发酵调控学(复习)

1、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

2、业发酵调控学，储炬，李友荣，化现代工业发酵调控学，储炬，李友荣，化学工业出版社，北京。学工业出版社，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微生物发酵代谢调控与发酵过微生物发酵代谢调控与发酵过程优化技术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

3、了控制菌体的生长，需要了解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

4、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生长活动。这些活动的顺序不变, 完完成一个活动后才能进行下一个活动。成一个活动后才能进行下一个活动。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, 有丝分裂期有丝分裂期和两次间隙。和两次间隙。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

5、。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细胞周期的各项活动怎样去适应生长速率变化的需要率变化的需要？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

6、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 周周期重叠，其重要特征是分配到子细期重叠，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。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。细胞就不会分裂。不管生长速率如何，大肠杆菌的细胞分不管生长速率如何，大肠杆菌的细胞分裂总是出现在染色体复制完成之后。裂总是出现在染色体复制完成之

7、后。不管生长速率如何，不管生长速率如何，c 和和d 所需时间大所需时间大致不变。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和和下一轮的下一轮的c ) 进行。进行。思考题 加倍时间最小为多少？c40， d20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向控制。当启动因子增加到某一临界水平界水平, 启动便开始。在这以后启动启动便开始。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

8、等于培到有效浓度所需的时间恰好等于培养物增代时间。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。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。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制。启动的直接后果是启动因子的浓度提高一倍。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启动不会重新发生直到其浓度因生长而降到

9、临界值。这种控制机制构长而降到临界值。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，染色其它有关参数为依据。据此，染色体复制的启动频率是体复制的启动频率是dna 合成速率合成速率的控制步骤。的控制步骤。染色体复制的启动o/m=i 启动，启动， 启动后，启动后，2o/m=i,ii 不再启动，不再启动， m增加，增加，m 2m，使，使i逐逐渐下降，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，启动的过程需要蛋白质合成，如蛋白质合成受阻，已启动的已启动的d

10、na合成能完成，但不能启动新一轮合成能完成，但不能启动新一轮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曾检出其产物负责启动而不负责随后复制的基因；因；加入利福平或氯霉素抑制加入利福平或氯霉素抑制rna或蛋白质合成或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；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。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。在大肠此

11、位点称为复制或染色体原点。在大肠杆菌此位点很靠近杆菌此位点很靠近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，大约在离原点方向沿染色体运行，大约在离原点180度度地方相遇。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，启动也随着停止率，即生长停止，启动也随着停止是预料中的事。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时拍照。由此发现大肠杆菌在分裂时细胞

12、个子的变化不大。胞个子的变化不大。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说明似乎存在一种控制细胞个子大小的因子，即尺寸因子小的因子，即尺寸因子(size factor), 可能是启动细胞质量可能是启动细胞质量(initiation mass)。 1 1 镜检法镜检法 缺点缺点:细胞由培养液转移到固体细胞由培养液转移到固体表面表面,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,细胞大小细胞大小变化不大。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

13、数生长期的培养年龄把在对数生长期的培养物分级。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，从某一密度带便可分离出同质的细胞群体，随后培养。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(体体积积)成正比，从而与细胞年龄成成正比，从而与细胞年龄成正比。正比。(2)过滤洗脱法 将细胞粘附在固体支持物，如硝化将细胞粘附在固体支持物，如硝化纤维膜上，然后将其倒置，让生长纤维

14、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，呈一种特征便被洗脱到培养基中，呈一种特征性的振荡模式，见图性的振荡模式，见图123。过滤洗脱法(2)过滤洗脱法 在初始冲洗在初始冲洗(wash-off)期后从滤膜上期后从滤膜上洗脱下来的主要是新分裂的细胞。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，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那些在低峰下的是其沉积时正要分裂细胞后代。裂细胞后代。过滤洗脱法 洗脱洗脱(wash- off)的振荡模式可

15、以的振荡模式可以测出细胞周期。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亲本培养物那一年龄细胞的标记量成正比。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)带有比前一代少带有比前一代少一倍的放射性标记。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

16、蔗糖密度梯度离心，使一对数生长的培养物沉淀的培养物沉淀, 收集最上层的细胞，收集最上层的细胞，在含有氚在含有氚-标记胸苷的生长培养基上标记胸苷的生长培养基上生长，测量其生长，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，得到的带脱时用带标记的培养基，得到的带标记标记dna呈阶梯上升状。呈阶梯上升状。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。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如在同一种培养基内改

17、变温度也会影响生长速率，但对细胞个子大小影响生长速率，但对细胞个子大小几乎没有多大影响。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，在细胞分裂时染色体复制便开始启动。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假设细胞这时具有质量为m (启动细启动细胞量胞量=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，此时从培养液中检出新生的细胞，置于较丰富的培养基置于较丰富的培养基

18、(能使菌快速生能使菌快速生长长, 增代时间为增代时间为35 min) 中，并假定中，并假定细胞迅速调整到新的生长速率。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这样，个体细胞量增长速率往上移动，如动，如c+d规律还适用，下一个细规律还适用，下一个细胞分裂的时间不会变动，但细胞个胞分裂的时间不会变动，但细胞个子会增大。子会增大。 新一轮复制的启动将在细胞分裂前新一轮复制的启动将在细胞分裂前便开始。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。周期现在开始重叠。快速生长经一个细胞周期后便达到快速生长经一个细

19、胞周期后便达到新的平衡。生长速率越快，细胞个新的平衡。生长速率越快，细胞个子的差异也越大。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对指数培对指数培养物的细胞个子平均大小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 是否是否变，只有在简单情况下变，只有在简单情况下logm与与t作曲作曲线才会得一直线。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在一来自静止期细胞的培养物的

20、生长期间，在细胞数目开始增加以前长期间，在细胞数目开始增加以前有一相当长的停滞期。细胞量开始有一相当长的停滞期。细胞量开始增长的滞后现象短一些。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。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cd分钟。分钟。细胞量增长下降时，细胞分裂继续指数细胞量增长下降时，细胞分裂继续指数进行，细胞渐渐变小。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

21、期 新的一轮新的一轮dna复制的启动频率复制的启动频率取决于新细胞量的积累速率，则取决于新细胞量的积累速率，则吸光度与细胞数目至少有吸光度与细胞数目至少有cd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，随生长速率的增加而下降，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 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dnadna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 m

22、in，c) 20 min生长速率对生长速率对dnadna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。用一水平线轮复制的染色体。用一水平线c 分钟长分钟长度表示。它在纵轴上所处高度代表细胞度表示。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，将出现轮与轮复制的间隙。，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当细胞量增加到三倍时它将完成4 个复个复制好的染色体。制好的染色体。生长速率对生长速率对dnadna浓度和平均染色体构型的

23、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，则新一轮复制将紧跟在上一轮复制完成之后开始，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，第二轮的复制将不会完成。个单位时，第二轮的复制将不会完成。结果得到结果得到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dnadna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

24、为20 min的培养的培养基内基内, 在第一轮复制还未完成前第二轮复在第一轮复制还未完成前第二轮复制已开始。当细胞量达到制已开始。当细胞量达到3 时时, 只有一个只有一个带三个复制叉的染色体，见图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dnadna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，靠近两端的基因，其拷贝数总是居多，靠近两端的较少。的较少。 这种相对基因剂量的倾斜度随生

25、长速这种相对基因剂量的倾斜度随生长速率的增加而提高。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。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。染色体复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，一个基因浓度在一个细胞周期内，一个基因浓度相对另一个而言

26、，可相差相对另一个而言，可相差4倍。生长倍。生长速率对不同作用，提供了一种解释速率对不同作用，提供了一种解释非随机基因次序的理由。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，这位于靠近染色体原点处。其实，这是为什么大肠杆菌中有是为什么大肠杆菌中有6 个拷贝编个拷贝编码核糖体码核糖体rna的基因都聚集在原点的基因都聚集在原点的附近的缘故。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倍之倍之多。在快速生长的细胞中多。在快速生

27、长的细胞中rna的含量可以达到的含量可以达到细胞重量的细胞重量的30。每个细胞的每个细胞的dna也随生长速率的提高而增加，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，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。这里以真菌为界多种因素的调节。这里以真菌为对象，阐述菌丝体形态

28、调节的规律。对象，阐述菌丝体形态调节的规律。丝状菌生长分化的调节 霉菌和放线菌均为丝状微生物。其生长方霉菌和放线菌均为丝状微生物。其生长方式是菌丝式是菌丝 (hyphae) 末梢伸长、分枝末梢伸长、分枝 (图图1-5) 和交错成网和交错成网 (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。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多细胞，且每个细胞含有多个细胞核和各种细胞器。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，且与细胞一旦形成后便保持其完整性，且与

29、其相邻细胞的菌龄不同，越靠近末梢的其相邻细胞的菌龄不同，越靠近末梢的菌丝，越年轻。菌丝，越年轻。 放线菌、链霉菌和诺卡放线菌、链霉菌和诺卡氏菌属均属于放线菌属，为原核生物，氏菌属均属于放线菌属，为原核生物，革兰氏染色呈阳性。它们无核膜和细胞革兰氏染色呈阳性。它们无核膜和细胞器，其菌丝直径器，其菌丝直径 (约约1 m) 比霉菌比霉菌 (2-10m) 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)(apical growth of haphae) 菌丝仅在顶端(末梢)生长, 其余

30、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，并一旦生长停止，泡囊在顶端消失，并分布在次顶部生长区。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

31、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；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；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, , 可可把它看作是溶酶体复合物或内膜复合物把它看作是溶酶体复合物或内膜复合物的一部分。的一部分。 还含有细胞壁合成酶以及细胞壁的若干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。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

32、系统产生泡囊的区域位于菌内质网系统产生泡囊的区域位于菌丝的次顶部丝的次顶部, 藉化学或电化学浓度梯藉化学或电化学浓度梯度度(推动力推动力)移动的。菌丝顶端全靠发移动的。菌丝顶端全靠发酵维持。因无线粒体，顶部以外的酵维持。因无线粒体，顶部以外的细胞靠线粒体进行正常呼吸。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)可以可以完全抑制细胞质的流动，从而阻止完全抑制细胞质的流动，从而阻止泡囊的移动和生长。故细胞质的流泡囊的移动和生长。故细胞质的流动是生长的动是生长的推动力推动力，使泡囊流，使泡囊流向菌丝顶端。向菌丝顶端。泡囊如何在菌丝顶端聚集 如

33、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, 则生则生长便缓慢下来；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, 对生长的影对生长的影响便小得多。响便小得多。 据此，可测定末稍生长区域的长度。粗据此，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。菌丝顶一种是导向菌丝顶端的快速流动。菌丝顶端失水端失水, 造成顶端与次顶端之间的水势梯造成顶端与次顶端之间的水势梯度，从而加速这种流动。度，从而加速这种流动。 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

34、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)体或体或内质网内质网(endoplasmic reticulum) 的特定区域释放，再输送到生长点，的特定区域释放，再输送到生长点，与质膜结合。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运输各种负责把细胞壁拆开和扩建的酶；酶； 2) 运输新的细胞壁成分运输新的细胞壁成分, 其前体或预制单其前体或预制单位；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对孢子发芽的研究可获得有关顶端生长的有用

35、的信息。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, 这时这时细胞壁合成材料散布在孢子周围内细胞壁合成材料散布在孢子周围内表面表面, 随后长出芽管，新材料便聚结随后长出芽管，新材料便聚结在芽管的顶端。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故极性生长并不是一开始就有的特性，而是在非极性性，而是在非极性(各向同性各向同性)生长过生长过后才出现的。在不利条件下有些真后才出现的。在不利条件下有些真菌的极性生长菌的极性生长(非各向同性非各向同性)被无限地被无限地推迟。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，它继下生长，它继续膨胀，形成

36、巨细胞。如这时再转续膨胀，形成巨细胞。如这时再转移到移到30下生长，它会表现得很特下生长，它会表现得很特殊。从巨细胞中伸出芽管，随后形殊。从巨细胞中伸出芽管，随后形成孢子，见图成孢子，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要等到适合于极性生长时机才能表达这种潜在能力。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，观察其法是用水浸没镰刀菌菌落，观察其顶端生长情况。顶端生长情况

37、。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 分钟后分钟后重新生长，只是在膨胀的菌丝顶端重新生长，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长几分钟后在菌丝顶端又长出一个以上的较细的芽。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(即与琼脂的渗即与琼脂的渗透压一样的溶液透压一样的溶液)。这会使它膨胀，。这会使它膨胀，暂停出芽。过后又长出一个以上的暂停出芽。过后又长出一个以上的细芽。细芽。菌丝顶端生长过程

38、这些现象说明，生长可能包含两个过这些现象说明，生长可能包含两个过程程:1) 塑性顶端的延伸：塑性顶端的延伸：2) 细胞壁的硬化，即随顶端延伸后的细胞壁的硬化，即随顶端延伸后的硬化硬化。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延伸之后，故总是只有一小段延伸区域呈塑性。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，细胞壁的硬化继整其新

39、的渗透压期间，细胞壁的硬化继续进行，在顶端还未完全续进行，在顶端还未完全封住封住前，前，在剩下的还未硬化的当中塑性部位继续在剩下的还未硬化的当中塑性部位继续长出一细芽；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，最终顶端误了在剩余部位出芽的时机，最终顶端全被全被封住封住。这期间胞质继续流动的。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，抽出一个以上它薄弱部位找到突破口，抽出一个以上完全新的细芽。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

40、厚或完全新细胞壁的硬化是指胞壁的加厚或完全新的细胞壁的沉着的细胞壁的沉着, 而塑性顶端的延伸要靠而塑性顶端的延伸要靠溶解酶类的作用才能实现。溶解酶类的作用才能实现。 因此，如这些酶不稳定，或被蛋白酶降因此，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。顶端的结合，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。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。但

41、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菌丝分枝一般均朝向菌落的边缘扩展生长，展生长， 并偏离其亲本菌丝和相互并偏离其亲本菌丝和相互岔开生长。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，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它真菌中也确定了细胞体积和分枝之间的类似关系。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。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。这伴随着泡囊在菌丝顶端的

42、聚集。分枝在菌丝的哪一部位产生分枝在菌丝的哪一部位产生? 这似这似乎有一乎有一中意中意点点, 往往位于间隔的往往位于间隔的附近。通过试验可证实这一点。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将菌丝打碎，只要得到含有完整间室的碎片，便能如图室的碎片，便能如图1-39 那样产生那样产生新的分枝。新分枝总是产生在这些新的分枝。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。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

43、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。随菌落的生长而变化。因此，分枝的数目总是与菌丝总长，从因此，分枝的数目总是与菌丝总长，从而与细胞质的体积成正比。而与细胞质的体积成正比。 由此可见，新分枝是在胞液体积超过现由此可见，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。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，按公式可求轻菌落的发育照片，按公式可求的菌丝生长单位（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从生长单位的确立可看出胞液体积与分

44、枝之间有如下规律：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每一分枝连同其有关的一定量的细胞质可当作一个菌丝一个菌丝单位单位(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单位生长的。实际上它们是连在一起，分不清的；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，故一因现有的分

45、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分枝的形成对已有的分枝的生长速率影响很小；响很小；4) 真菌菌落容易适应一定范围的养分浓度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，开的速度几乎同丰富培养基上的一样，但分枝少一些。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，这时的菌丝体以指数的速率增加，这时的菌丝体间隔较长。间隔较长。菌丝生长单位的变化幅度随生长而减菌丝生长单位的变化幅度随生长而减小，最后稳定。小，

46、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微生物的生长分化受其自身和外界多种因素的调节。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以下的规律主要适用于固体培养基上生长的未分化菌丝。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，分化未分化的菌丝，继续生长，分化为成熟的菌丝。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菌能无限扩增而无需改变细胞质的体积与表面积

47、之比；积之比；菌丝体与培养基之间的物质交换只需通过较短菌丝体与培养基之间的物质交换只需通过较短的距离；的距离；菌丝以有规律的分枝确保它能高效地复盖在固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。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, 菌丝的伸长仅菌丝的伸长仅限于菌丝顶端；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, 并并由此形成初级分枝由此形成初级分枝, 再由此形成次级再由此形成次级, 一直分枝下一直分枝下去。从菌丝体的形态特

48、征说明存在着一种调节分去。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未分化菌丝趋向于分散独立生长，相邻菌丝间的接触因立生长，相邻菌丝间的接触因 回避作用回避作用 而减而减少。这称为向自性少。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。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，并以浓度较高的条件下会阻止极化生长，

49、并以非极化非极化( (即各向同性即各向同性) )方式方式, , 像酵母那样生像酵母那样生长。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。菌丝极化生长受若干内源调节机制的控制。菌丝生长菌丝生长( (孢子发芽，顶端生长，分枝孢子发芽，顶端生长，分枝) )总总是与泡囊的活动相联系。是与泡囊的活动相联系。 调节是通过向菌丝顶端输送泡囊，泡囊与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。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。基的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在固体培养基上菌丝体的初