纤维堆囊菌的多细胞形态发生过程

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细菌是单细胞生物。一般来说， 在细菌的生活史中细胞与细胞之间缺乏如高等生物 整体协调的群体行为。但某些细菌， 由于环境的压力和自身的遗传特性， 不同程度地进化 出细胞的群体分化发育现象。如柄杆菌 （ !"#$%&"’()* ’)*)#+ ） 的游动孢子分化， 根瘤菌 （ ,-./ ［%］ 的类菌体发育， 项圈藻 （ 23"&")3" ） 的异形胞分化 ， 芽孢杆菌 （ 4"’.$$#+ ） 的内生孢子 0%&.#1 ）
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吴斌辉等： 纤维堆囊菌的多细胞形态发生过程
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集运动和发育自溶的规模要比粘球菌小得多。聚集的细胞团中形成多个中心， 细胞团被 “分割” 成多个子实体， 并进一步发育成熟。聚集的细胞堆发育形成多个独立的子实体的 特性是纤维堆囊菌不同于其他粘细菌的一个显著发育特性。根据实验的结果和以上的分 析， 我们给出了纤维堆囊菌在滤纸纤维素质基质上的生长和子实体发育的生活周期图 （图 。 !） 参 考 文 献
［$］ 的如粘球菌 的环状或螺旋状细胞运动 （图 !"D， 培养 *$%） 。对发育成熟后的子实体萌发
能力分析表明， 纤维堆囊菌的子实体同时存在两种类型， 一种是具有繁殖活力的， 另一种 是不具有 繁 殖 活 力 的。从 形 态 上 看， 具有繁殖活力的子实体较为饱满 （图 !"E， 培养 ， 而不具有繁殖活力的子实体则较为干瘪 （图 !":， 培养 3-*%） 。 :1;9%1<=/9% 分析认 3-*%）
者已确定的只有一个属一个种， 即纤维堆囊菌 （ 5%*"38.#1 ’)$$#$%+#1 ） 。有关粘细菌细胞群体 行为的研究目前只在子实体形态结构简单的粘球菌 （ 97:%’%’’#+ ） 和较为复杂的标桩菌 （ 5(.8/ 中开展 2 %$ 。作为粘细菌中唯一能够降解纤维素的种属， 纤维堆囊菌目前的研究仍 1"()$$" ） ［%%， %"］ 主要是新型生物活性代谢物的筛选和分析 ， 未见有关该菌的细胞群体行为文献。本文 报道纤维堆囊菌在纤维素基质上的生长和子实体形态发生的研究结果。
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材料和方法
菌株和培养条件
［%1］ 纤维堆囊菌 （ 5%*"38.#1 ’)$$#$%+#1 ）J’ 24118% 菌株由本室分离并保存 。菌株的培养
" 国家自然科学基金 （1234$$$1， 和教育部博士点基金资助项目。 1$$4$$$3） " " 联系人。 5+(： （$61%） 36#!"33； 78-9:(： (:(9.; <=> ) +=> ) ,?。参加论文工作的还有刘
［3$］ 存在疣状突起结构， 这可能是纤维素酶的复合体 。纤维堆囊菌细胞表面疣状突起结构
随细胞生长而存在的特性说明这些疣状突起物可能是纤维堆囊菌纤维素酶的复合体。而
［4］ 胞间连丝的存在则是粘细菌协同运动所需 。尽管在菌落的周围还有大量未降解的滤
纸， 但菌落却不能进一步扩展利用。如果将纤维堆囊菌细胞人为挑接到菌落附近的未降 解滤纸上， 可以开始新一轮的生长循环。结果表明， 纤维堆囊菌降解纤维素的产物可能对 细胞的运动有抑制作用。对 (- 株纤维堆囊菌菌株的生长特性比较发现， 大多数的菌株细 胞堆积生长和子实体形成是从菌落的中部开始的， 如 5678(("3， 少数菌株则仅在菌落的边 缘形成堆积的细胞堆， 如 56 91!) 菌株 （德国国家生物技术研究中心 :1;9%1<=/9% 教授赠） 。 !"! 多细胞子实体形态的发生 纤维堆囊菌在营养贫瘠的 >?5@ 固体培养基上生长停止以后， 由于细胞可及的营养 物缺乏， 高密度的细胞开始子实体结构的发育。堆积的细胞在原位不规则聚集形成多个 细胞团 （图 !"A， 培养 *$%） 。成团的细胞被 “割裂” 形成子实体堆 （图 !"? 和 B， 培养 *$%） 。 与其它粘细菌的子实体不同， 纤维堆囊菌的子实体为大小不等的不规则球形。不同纤维
［"］ ［1］ 生成 ， 链霉菌 （ 5(*)6(%17’)+ ） 的气生菌丝形成 ， 粘细菌 （ CDE’.9,F+/:9） 的多细胞子实体 ［!， 6］ 形态发生和粘孢子 （-DE’<I’/+<） 分化等 。其中， “ 高等” 原核生物粘细菌 （ G/>:F:?H .’=:+<） 的细胞群体行为现象最为复杂。不但体现在子实体结构的形态分化发育中， 在细胞的运
3，)0+ (+1#)0 .6 )0+ *+(( "5 E D F 3，)0+ (+1#)0 .6 3BG.54.-+ "5 A D % 3H <0+ 2",3+)+- .6 )0+ ;. =>??@A 6-’")"1# 7.2B "5 AC D %C ! ! !
［C］ 奏 。在纤维堆囊菌中， 生长停止后堆积的细胞也有一个细胞聚集成团和自溶过程， 但聚
动、 摄食行为等方面也是协同进行的。粘细菌的细胞分化发育行为与多细胞真核生物更 为相似， 是研究细菌多细胞行为， 细胞间信号传导与调控， 以及生物进化的很好的模式材
［#］ 料 。 ［ ，］ 粘细菌是以滑动方式运动的革蓝氏阴性菌。系统分类上属于紫细菌类群的! 8分枝 4 3 。 粘细菌共 %" 个属， 约 !$ 个种。根据营养方式， 粘细菌分为溶细菌和溶纤维素两个类群。后
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在生长阶段的细胞表面有疣状突起， 细胞之间形成胞间连丝 （图 !"#， 培养 !$%） 。在生长 的第二阶段菌落不再明显的扩展， 细胞上的疣状突起物和胞间连丝仍随着细胞的生长而 不断产生 （图 !"& 和 ’， 分别培养 ()% 和 $*%） ， 大量增殖的细胞伴随纤维素的降解在原位 堆积 （图 !"+ 和 ,， 培养 )-%） 。在菌落中， 细胞扩展接触到的滤纸几乎完全降解， 而比邻的 细胞未接触到的滤纸纤维保持完整。在细胞接触到的滤纸被利用殆尽时， 细胞的生长也 就停止了， 并进入子实体发育阶段。生长停止后的细胞表面光滑， 没有疣状突起和胞间连 丝 （图 !".， 培养 )-%） 。根据 ./012 等的检测分析结果， 纤维素降解细菌的细胞的表面均
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纤维堆囊菌在纤维基质上的生长和子实体形态发生的多细胞模式
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［2］ 乙磺酸 （.5/5#） 微量元素液 用蒸馏水定容至 3:， -)0+， 67!8’ ()(3+， 3)(9:， ;.2)( < 2)-。
固体培养基倒平板， 凝固后贴放无菌滤纸片。 由于纤维堆囊菌的生长呈紧密的聚团特性， 在细胞接种和细胞计数时先用玻璃珠将 菌体细胞打匀， 立即接种或用显微镜计数。 !"# 生长和形态发生过程的观察 相差光学显微镜 （重庆光学仪器 每隔 3-= 取菌生长和子实体发育不同阶段的培养物， 厂， 观察培养物细胞的生长和分化发育过程。连同滤纸片揭下， 经 -)*@ 戊二醛固 >#?4.） 定 0 < A=， 乙醇梯度脱水， 直至纯乙醇， 每个梯度脱水 3 < -=。完全脱水后的样品临界点干 燥， 喷金， 日立 #4*2( 扫描电子显微镜观察。 !"$ 子实体的抗逆性 将形成子实体后不同时期的培养物置于无菌蒸馏水中 **B 水浴加热处理 3(9CD， 接 种 !"#$ 平板， 观察细胞的萌发能力。
［0］ 嗜细菌群粘细菌的代时一般在 0 < 3(= 左右 ， 而纤维堆囊菌细胞的代时更长。在 细胞数量有一个迅速的 !"#$ 培养基上生长的细胞代时在 3* < -(= 之间。在生长停止后， ［*］ 下降。根据粘球菌的多细胞发育模式 ， 这可能是纤维堆囊菌子实体结构形态发生前的
细胞发育性自溶， 但相比粘球菌的 A*@ < G(@ 的细胞自溶量， 纤维堆囊菌在 -0= 内只有大 约 -2@ 的细胞发生自溶 （图 3） 。 纤维堆囊菌在生长过程中菌落有很强的扩 展性。在仅含滤纸的 !"#$ 无机盐培养基上， 细 胞的生长可以根据底物纤维素利用和细胞的生 长状态分为三个阶段： 菌落扩展期， 细胞大量增 值期和细胞停止生长后的子实体形态发生期。 在接种后， 平板上散落的细胞 （图 -4!， 培养 3-=） 首先萌发， 并聚集形成满足生长需要的高细胞 密度， 之后菌落呈树枝状迅速扩展 （图 -4Q， 培养