滲溶液秒，再加入等滲溶液(即與瓊脂的滲即與瓊脂的滲透壓一樣的溶液透壓一樣的溶液)。這會使它膨脹，。這會使它膨脹，暫停出芽。過后又長出一個以上的暫停出芽。過后又長出一個以上的細芽。細芽。菌絲頂端生長過程

38、這些現(xiàn)象說明，生長可能包含兩個過這些現(xiàn)象說明，生長可能包含兩個過程程:1) 塑性頂端的延伸：塑性頂端的延伸：2) 細胞壁的硬化，即隨頂端延伸后的細胞壁的硬化，即隨頂端延伸后的硬化硬化。菌絲頂端生長過程 在正常生長情況下這兩個過程以同在正常生長情況下這兩個過程以同樣的速率進行，只是硬化緊隨頂端樣的速率進行，只是硬化緊隨頂端延伸之后，故總是只有一小段延伸延伸之后，故總是只有一小段延伸區(qū)域呈塑性。區(qū)域呈塑性。菌絲頂端生長過程 菌絲浸水試驗的第一種情況可解釋為浸菌絲浸水試驗的第一種情況可解釋為浸水后生長延伸停止，菌絲頂端在重新調(diào)水后生長延伸停止，菌絲頂端在重新調(diào)整其新的滲透壓期間，細胞壁的硬化繼整其新

39、的滲透壓期間，細胞壁的硬化繼續(xù)進行，在頂端還未完全續(xù)進行，在頂端還未完全封住封住前，前，在剩下的還未硬化的當中塑性部位繼續(xù)在剩下的還未硬化的當中塑性部位繼續(xù)長出一細芽；長出一細芽；菌絲頂端生長過程 對第二種情況，生長再次受到干擾，耽對第二種情況，生長再次受到干擾，耽誤了在剩余部位出芽的時機，最終頂端誤了在剩余部位出芽的時機，最終頂端全被全被封住封住。這期間胞質(zhì)繼續(xù)流動的。這期間胞質(zhì)繼續(xù)流動的結(jié)果菌絲頂端膨脹，過幾分鐘便會在其結(jié)果菌絲頂端膨脹，過幾分鐘便會在其它薄弱部位找到突破口，抽出一個以上它薄弱部位找到突破口，抽出一個以上完全新的細芽。完全新的細芽。菌絲頂端生長過程 細胞壁的硬化是指胞壁的加

40、厚或完全新細胞壁的硬化是指胞壁的加厚或完全新的細胞壁的沉著的細胞壁的沉著, 而塑性頂端的延伸要靠而塑性頂端的延伸要靠溶解酶類的作用才能實現(xiàn)。溶解酶類的作用才能實現(xiàn)。 因此，如這些酶不穩(wěn)定，或被蛋白酶降因此，如這些酶不穩(wěn)定，或被蛋白酶降解，或因滲透壓改變，阻止泡囊與菌絲解，或因滲透壓改變，阻止泡囊與菌絲頂端的結(jié)合，結(jié)果便出現(xiàn)胞壁的硬化。頂端的結(jié)合，結(jié)果便出現(xiàn)胞壁的硬化。菌絲分枝規(guī)律 菌絲分枝一般離生長著的菌絲頂端菌絲分枝一般離生長著的菌絲頂端有些距離的后方進行。真菌如同高有些距離的后方進行。真菌如同高等植物那樣顯示出頂端生長的優(yōu)勢。等植物那樣顯示出頂端生長的優(yōu)勢。但怎樣維持這種優(yōu)勢知道的很少。但

41、怎樣維持這種優(yōu)勢知道的很少。菌絲分枝規(guī)律 菌絲分枝一般均朝向菌落的邊緣擴菌絲分枝一般均朝向菌落的邊緣擴展生長，展生長， 并偏離其親本菌絲和相互并偏離其親本菌絲和相互岔開生長。岔開生長。菌絲分枝規(guī)律 這是多余的細胞質(zhì)用于生長的結(jié)果，這是多余的細胞質(zhì)用于生長的結(jié)果，并且在細胞質(zhì)體積，核分裂和分枝并且在細胞質(zhì)體積，核分裂和分枝數(shù)目之間存在著明顯的關(guān)系。在其數(shù)目之間存在著明顯的關(guān)系。在其它真菌中也確定了細胞體積和分枝它真菌中也確定了細胞體積和分枝之間的類似關(guān)系。之間的類似關(guān)系。分枝的形成 分枝需要從已成熟的細胞中產(chǎn)生。分枝需要從已成熟的細胞中產(chǎn)生。這伴隨著泡囊在菌絲頂端的聚集。這伴隨著泡囊在菌絲頂端的

42、聚集。分枝在菌絲的哪一部位產(chǎn)生分枝在菌絲的哪一部位產(chǎn)生? 這似這似乎有一乎有一中意中意點點, 往往位于間隔的往往位于間隔的附近。通過試驗可證實這一點。附近。通過試驗可證實這一點。完整菌絲斷片的出芽位置 分枝的形成 將菌絲打碎，只要得到含有完整間將菌絲打碎，只要得到含有完整間室的碎片，便能如圖室的碎片，便能如圖1-39 那樣產(chǎn)生那樣產(chǎn)生新的分枝。新分枝總是產(chǎn)生在這些新的分枝。新分枝總是產(chǎn)生在這些碎片的靠間隔處，故即使在菌絲內(nèi)碎片的靠間隔處，故即使在菌絲內(nèi)其個體細胞也有某些程度的極性。其個體細胞也有某些程度的極性。菌絲生長單位(hyphal growth unit) g(=m)g 菌絲總長度菌絲總

43、長度/菌絲分枝數(shù)目菌絲分枝數(shù)目 經(jīng)最初的波動后經(jīng)最初的波動后g隨菌落的生長而變化。隨菌落的生長而變化。因此，分枝的數(shù)目總是與菌絲總長，從因此，分枝的數(shù)目總是與菌絲總長，從而與細胞質(zhì)的體積成正比。而與細胞質(zhì)的體積成正比。 由此可見，新分枝是在胞液體積超過現(xiàn)由此可見，新分枝是在胞液體積超過現(xiàn)有分枝數(shù)所能容納的體積時產(chǎn)生的。有分枝數(shù)所能容納的體積時產(chǎn)生的。菌絲生長單位在瓊脂中生長的不同階段攝下年在瓊脂中生長的不同階段攝下年輕菌落的發(fā)育照片，按公式可求輕菌落的發(fā)育照片，按公式可求的菌絲生長單位（的菌絲生長單位（g）菌絲生長單位從生長單位的確立可看出胞液體積與分枝之間有從生長單位的確立可看出胞液體積與分

44、枝之間有如下規(guī)律：如下規(guī)律：1) 每一分枝連同其有關(guān)的一定量的細胞質(zhì)可當作每一分枝連同其有關(guān)的一定量的細胞質(zhì)可當作一個菌絲一個菌絲單位單位(unit)，就像對待個體細胞，就像對待個體細胞，如酵母那樣。故一真菌菌落是靠如酵母那樣。故一真菌菌落是靠假想的假想的單位單位生長的。實際上它們是連在一起，分不清的；生長的。實際上它們是連在一起，分不清的；2) 由于新的分枝是由于新的分枝是多余多余細胞質(zhì)形成的，分枝細胞質(zhì)形成的，分枝的數(shù)目基本上取決于菌落的營養(yǎng)狀況，從而取決的數(shù)目基本上取決于菌落的營養(yǎng)狀況，從而取決于細胞質(zhì)的數(shù)量；于細胞質(zhì)的數(shù)量；菌絲生長單位3) 因現(xiàn)有的分枝能優(yōu)先得到細胞質(zhì)，故一因現(xiàn)有的分

45、枝能優(yōu)先得到細胞質(zhì)，故一分枝的形成對已有的分枝的生長速率影分枝的形成對已有的分枝的生長速率影響很??；響很小；4) 真菌菌落容易適應(yīng)一定范圍的養(yǎng)分濃度真菌菌落容易適應(yīng)一定范圍的養(yǎng)分濃度變化。它在養(yǎng)分貧乏的瓊脂培養(yǎng)基中散變化。它在養(yǎng)分貧乏的瓊脂培養(yǎng)基中散開的速度幾乎同豐富培養(yǎng)基上的一樣，開的速度幾乎同豐富培養(yǎng)基上的一樣，但分枝少一些。但分枝少一些。 菌絲生長單位 菌絲生長單位生長初期，菌絲總長度和分枝數(shù)目均生長初期，菌絲總長度和分枝數(shù)目均以指數(shù)的速率增加，這時的菌絲體以指數(shù)的速率增加，這時的菌絲體間隔較長。間隔較長。菌絲生長單位的變化幅度隨生長而減菌絲生長單位的變化幅度隨生長而減小，最后穩(wěn)定。小，

46、最后穩(wěn)定。微生物生長分化的調(diào)節(jié) 微生物的生長分化受其自身和外界微生物的生長分化受其自身和外界多種因素的調(diào)節(jié)。多種因素的調(diào)節(jié)。以真菌為對象闡述菌絲體形態(tài)的調(diào)節(jié)。以真菌為對象闡述菌絲體形態(tài)的調(diào)節(jié)。以下的規(guī)律主要適用于固體培養(yǎng)基上以下的規(guī)律主要適用于固體培養(yǎng)基上生長的未分化菌絲。生長的未分化菌絲。微生物生長分化的調(diào)節(jié) 真菌孢子在培養(yǎng)基上發(fā)芽，形成真菌孢子在培養(yǎng)基上發(fā)芽，形成未分化的菌絲，繼續(xù)生長，分化未分化的菌絲，繼續(xù)生長，分化為成熟的菌絲。為成熟的菌絲。微生物生長分化的調(diào)節(jié) 絲狀菌的形態(tài)上的優(yōu)勢絲狀菌的形態(tài)上的優(yōu)勢:菌能無限擴增而無需改變細胞質(zhì)的體積與表面菌能無限擴增而無需改變細胞質(zhì)的體積與表面積

47、之比；積之比；菌絲體與培養(yǎng)基之間的物質(zhì)交換只需通過較短菌絲體與培養(yǎng)基之間的物質(zhì)交換只需通過較短的距離；的距離；菌絲以有規(guī)律的分枝確保它能高效地復蓋在固菌絲以有規(guī)律的分枝確保它能高效地復蓋在固體培養(yǎng)基上。體培養(yǎng)基上。微生物生長分化的調(diào)節(jié)微生物生長分化的調(diào)節(jié)未分化菌絲的生長調(diào)節(jié)至少包含三種機制；1)菌絲極化的調(diào)節(jié)菌絲極化的調(diào)節(jié) 生長是極化的生長是極化的, 菌絲的伸長僅菌絲的伸長僅限于菌絲頂端；限于菌絲頂端；2)分枝啟動的調(diào)節(jié)分枝啟動的調(diào)節(jié) 芽管伸長，形成主桿菌絲芽管伸長，形成主桿菌絲, 并并由此形成初級分枝由此形成初級分枝, 再由此形成次級再由此形成次級, 一直分枝下一直分枝下去。從菌絲體的形態(tài)特

48、征說明存在著一種調(diào)節(jié)分去。從菌絲體的形態(tài)特征說明存在著一種調(diào)節(jié)分枝啟動頻率的機制；枝啟動頻率的機制；3)菌絲空間分布的調(diào)節(jié)菌絲空間分布的調(diào)節(jié) 未分化菌絲趨向于分散獨未分化菌絲趨向于分散獨立生長，相鄰菌絲間的接觸因立生長，相鄰菌絲間的接觸因 回避作用回避作用 而減而減少。這稱為向自性少。這稱為向自性 (autotropism)。極化生長的調(diào)節(jié)菌絲極化生長是指孢子或菌絲細胞的一端發(fā)菌絲極化生長是指孢子或菌絲細胞的一端發(fā)芽，伸長，長成菌絲。芽，伸長，長成菌絲。培養(yǎng)條件，如溫度不適，或在厭氧，含培養(yǎng)條件，如溫度不適，或在厭氧，含co2濃度較高的條件下會阻止極化生長，并以濃度較高的條件下會阻止極化生長，

49、并以非極化非極化( (即各向同性即各向同性) )方式方式, , 像酵母那樣生像酵母那樣生長。長。非極化生長是與不利的生長條件相聯(lián)系的。非極化生長是與不利的生長條件相聯(lián)系的。極化生長的調(diào)節(jié) 菌絲極化生長受若干內(nèi)源調(diào)節(jié)機制的控制。菌絲極化生長受若干內(nèi)源調(diào)節(jié)機制的控制。菌絲生長菌絲生長( (孢子發(fā)芽，頂端生長，分枝孢子發(fā)芽，頂端生長，分枝) )總總是與泡囊的活動相聯(lián)系。是與泡囊的活動相聯(lián)系。 調(diào)節(jié)是通過向菌絲頂端輸送泡囊，泡囊與調(diào)節(jié)是通過向菌絲頂端輸送泡囊，泡囊與細胞膜融合發(fā)揮作用的。細胞膜融合發(fā)揮作用的。 擾亂這兩種作用會導致各向同性生長。擾亂這兩種作用會導致各向同性生長。菌絲分枝啟動的調(diào)節(jié)從孢子發(fā)芽后未分化菌絲體起先在大致恒定的從孢子發(fā)芽后未分化菌絲體起先在大致恒定的環(huán)境條件下生長，隨后其生長環(huán)境，即培養(yǎng)環(huán)境條件下生長，隨后其生長環(huán)境，即培養(yǎng)基的物化條件有較大的改變?；奈锘瘲l件有較大的改變。在固體培養(yǎng)基上菌絲體的初期生長階段與分批在固體培養(yǎng)基上菌絲體的初