任務(wù)三　酵母菌形態(tài)、結(jié)構(gòu)及功能

任務(wù)要求

1.掌握酵母菌形態(tài)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

2.掌握酵母菌的生活史

3.了解酵母菌與細(xì)菌結(jié)構(gòu)的異同

真核微生物是由具有完整細(xì)胞核結(jié)構(gòu)、能進(jìn)行有絲分裂、在細(xì)胞質(zhì)中存在線粒體等細(xì)胞器的微生物。酵母菌是最簡單的真核細(xì)胞微生物之一，在細(xì)胞形態(tài)上與球菌相似，但結(jié)構(gòu)較細(xì)菌復(fù)雜，生物學(xué)特點(diǎn)表現(xiàn)為典型真核微生物特點(diǎn)。

酵母菌是非分類學(xué)術(shù)語，泛指能發(fā)酵糖類的各種單細(xì)胞真菌。酵母菌種類很多，已知有56個屬1000多個種。酵母菌分布廣泛，含糖偏酸的環(huán)境酵母菌生長最為活躍，如水果、蔬菜表面和果園土壤中；油田、煉油企業(yè)附近的區(qū)域，因烴類物質(zhì)豐富，也是酵母菌生長活躍區(qū)域。

酵母菌是人類最早利用的微生物之一，有“第一種家養(yǎng)微生物”的美譽(yù)。早在4000多年前，古埃及人就開始利用酵母制作面包和釀制啤酒。殷商時期，中國人就已經(jīng)學(xué)會利用酵母釀造白酒。漢朝時期，中國人已經(jīng)掌握了使用酵母制作饅頭、餅等面點(diǎn)。時至今日，酵母菌在人類生活中的地位更加重要，酒類生產(chǎn)、中西面點(diǎn)制作、乙醇發(fā)酵、石油及油品脫蠟、單細(xì)胞蛋白生產(chǎn)及維生素生產(chǎn)等均有酵母菌直接或間接參與。當(dāng)然，少數(shù)酵母菌對人類也是有害的，如白假絲酵母、新型隱球酵母等是引起鵝口瘡、陰道炎、肺炎等疾病的主要病原菌。另外，酵母菌也是引起含糖量高的水果、食物腐敗的主要原因。

一、酵母菌的形態(tài)結(jié)構(gòu)

酵母菌是一類圓形或橢圓形單細(xì)胞、以出芽或分裂為主要繁殖方式的真菌。酵母菌是典型的真核微生物，細(xì)胞結(jié)構(gòu)包括細(xì)胞壁、細(xì)胞膜、細(xì)胞核、細(xì)胞質(zhì)、液泡、線粒體等。酵母菌形態(tài)多為卵圓形、圓形、圓柱形、梨形等，無鞭毛，不能游動，細(xì)胞寬約1～5μm，長約5～30μm，其細(xì)胞直徑一般為球菌的10倍左右。有的酵母菌子代細(xì)胞會連在一起成為鏈狀，稱之為假絲酵母。酵母菌細(xì)胞結(jié)構(gòu)示意圖見2-16。

1.細(xì)胞壁

酵母菌細(xì)胞壁位于細(xì)胞的最外層，厚約25nm，重量約占細(xì)胞干重的20%～30%，具有維持細(xì)胞形態(tài)和細(xì)胞間識別的作用。細(xì)胞壁呈“三明治狀”，具有3層結(jié)構(gòu)：內(nèi)層為葡聚糖層，是復(fù)雜的分支狀聚合物；中間層主要由蛋白質(zhì)組成，包括多種酶類；外層為甘露聚糖層。層與層之間可部分鑲嵌，其中甘露聚糖約占酵母細(xì)胞壁干重的30%，β-葡聚糖約占30%，糖蛋白和幾丁質(zhì)約占20%，蛋白質(zhì)、類脂、無機(jī)鹽等其他成分約占20%。

細(xì)胞壁內(nèi)層的葡聚糖屬于結(jié)構(gòu)多糖，與細(xì)胞膜相連接，是酵母細(xì)胞壁的主要成分，具有支撐外部甘露聚糖的功能，賦予細(xì)胞壁足夠的機(jī)械強(qiáng)度。葡聚糖由β-1，3-葡聚糖和β-1，6-葡聚糖按85∶15比例組成，其以β-1，3-葡聚糖為骨架、β-1，6-葡聚糖為支鏈，β-1，6-葡聚糖的還原端連接到β-1，3-葡聚糖非還原端的末端葡萄糖上，并在氫鍵作用下共同構(gòu)成一個三維的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。其網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)彈性，在正常滲透壓下可大量延伸，而當(dāng)細(xì)胞處于高滲透壓情況下時，三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可迅速收縮，只占原來體積的40%左右，當(dāng)滲透壓恢復(fù)正常后，三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)則可恢復(fù)原狀。

中間層的蛋白質(zhì)與細(xì)胞壁結(jié)合，其中含有葡聚糖酶、甘露聚糖酶、蔗糖酶、堿性磷酸酶和脂酶等多種酶類，擔(dān)負(fù)著重要的催化作用。

外層的甘露聚糖具有細(xì)胞識別和控制細(xì)胞壁孔徑等生理功能。甘露聚糖以共價鍵與蛋白質(zhì)連在一起，主鏈為單鏈，通過α-1，6-糖苷鍵將多個α-甘露糖連接而成。甘露糖側(cè)鏈則以α-1，2-鍵和α-1，3-鍵與主鏈連接，部分側(cè)鏈則結(jié)合有決定酵母細(xì)胞抗原相關(guān)的功能基團(tuán)。β-1，6-葡聚糖和甘露聚糖的連接在酵母細(xì)胞壁的合成中具有重要作用。

此外，酵母菌細(xì)胞壁上的芽痕周圍還含有少量幾丁質(zhì)成分。實驗室常用瑪瑙螺胃液制成的蝸牛消化酶（內(nèi)含纖維素酶、甘露聚糖酶、幾丁質(zhì)酶等30余種）水解酵母菌細(xì)胞壁，制備酵母菌原生質(zhì)體，也可水解酵母菌的子囊壁釋放其中的子囊孢子。

2.細(xì)胞膜

酵母菌細(xì)胞膜與原核生物細(xì)胞膜基本相同，也是由磷脂雙分子層和蛋白質(zhì)組成，蛋白質(zhì)鑲嵌在雙分子層中間。其中，蛋白質(zhì)約占細(xì)胞膜干重的50%，磷脂約占細(xì)胞膜干重的40%。但酵母菌細(xì)胞膜中含有原核生物所沒有的甾醇類物質(zhì)，其中以麥角固醇居多，它經(jīng)紫外線照射后轉(zhuǎn)化成維生素D₂，可作為維生素D的來源。

3.細(xì)胞質(zhì)及內(nèi)含物

酵母菌同其他真核生物一樣，細(xì)胞質(zhì)主要是膠狀物質(zhì)，其中存在多種有特定結(jié)構(gòu)和功能的細(xì)胞器和內(nèi)含物，如核糖體、線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體、液泡等。

（1）核糖體　酵母菌的核糖體沉降系數(shù)為80S，由60S和40S兩個亞基構(gòu)成。它游離在細(xì)胞質(zhì)中或附著在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上。

（2）線粒體　多為球狀或桿狀，一般位于核膜及中心體的表面，直徑為0.5～1μm，最長可達(dá)2μm，雙層膜包圍，內(nèi)膜內(nèi)陷為脊。其主要成分為脂類、蛋白質(zhì)、少量RNA和環(huán)狀DNA。線粒體中的DNA可自主復(fù)制，不受核染色體控制，決定著線粒體的某些遺傳性狀。線位體還是真核生物進(jìn)行氧化磷酸化的中心，能量代謝的主要場所。

（3）內(nèi)質(zhì)網(wǎng)　是分布在整個細(xì)胞中的由膜構(gòu)成的管道和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，常與核膜或細(xì)胞膜相連在一起。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)具有進(jìn)行物質(zhì)傳遞的功能，另外還參與合成膜脂和脂蛋白。

（4）高爾基體　也是一種內(nèi)膜結(jié)構(gòu)，是由扁平雙層膜和小泡構(gòu)成。高爾基體主要為細(xì)胞提供一個內(nèi)部的運(yùn)輸系統(tǒng)。

（5）液泡　是單層膜包裹的囊泡物，其中含有水、有機(jī)酸、無機(jī)鹽、水解酶類及一些儲藏顆粒（如肝糖粒、脂肪粒、異染顆粒等）。液泡常在細(xì)胞發(fā)育后期出現(xiàn)，隨著菌齡的增長而逐漸增大，其大小可作為衡量細(xì)胞成熟的標(biāo)志。液泡的主要功能是儲藏營養(yǎng)物和水解酶類，參與細(xì)胞質(zhì)進(jìn)行物質(zhì)交換，調(diào)節(jié)細(xì)胞滲透壓等。

4.細(xì)胞核

酵母菌具有核膜包裹的細(xì)胞核，上面有大量的核孔，中間有核仁。每一個酵母細(xì)胞只有一個細(xì)胞核，位于細(xì)胞中央，呈圓形或卵圓形，直徑一般小于1μm。有時由于液泡的逐漸擴(kuò)大，細(xì)胞核會被擠在邊緣，變?yōu)槟I形。

在電子顯微鏡下觀察細(xì)胞核，核膜是一種雙層單位膜，其上存在著直徑40～70nm的圓形核孔，這是細(xì)胞核與細(xì)胞質(zhì)之間進(jìn)行物質(zhì)交換的重要通道，核內(nèi)合成的RNA可通過核孔轉(zhuǎn)移到細(xì)胞質(zhì)中，為蛋白質(zhì)合成提供模板。細(xì)胞核是遺傳物質(zhì)復(fù)制、表達(dá)、傳遞、儲存的主要場所，通過吉姆薩染色或堿性品紅染色可以清晰地觀察到細(xì)胞核內(nèi)的染色體。除細(xì)胞核外，在線粒體、質(zhì)粒等成分中也含有DNA分子。

二、酵母菌的繁殖方式

酵母菌的繁殖方式可分無性繁殖和有性繁殖兩大類，以無性繁殖為主。常見的無性繁殖包括芽殖、裂殖、芽裂和產(chǎn)無性孢子，有性繁殖方式為產(chǎn)子囊孢子。根據(jù)酵母菌是否存在有性繁殖，可分為只有無性繁殖過程的假酵母和有性、無性繁殖都存在的真酵母。繁殖方式及產(chǎn)物往往是酵母菌鑒定的重要依據(jù)。

1.無性繁殖

酵母菌的無性繁殖有四種方式：芽殖、裂殖、芽裂和產(chǎn)生無性孢子。

（1）芽殖　即出芽繁殖，是酵母菌進(jìn)行無性繁殖的主要方式。成熟的酵母菌細(xì)胞，在特定的一個或多個部位先長出小芽，待芽體細(xì)胞長到一定程度，與母細(xì)胞脫離繼續(xù)生長，最終形成新的個體。芽殖的出芽方式有單邊出芽、兩端出芽、三邊出芽和多邊出芽。

芽殖常發(fā)生在酵母細(xì)胞壁芽痕的預(yù)定點(diǎn)上，每個酵母細(xì)胞有一個或多個芽痕。成熟的酵母細(xì)胞在水解酶作用下細(xì)胞壁變薄，長出芽體。新復(fù)制的細(xì)胞核、細(xì)胞質(zhì)等向芽體部位轉(zhuǎn)移，芽體逐漸長大，當(dāng)長到接近母細(xì)胞大小時，自母細(xì)胞脫落成為新個體，完成出芽繁殖。每進(jìn)行一次芽殖都會在母細(xì)胞上留下一個芽痕，同時在子細(xì)胞上相應(yīng)位置會留下一個蒂痕（又稱產(chǎn)痕）。酵母菌芽殖往往在同一地方不會二次出芽，所以根據(jù)芽痕數(shù)目可以判斷該酵母菌的出芽次數(shù)。如果酵母菌生長旺盛，在芽體尚未自母細(xì)胞脫落前，即可在芽體上又長出新的芽體，最后則形成假菌絲狀，該類酵母即假絲酵母。酵母菌芽殖示意圖見圖2-17。

（2）裂殖　少數(shù)種類的酵母菌進(jìn)行的無性繁殖方式，類似于細(xì)菌的二分裂方式，以細(xì)胞分裂進(jìn)行繁殖。其過程是母細(xì)胞延長，核復(fù)制分裂為兩個，細(xì)胞中央出現(xiàn)隔膜，將細(xì)胞橫分為兩個大小相等、各具有一個單核的子細(xì)胞。進(jìn)行裂殖的酵母種類很少，八孢裂殖酵母是該類繁殖方式的典型代表菌。裂殖酵母見圖2-18。

（3）芽裂　少數(shù)酵母細(xì)胞在一端出芽的同時，在芽基處形成隔膜，將母子細(xì)胞分開，這種無性繁殖方式稱為芽裂。該方式很少，形成的子細(xì)胞呈瓶狀。

（4）產(chǎn)無性孢子　少數(shù)酵母細(xì)胞可產(chǎn)生無性孢子進(jìn)行繁殖。這些無性孢子有擲孢子、厚垣孢子和節(jié)孢子等，如擲孢酵母屬等少數(shù)酵母菌產(chǎn)生擲孢子，其外形呈腎形、鐮刀形或豆形，該類孢子在卵圓形的營養(yǎng)細(xì)胞生出的小梗上形成，孢子成熟后通過噴射小梗上分泌的液滴將孢子射出。此外，有的酵母菌還能在假菌絲的頂端產(chǎn)生厚垣孢子，如白假絲酵母菌等。

2.有性繁殖

酵母菌的有性繁殖是以形成子囊和子囊孢子方式進(jìn)行的。當(dāng)兩個鄰近的性別不同的酵母細(xì)胞各自伸出一根管狀的原生質(zhì)突起，隨即相互接觸、局部融合，并形成一個通道，兩個不同性別的細(xì)胞在此通道內(nèi)相繼發(fā)生質(zhì)配、核配，形成雙倍體細(xì)胞核，隨后進(jìn)行減數(shù)分裂，形成4個或8個子代細(xì)胞核。最后，每個子核與其周圍的原生質(zhì)結(jié)合形成孢子，即子囊孢子，而原來的營養(yǎng)細(xì)胞變成子囊包裹在孢子外部。

酵母菌形成子囊孢子的難易程度因種類不同而異。有些酵母菌不形成子囊孢子；有些酵母菌幾乎在所有培養(yǎng)基上都能形成大量子囊孢子；有的種類必須用特殊培養(yǎng)基才能形成；有些酵母菌在長期的培養(yǎng)中會失去形成子囊孢子的能力。不同的酵母菌形成的子囊孢子形態(tài)結(jié)構(gòu)也不相同，如球形、橢圓形、半球形、帽子形、橘子形、鐮刀形、紡錘形等形狀，孢子表面光滑或有刺，孢子皮層為單層或雙層等。酵母菌子囊孢子形態(tài)結(jié)構(gòu)也是酵母菌分類鑒定的重要依據(jù)。

三、酵母菌的生活史

生活史又叫生活周期，是指上代個體經(jīng)一系列生長、發(fā)育階段而產(chǎn)生下一代個體的全部過程。酵母菌的生活史可分為單倍體型、雙倍體型和單雙倍體型三種。

1.單倍體型

營養(yǎng)體只能以單倍體（n）形式存在。

單倍體型以八孢裂殖酵母為代表。其主要特點(diǎn)是：營養(yǎng)細(xì)胞為單倍體；無性繁殖以裂殖方式進(jìn)行；二倍體階段短暫，二倍體細(xì)胞不能獨(dú)立生活，一經(jīng)生成立刻進(jìn)行減數(shù)分裂。

單倍體型酵母菌生活史：①單倍體營養(yǎng)細(xì)胞以裂殖方式進(jìn)行無性繁殖；②兩個性別不同的營養(yǎng)細(xì)胞接觸后形成接合管，發(fā)生質(zhì)配、核配，形成二倍體；③二倍體核染色體迅速進(jìn)行3次分裂，第一次為減數(shù)分裂，接著再進(jìn)行兩次有絲分裂，形成8個單倍體子囊孢子；④子囊破裂，釋放子囊孢子，待子囊孢子發(fā)育成營養(yǎng)細(xì)胞后再進(jìn)行裂殖。單倍體型酵母菌生活史見圖2-19。

2.雙倍體型

營養(yǎng)體只能以二倍體（2n）形式存在。

雙倍體型以路德類酵母為代表。其主要特點(diǎn)是：營養(yǎng)體為二倍體，以芽殖進(jìn)行無性繁殖，二倍體階段較長；單倍體的子囊孢子在子囊內(nèi)發(fā)生接合；單倍體階段僅以子囊孢子形式存在，不能進(jìn)行獨(dú)立生活。

雙倍體型酵母菌生活史：①單倍體子囊孢子在孢子囊內(nèi)成對接合，并發(fā)生質(zhì)配、核配；②接合后的二倍體細(xì)胞萌發(fā)，穿破子囊壁；③二倍體的營養(yǎng)細(xì)胞可獨(dú)立生活，通過芽殖方式進(jìn)行無性繁殖；④在二倍體營養(yǎng)細(xì)胞內(nèi)的核發(fā)生減數(shù)分裂，營養(yǎng)細(xì)胞成為子囊，其中形成4個單倍體子囊孢子。單倍體階段僅以子囊孢子形式存在，不能進(jìn)行獨(dú)立生活，該階段較短。雙倍體型酵母菌生活史見圖2-20。

3.單雙倍體型

營養(yǎng)體既可以單倍體（n）也可以二倍體（2n）形式存在。

單雙倍體型以啤酒酵母為代表。其主要特點(diǎn)是：單倍體營養(yǎng)細(xì)胞和雙倍體營養(yǎng)細(xì)胞均可進(jìn)行芽殖；營養(yǎng)體既可以單倍體形式存在，也可以二倍體形式存在；在特定條件下進(jìn)行有性繁殖；單倍體和雙倍體兩個階段同等重要，形成世代交替。

單雙倍體型酵母菌生活史：①子囊孢子在適宜的條件下發(fā)芽產(chǎn)生單倍體營養(yǎng)細(xì)胞；②單倍體營養(yǎng)細(xì)胞不斷進(jìn)行出芽繁殖；③兩個性別不同的營養(yǎng)細(xì)胞彼此接合，發(fā)生質(zhì)配、核配，形成二倍體營養(yǎng)細(xì)胞；④二倍體營養(yǎng)細(xì)胞不會立即進(jìn)行減數(shù)分裂，而是不斷進(jìn)行出芽繁殖；⑤在特定條件（如含醋酸鈉的Mcclary培養(yǎng)基、胡蘿卜條、石膏塊、Gorodkowa培養(yǎng)基或Kleyn培養(yǎng)基）下，二倍體營養(yǎng)細(xì)胞轉(zhuǎn)變成子囊，二倍體核染色體進(jìn)行減數(shù)分裂，形成4個子囊孢子；⑥子囊經(jīng)自然破壁或人工破壁（如加蝸牛消化酶溶壁，加硅藻土和石蠟油研磨等），釋放出單倍體子囊孢子。

單倍體和二倍體營養(yǎng)細(xì)胞均可以進(jìn)行出芽繁殖，但二倍體營養(yǎng)細(xì)胞體積相對較大，生命力更強(qiáng)，廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究和遺傳工程實踐。單雙倍體型酵母菌生活史見圖2-21。

四、酵母菌的菌落特征

酵母菌屬典型的單細(xì)胞真核微生物，細(xì)胞間沒有明顯分化，菌落特征在固體培養(yǎng)基和液體培養(yǎng)基中各有特點(diǎn)。

在固體培養(yǎng)基表面，大多數(shù)酵母菌的菌落特征與細(xì)菌的球菌相似，但較細(xì)菌菌落大而且凸起，菌落表面光滑、濕潤、黏稠、半透明、易被挑起，菌落質(zhì)地均勻，邊緣光滑，中間隆起，正反面和邊緣、中央部位的顏色均勻一致，但個別種會因培養(yǎng)時間過長菌落表面出現(xiàn)皺縮。酵母菌落多為乳白色，少數(shù)呈紅色、橙色，個別為黑色。不產(chǎn)生假菌絲的酵母菌，其菌落更為隆起，邊緣圓整；而產(chǎn)生假菌絲的酵母菌，則菌落較平坦，表面和邊緣較粗糙。菌落的顏色、光澤、質(zhì)地、表面和邊緣特征，均是酵母菌菌種鑒定的重要依據(jù)。

在液體培養(yǎng)基中，有的長在培養(yǎng)基底部并產(chǎn)生沉淀；有的在培養(yǎng)基中均勻生長并產(chǎn)生混濁；有的在培養(yǎng)基表面生長并形成菌膜，其厚薄因種而異；還有的甚至因干燥而變皺。菌膜的形成及特征也具有重要的分類學(xué)意義，可用以酵母菌菌種鑒定。

此外，由于酵母菌代謝途徑常伴有酒精發(fā)酵，一般其菌落會散發(fā)出一定的“酒氣”，此也為酵母菌菌落所特有。

思考與交流

前面已經(jīng)介紹了放線菌和細(xì)菌的形態(tài)特征，現(xiàn)根據(jù)已學(xué)的知識試分析細(xì)菌、放線菌和酵母菌間存在哪些異同。

想一想

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食物在什么樣的條件才會發(fā)霉？發(fā)霉的食物常伴有什么樣的氣味？