Способы размножения дрожжей и их классификация
ПЛАН
1.Способы размножения дрожжей и их классификация
Специализация на выполнении
неодинаковых функций приводит у
разных групп дрожжевых грибов к
формированию характерного комплекса
морфологических и
- Сахаробионты - «настоящие» дрожжи, наиболее типичным представителем которых является Saccharomyces cerevisiae. Они обладают комплексом свойств, свидетельствующим об их приспособленности к существованию в средах, обогащенных легкодоступными источниками углерода. Отсутствие пигментации, развитых мицелиальных структур, хламидоспор, слизистых капсул, а также способность к более или менее интенсивному брожению и узкий спектр усваиваемых соединений углерода - характерный набор свойств этих дрожжей. Кроме сахаромицетов к сахаробионтам следует относить представителей родов Debaryomyces, Kluyveromyces, Torulaspora, Zygosaccharomyces, а также большинство видов из родов Pichia и Candida.
- Фитобионты - адаптированы к обитанию на поверхности живых частей растений и, как правило, образуют каротиноидные пигменты. Они часто имеют в цикле развития хламидоспоры или хламидоспороподобные клетки, устойчивые к высушиванию. Характерный признак многих видов - образование баллистоспор, рассеивающихся токами воздуха. Наиболее типичные представители фитобионтов - роды Sporobolomyces и Sporidiobolus, некоторые виды родов Rhodotorula и Cryptococcus.
- Сапробионты обладают относительно высокой гидролитической активностью и принимают участие в деструкции растительных остатков на средних и поздних стадиях. К типичным сапробионтам относятся некоторые виды рода Trichosporon, Cystofilobasidium capitatum, группа несовершенных видов базидиомицетового аффинитета, классифицируемых в роде Cryptococcus (Cryptococcus podzolicus, Cryptococcus humicolus).
- Педобионты - дрожжи, наиболее приспособленные к обитанию на твердых поверхностях почвенных частиц. Они обладают слизистыми капсулами, которые создают межклеточную среду, сохраняющую благоприятный режим влагообмена и питания в условиях временного иссушения почвы. Эти дрожжи способны накапливать большое количество запасных веществ, главным образом в форме липидов, которые обеспечивают переживание длительных периодов голодания. Для них также характерна способность к усвоению соединений азота в очень низкой концентрации. Типичные представители педобионтов - все виды липомицетов. По-видимому, к педобионтам можно также отнести некоторые виды криптококков, в частности Cryptococcus terreus, Cryptococcus aerius, Cryptococcus terricola.
Дрожжевая клетка. Цитология
Дожжевая клетка имеет все основные структуры, которые присущи любой эукариотической клетке, но в то же время она обладает особенностями, свойственными грибам, а именно, сочетанием признаков как растительной, так и животной клеток: клеточная стенка у них ригидная, как у растений, но в клетке отсутствуют хлоропласты и накапливается гликоген, как у животных.
Компоненты дрожжевой клетки
Ядро
В дрожжевой клетке в фазе между делениями всегда имеется только одно ядро. В световом микроскопе его можно увидеть после специальной окраски или с помощью фазово-контрастного устройства при высоких разрешениях. На электронно-микроскопических снимках ультратонких срезов дрожжевых клеток ядро выглядит как более или менее округлая органелла, окруженная двойной мембраной. В ней есть поры в виде округлых сквозных отверстий, которые образуются в результате слияния двух ядерных мембран. Однако ядерные поры - не просто отверстия, они заполнены сложноорганизованными структурами, которые называют комплексом пор ядра. Считается, что основная функция ядерных пор - транспорт готовых рибосомных субъединиц в цитоплазму. Ядерная оболочка многофункциональна, но в основном играет роль барьера, отделяющего содержимое ядра и регулирующего транспорт макромолекул между ядром и цитоплазмой. Основные функциональные единицы ядра - молекулы ДНК, несущие основную генетическую информацию о клетке. ДНК составляет основную часть хроматина - основного компонента ядра. Число хромосом в ядре разных видов дрожжей может быть различным, оно колеблется от 2 до 16.
Митохондрии
В митохондриях имеется собственная митохондриальная ДНК (мДНК), а также весь аппарат белкового синтеза, включая матричную РНК и 70S рибосомы (в отличие от 80S рибосом в цитоплазме). мДНК у дрожжей составляет 5-20% от всей ДНК клетки. Число митохондрий в одной дрожжевой клетке варьирует в пределах 1-20 в разные периоды роста и в зависимости от условий. Как правило, 1-2 митохондрии в клетке более крупные, чем остальные и имеют разветвленную форму. Реконструкция ультратонких срезов клетки позволяет предположить, что в некоторых случаях (в подготовительный период почкования) клетка содержит всего одну вытянутую и сильно разветвленную митохондрию. Митохондрии способны к самовоспроизведению.
Цитоплазаматическая мембрана
На поперечном срезе под электронным микроскопом мембрана у дрожжей выглядит как трехслойная структура. Она представляет собой два слоя фосфолипидов, в которые погружены белковые молекулы, то есть построена по общему для всех клеточных мембран принципу. Однако, имеются различия, касающиеся химического состава. У Saccharomyces cerevisiae основными фосфолипидами мембран являются лецитин, фосфатидилэтаноламин и фосфатидилсерин. На их долю приходится около 90% всех липидов мембраны. В состав мембраны дрожжей входят стероиды - эргостерол, зимостерол и др. Белки представлены в основном ферментами, которые участвуют в трансмембранном переносе веществ, расщеплении полисахаридов и синтезе внеклеточных структур. . Функции цитоплазматической мембраны многообразны: регуляция биосинтеза клеточной стенки, активный транспорт транспорт в клетку специфических молекул органических веществ, транспорт ионов K+ и Na+ и др.
Вакуоли
В фазово-контрастном микроскопе в клетках дрожжей хорошо видны светлые и прозрачные структуры круглой формы. Это вакуоли (см. приложение 3). Обычно их 1-3 в клетке. Каждая вакуоль окружена одинарной мембраной и содержит различные ферменты, липиды, низкомолекулярные продукты метаболизма (аминокислоты), ионы металлов. В вакуолях сосредоточена большая часть ионов калия. Иногда в вакуоли видны «пляшущие» за счет броуновского движения плотные гранулы. Это так называемые метахроматические гранулы, «пляшущие тельца» (dancing bodies), или волютин. Гранулы эти состоят из полимеризованных остатков фосфатов, а по периферии они покрыты комплексными соединениями из РНК, белков и липидов. Волютин - это резерв полифосфатов в клетке. Основная функция вакуолей - разобщение процессов синтеза и распада белков и нуклеиновых кислот. Они выполняют также роль депо для хранения некоторых запасных веществ и ферментов, участвуют в регуляции тургорного давления. Также в клетке присутствуют: клеточная стенка, которая защищает протопласт от осмотического разрыва и придает клетке определенную форму; капсула (слизистый полисахаридный чехол вокруг клетки), цитоплазма и липиды.
Половое размножение - это сложная цепь событий, включающая контакт двух гаплоидных клеток, их слияние (сначала слияние цитоплазмы - плазмогамия, а затем сразу же или со значительной задержкой слияние ядер - кариогамия), образование диплоидной зиготы, ядро которой затем либо делится мейотически с восстановлением гаплоидного состояния, либо дает начало диплоидному поколению клеток. Таким образом, половое размножение связано со сменой ядерных фаз. У дрожжей, как и у всех грибов, чередование ядерных фаз сопряжено с образованием половых гаплоидных спор – аскоспор (см. приложение 12) или базидиоспор (см. приложение 13). Весь ход событий в развитии организма от одной стадии до этой же стадии в следующем поколении составляет жизненный цикл, или онтогенез. Полный жизненный цикл включает вегетативную стадию, в течение которой клетки размножаются при помощи митотического деления, и половой цикл, включающий мейотическое деление ядра. У мицелиальных грибов вегетативное размножение занимает обычно одну из стадий жизненного цикла: у аскомицетов - преимущественно гаплоидную, у базидиомицетов - дикариотическую. У дрожжей вегетативное размножение может происходить в любой фазе жизненного цикла. На этом основании различают гаплоидные виды, у которых вегетативное размножение происходит в гаплоидной фазе, диплоидные виды, размножающиеся вегетативно в диплофазе, а также гапло-диплоидные, образующие стабильные как гапло-, так и диплофазы, или же смешанные популяции гаплоидных и диплоидных клеток. У дрожжей встречаются различные типы полового процесса. У большинства видов в половом процессе у дрожжей участвуют обычные соматические, то есть неспециализированные клетки. Такой тип полового процесса называется соматогамией. Существуют разновидности соматогамии:
- гологамия - слияние (копуляция) двух морфологически сходных соматических клеток,
- педогамия - слияние материнской и дочерней клетки-почки,
- адельфогамия - слияние сестринских клеток-почек.
- У некоторых видов аскомицетовых дрожжеподобных грибов половой процесс представляет собой типичную для большинства аскомицетов гаметангиогамию - копуляцию специальных клеток мицелия - гаметангиев. Копулировать могут не любые две клетки, а лишь клетки, относящиеся к различным типам спаривания.
Термин «тип спаривания»
используется вместо термина «пол»
в том случае, когда копулирующие
клетки не имеют морфологических
отличий, а различаются лишь физиологически.
У одних дрожжей при
Дифференциация пола у дрожжей
Особенности половой дифференциации и конъюгации клеток при половом размножении наиболее хорошо изучены у дрожжей Saccharomyces cerevisiae. При половом размножении могут конъюгировать не любые две клетки, а только клетки различных типов спаривания. Эти клетки различаются между собой только по одному генетическому локусу, обозначаемому mat (mating - спаривание). Локус mat может находиться в двух аллельных состояниях: mat a и mat α. Клетки, несущие локус mat a или mat α, обозначаются соответственно как a- и α-клетки. Локусы mat a и mat α ответственны за образование так называемых половых факторов (соответственно a- и α-фактора), которые представляют собой олигопептиды. a-Фактор, образуемый а-клетками, способен блокировать процесс митотического деления у α-клеток. α-Фактор, образуемый α-клетками, блокирует митотическое размножение у а-клеток. Поэтому конъюгация возможна только при взаимодействии а- и α-клеток, но не а х a или α х α. После конъюгации а- и α-клеток образуется диплоидная клетка (зигота), имеющая генотип а/α. Только такие клетки способны к мейотическому делению с образованием половых спор. В процессе мейотического деления а/α клетки образуется 4 гаплоидных ядра, два из которых а-типа, а два - α-типа. Поэтому в типичном четырехспоровом аске две аскоспоры принадлежат к а-типу, а две - к α-типу. Более сложные случаи генетической детерминации пола наблюдаются у базидиальных дрожжей. У видов в родах Rhodosporidium, Leucosporidium, Sporidiobolus тип спаривания не биполярный, а тетраполярный, так как определяется не двумя (а и α), а четырьмя аллелями, которые принято обозначать как А, а, В, в. В этом случае скрещивание возможно лишь между штаммами, которые различаются всеми четырьмя аллелями: АВ ґ ав или Ав ґ аВ. В комбинациях ав ґ ав или АВ ґ АВ спаривание невозможно. При взаимодействии штаммов, различающихся только по одному локусу: АВ ґ аВ, АВ ґ Ав, ав ґ Ав или ав ґ аВ, иногда наблюдается копуляция клеток, но дикариотический мицелий, как правило, не развивается.
Аскомицетовые дрожжи
К аскомицетам относят дрожжи, половые споры которых формируются эндогенно внутри особых вместилищ - сумок, или асков. В отличие от мицелиальных аскомицетов, большая часть жизненного цикла которых проходит в гаплоидной фазе, а диплоидна только молодая сумка, среди аскоспоровых дрожжей есть виды с разными типами онтогенеза: гаплоидным, диплоидным и гапло-диплоидным. При этом аском может стать либо непосредственно зигота (Schizosaccharomyce, Zygosaccharomyces), либо отдельная диплоидная вегетативная клетка (Saccharomyces, Saccharomycodes), либо сумка развивается как новообразование с участием так называемых «активных» почек, выполняющих функцию гамет (Lipomyces). Аски могут также формироваться из хламидоспор (см. приложение 11), из клеток псевдомицелия (см. приложение 8), или на истинном мицелии. В любом случае формирование аска происходит из диплоидной клетки после мейотического деления ядра. Мейоз представляет собой два следующих друг за другом деления ядра с однократным удвоением хромосом. Перед вторым делением хромосомы не удваиваются, поэтому в результате происходит редукция числа хромосом и возникают четыре гаплоидных ядра. Затем в районе ядерных бляшек начинают формироваться мембраны, которые постепенно разрастаются и охватывают часть цитоплазмы будущего аска. После образования аскоспор остается небольшое количество «неиспользованной» цитоплазмы. Между двумя листками мембран закладывается клеточная стенка аскоспоры. Аскоспоры отличаются от вегетативных клеток более толстой и многослойной клеточной стенкой, меньшим развитием внутриклеточных мембранных систем, отсутствием вакуолей. Эти особенности связаны с пониженной метаболической активностью аскоспор. Обычно аскоспоры содержат большое количество запасных веществ, чаще всего - липидов. Аскоспоры дрожжей - это типичные покоящиеся споры, способные более или менее длительный период существовать в неактивном состоянии. Однако, устойчивость аскоспор к ряду повреждающих факторов, например, к повышенным температурам, обычно не намного выше, чем у вегетативных клеток. Форма аскоспор у дрожжей очень разнообразна. Они могут быть круглыми, овальными, бобовидными, чечевицеобразными, серповидными, игловидными и т.д. Кроме того, аскоспоры могут иметь на поверхности клеточной стенки различные скульптурные образования, которые хорошо выявляются в электронном микроскопе. За счет таких образований аскоспоры могут быть бородавчатыми, сатурновидными, напоминающими грецкий орех и пр. Морфология асков зависит от способа их образования, типа полового процесса (гологамия или педогамия), количества и формы аскоспор. Количество аскоспор в аске у разных видов может быть от одной до нескольких десятков. Наиболее часто встречаются аски с 1,2,4 и 8 аскоспорами. Аски различаются также временем существования. У большинства дрожжей аски устойчивые и разрушаются только в очень старых культурах. Но есть виды с быстро разрушающимися асками. Морфология асков, аскоспор, тип полового процесса имеют большое таксономическое значение. Эти признаки используются в систематике дрожжей при выделении таксонов родового уровня. . Рассмотрим несколько примеров жизненных циклов аскомицетовых дрожжей.
- Гаплоидные. У таких дрожжей вегетативное размножение происходит в гаплоидной фазе, а диплоидная стадия очень короткая: образовавшееся диплоидное ядро сразу же делится мейотически с восстановлением гаплоидного состояния. Schizosaccharomyces pombe. Половой процесс - гологамия. Две морфологически сходные гаплоидные вегетативные клетки образуют выросты, с помощью которых происходит контакт, а затем слияние содержимого клеток. Возникает диплоидная зигота, которая вегетативно не размножается, а ядро ее сразу переходит к мейотическому делению. Образующиеся четыре гаплоидных ядра включаются в аскоспоры. После освобождения из аска аскоспоры прорастают и дают начало длительной стабильной вегетативной фазе. Lipomyces tetrasporus. Половой процесс - адельфогамия. Роль гамет здесь выполняют активные почки. Такие почки формируются на гаплоидных вегетативных клетках на поздних стадиях роста после периода вегетативного размножения. Обычно две почки на одной материнской клетке выполняют функцию гамет и копулируют между собой, образуя зиготу, которая затем разрастается в виде мешка и отделяется перегородкой от несущей ее клетки. Ядро зиготы делится мейотически и она превращается в четырехспоровый мешковидный аск, прикрепленный к материнской клетке, на которой может затем формироваться вторая и третья сумки.
- Диплоидные. У этих дрожжей вегетативно размножаются только диплоидные клетки. Гаплофаза ограничена молодыми асками и аскоспорами. . Saccharomycodes ludwigii. У этих дрожжей диплоидизация происходит при слиянии аскоспор. Четыре гаплоидные аскоспоры прорастают и начинают копулировать попарно, когда они еще находятся в аске. Образовавшиеся диплоидные клетки размножаются вегетативно, образуя стабильную и длительную диплофазу. При соответствующих условиях, когда снимается контроль митотического деления ядра, диплоидная клетка вступает в митотический цикл и превращается в аск с 4 аскоспорами. Hanseniaspora uvarum. Жизненный цикл сходен с описанным выше за исключением того, что споры не копулируют, но ядро в зрелой споре после освобождения ее из сумки в условиях, обеспечивающих вегетацию, делится мейотически. Образовавшиеся два гаплоидных ядра сливаются, образуя уже диплоидную клетку, способную к вегетативному размножению. Сходный цикл наблюдается и у почвенных дрожжей Williopsis saturnus.
- Гапло-диплоидные. Существуют дрожжи, у которых вегетативное размножение может происходить как в гаплоидной, так и в диплоидной фазах. Длительность той или другой фазы зависит от вида и от условий роста. Saccharomyces cerevisiae. Эти дрожжи вегетируют преимущественно в диплоидном состоянии, но у них имеется короткая вегетативная гаплоидная фаза. Диплоидная клетка в условиях дефицита легкодоступных источников углерода прекращает почковаться, и ядро ее делится мейотически. В результате она превращается в аск с 4 гаплоидными аскоспорами, которые после освобождения из аска прорастают и образуют гаплоидное поколение. Гаплоидные клетки обычно мельче диплоидных и имеют более округлую форму. Шрамы почкования у них сближены, почки образуются группами в одном локусе. После нескольких циклов почкования две клетки конъюгируют и сливаются, восстанавливая диплоидное состояние.
Автотрофное питание микроорганизмов. Роль автотрофов в круговороте веществ в природе. Примеры.
Автотро́фы (др.-греч. αὐτός — сам + τροφή — пища) — организмы, синтезирующие органические соединения из неорганических.
Автотрофы составляют первый ярус в пищевой пирамиде (первые звенья пищевых цепей). Именно они являются первичными продуцентами органического вещества в биосфере, обеспечивая пищей гетеротрофов. Следует отметить, что иногда резкой границы между автотрофами и гетеротрофами провести не удаётся. Например, одноклеточная эвглена на свету является автотрофом, а в темноте — гетеротрофом.
Автотрофные организмы для построения своего тела используют неорганические вещества почвы, воды, воздуха. При этом почти всегда источником углерода является углекислый газ. При этом одни из них (фототрофы) получают необходимую энергию от Солнца, другие (хемотрофы) — от химических реакций неорганических соединений.
Фототрофы
Организмы, для которых источником энергии служит солнечный свет (фотоны, благодаря которым появляются доноры — источники электронов), называются фототрофами. Такой тип питания носит название фотосинтеза. К фотосинтезу способны зелёные растения и многоклеточные водоросли, а также цианобактерии и многие другие группы бактерий благодаря содержащемуся в их клетках пигменту — хлорофиллу. Археи из группы галобактерий способны к бесхлорофилльному фотосинтезу, при котором энергию света улавливает и преобразует белок бактериородопсин.
Хемотрофы
Сообщества микроорганизмов чёрных курильщиков являются хемотрофами и основными продуцентами на дне океанов
Остальные организмы в качестве внешнего источника энергии (доноров — источников электронов) используют энергию химических связей пищи или восстановленных неорганических соединений — таких, как сероводород, метан, сера, двухвалентное железо и др. Такие организмы называются хемотрофы. Все фототрофы-эукариоты одновременно являются автотрофами, а все хемотрофы-эукариоты — гетеротрофами. Среди прокариот встречаются и другие комбинации. Так, существуют хемоавтотрофные бактерии, а некоторые фототрофные бактерии также могут использовать гетеротрофный тип питания, то есть являются миксотрофами.
Литература
- Жарикова Г.Г., Леонова И.Б. Основы микробиологии. Практикум. – М.: Академия, 2008 г. – 144 с.
- Жарикова Г.Г. Микробиология продовольственных товаров. Санитария и гигиена. – М.: Академия, 2008. – 304с.
- Жарикова Г.Г. Микробиология продовольственных товаров. Санитария и гигиена: Учебник для студ. Высш. Учеб. Заведений / Гаяна Григорьевна Жарикова. – М.: Издательский центр «Академия», 2005. – 304с.
- Прист Ф.Дж. и Йена Кэмпбелл. Микробиология пива. – СПб.: Профессия, 2005. – 370с.
- Мудрецова-Висс К.А., Дедюхина В.П. Микробиология, санитария и гигиена питания. – М.: Форум, Инфа, 2008. – 400с.
- Нетрусов А.И., И.Б. Котова. Микробиология. – М.: Академия, 2007. – 352с.
- Емцев В.Т., Мишустин Е.Н. Микробиология. – М.: Дрофа, 2006. – 448с.
- Копреева Р.П. и др. Санитарная микробиология сырья и продуктов животного происхождения. – М.: «Политрафсерфис», 2006. – 407с.
