任务三 酵母菌形态、结构及功能
任务要求
1.掌握酵母菌形态、结构特点
2.掌握酵母菌的生活史
3.了解酵母菌与细菌结构的异同
真核微生物是由具有完整细胞核结构、能进行有丝分裂、在细胞质中存在线粒体等细胞器的微生物。酵母菌是最简单的真核细胞微生物之一，在细胞形态上与球菌相似，但结构较细菌复杂，生物学特点表现为典型真核微生物特点。
酵母菌是非分类学术语，泛指能发酵糖类的各种单细胞真菌。酵母菌种类很多，已知有56个属1000多个种。酵母菌分布广泛，含糖偏酸的环境酵母菌生长最为活跃，如水果、蔬菜表面和果园土壤中；油田、炼油企业附近的区域，因烃类物质丰富，也是酵母菌生长活跃区域。
酵母菌是人类最早利用的微生物之一，有“第一种家养微生物”的美誉。早在4000多年前，古埃及人就开始利用酵母制作面包和酿制啤酒。殷商时期，中国人就已经学会利用酵母酿造白酒。汉朝时期，中国人已经掌握了使用酵母制作馒头、饼等面点。时至今日，酵母菌在人类生活中的地位更加重要，酒类生产、中西面点制作、乙醇发酵、石油及油品脱蜡、单细胞蛋白生产及维生素生产等均有酵母菌直接或间接参与。当然，少数酵母菌对人类也是有害的，如白假丝酵母、新型隐球酵母等是引起鹅口疮、阴道炎、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、食物腐败的主要原因。
一、酵母菌的形态结构
酵母菌是一类圆形或椭圆形单细胞、以出芽或分裂为主要繁殖方式的真菌。酵母菌是典型的真核微生物，细胞结构包括细胞壁、细胞膜、细胞核、细胞质、液泡、线粒体等。酵母菌形态多为卵圆形、圆形、圆柱形、梨形等，无鞭毛，不能游动，细胞宽约1～5μm，长约5～30μm，其细胞直径一般为球菌的10倍左右。有的酵母菌子代细胞会连在一起成为链状，称之为假丝酵母。酵母菌细胞结构示意图见2-16。
图2-16 酵母菌细胞的模式构造
1.细胞壁
酵母菌细胞壁位于细胞的最外层，厚约25nm，重量约占细胞干重的20%～30%，具有维持细胞形态和细胞间识别的作用。细胞壁呈“三明治状”，具有3层结构：内层为葡聚糖层，是复杂的分支状聚合物；中间层主要由蛋白质组成，包括多种酶类；外层为甘露聚糖层。层与层之间可部分镶嵌，其中甘露聚糖约占酵母细胞壁干重的30%，β-葡聚糖约占30%，糖蛋白和几丁质约占20%，蛋白质、类脂、无机盐等其他成分约占20%。
细胞壁内层的葡聚糖属于结构多糖，与细胞膜相连接，是酵母细胞壁的主要成分，具有支撑外部甘露聚糖的功能，赋予细胞壁足够的机械强度。葡聚糖由β-1，3-葡聚糖和β-1，6-葡聚糖按85∶15比例组成，其以β-1，3-葡聚糖为骨架、β-1，6-葡聚糖为支链，β-1，6-葡聚糖的还原端连接到β-1，3-葡聚糖非还原端的末端葡萄糖上，并在氢键作用下共同构成一个三维的网络结构。其网状结构具有较强弹性，在正常渗透压下可大量延伸，而当细胞处于高渗透压情况下时，三维网状结构可迅速收缩，只占原来体积的40%左右，当渗透压恢复正常后，三维网状结构则可恢复原状。
中间层的蛋白质与细胞壁结合，其中含有葡聚糖酶、甘露聚糖酶、蔗糖酶、碱性磷酸酶和脂酶等多种酶类，担负着重要的催化作用。
外层的甘露聚糖具有细胞识别和控制细胞壁孔径等生理功能。甘露聚糖以共价键与蛋白质连在一起，主链为单链，通过α-1，6-糖苷键将多个α-甘露糖连接而成。甘露糖侧链则以α-1，2-键和α-1，3-键与主链连接，部分侧链则结合有决定酵母细胞抗原相关的功能基团。β-1，6-葡聚糖和甘露聚糖的连接在酵母细胞壁的合成中具有重要作用。
此外，酵母菌细胞壁上的芽痕周围还含有少量几丁质成分。实验室常用玛瑙螺胃液制成的蜗牛消化酶（内含纤维素酶、甘露聚糖酶、几丁质酶等30余种）水解酵母菌细胞壁，制备酵母菌原生质体，也可水解酵母菌的子囊壁释放其中的子囊孢子。
2.细胞膜
酵母菌细胞膜与原核生物细胞膜基本相同，也是由磷脂双分子层和蛋白质组成，蛋白质镶嵌在双分子层中间。其中，蛋白质约占细胞膜干重的50%，磷脂约占细胞膜干重的40%。但酵母菌细胞膜中含有原核生物所没有的甾醇类物质，其中以麦角固醇居多，它经紫外线照射后转化成维生素D2，可作为维生素D的来源。
3.细胞质及内含物
酵母菌同其他真核生物一样，细胞质主要是胶状物质，其中存在多种有特定结构和功能的细胞器和内含物，如核糖体、线粒体、内质网、高尔基体、液泡等。
（1）核糖体 酵母菌的核糖体沉降系数为80S，由60S和40S两个亚基构成。它游离在细胞质中或附着在内质网上。
（2）线粒体 多为球状或杆状，一般位于核膜及中心体的表面，直径为0.5～1μm，最长可达2μm，双层膜包围，内膜内陷为脊。其主要成分为脂类、蛋白质、少量RNA和环状DNA。线粒体中的DNA可自主复制，不受核染色体控制，决定着线粒体的某些遗传性状。线位体还是真核生物进行氧化磷酸化的中心，能量代谢的主要场所。
（3）内质网 是分布在整个细胞中的由膜构成的管道和网状结构，常与核膜或细胞膜相连在一起。内质网具有进行物质传递的功能，另外还参与合成膜脂和脂蛋白。
（4）高尔基体 也是一种内膜结构，是由扁平双层膜和小泡构成。高尔基体主要为细胞提供一个内部的运输系统。
（5）液泡 是单层膜包裹的囊泡物，其中含有水、有机酸、无机盐、水解酶类及一些储藏颗粒（如肝糖粒、脂肪粒、异染颗粒等）。液泡常在细胞发育后期出现，随着菌龄的增长而逐渐增大，其大小可作为衡量细胞成熟的标志。液泡的主要功能是储藏营养物和水解酶类，参与细胞质进行物质交换，调节细胞渗透压等。
4.细胞核
酵母菌具有核膜包裹的细胞核，上面有大量的核孔，中间有核仁。每一个酵母细胞只有一个细胞核，位于细胞中央，呈圆形或卵圆形，直径一般小于1μm。有时由于液泡的逐渐扩大，细胞核会被挤在边缘，变为肾形。
在电子显微镜下观察细胞核，核膜是一种双层单位膜，其上存在着直径40～70nm的圆形核孔，这是细胞核与细胞质之间进行物质交换的重要通道，核内合成的RNA可通过核孔转移到细胞质中，为蛋白质合成提供模板。细胞核是遗传物质复制、表达、传递、储存的主要场所，通过吉姆萨染色或碱性品红染色可以清晰地观察到细胞核内的染色体。除细胞核外，在线粒体、质粒等成分中也含有DNA分子。
二、酵母菌的繁殖方式
酵母菌的繁殖方式可分无性繁殖和有性繁殖两大类，以无性繁殖为主。常见的无性繁殖包括芽殖、裂殖、芽裂和产无性孢子，有性繁殖方式为产子囊孢子。根据酵母菌是否存在有性繁殖，可分为只有无性繁殖过程的假酵母和有性、无性繁殖都存在的真酵母。繁殖方式及产物往往是酵母菌鉴定的重要依据。
1.无性繁殖
酵母菌的无性繁殖有四种方式：芽殖、裂殖、芽裂和产生无性孢子。
（1）芽殖 即出芽繁殖，是酵母菌进行无性繁殖的主要方式。成熟的酵母菌细胞，在特定的一个或多个部位先长出小芽，待芽体细胞长到一定程度，与母细胞脱离继续生长，最终形成新的个体。芽殖的出芽方式有单边出芽、两端出芽、三边出芽和多边出芽。
芽殖常发生在酵母细胞壁芽痕的预定点上，每个酵母细胞有一个或多个芽痕。成熟的酵母细胞在水解酶作用下细胞壁变薄，长出芽体。新复制的细胞核、细胞质等向芽体部位转移，芽体逐渐长大，当长到接近母细胞大小时，自母细胞脱落成为新个体，完成出芽繁殖。每进行一次芽殖都会在母细胞上留下一个芽痕，同时在子细胞上相应位置会留下一个蒂痕（又称产痕）。酵母菌芽殖往往在同一地方不会二次出芽，所以根据芽痕数目可以判断该酵母菌的出芽次数。如果酵母菌生长旺盛，在芽体尚未自母细胞脱落前，即可在芽体上又长出新的芽体，最后则形成假菌丝状，该类酵母即假丝酵母。酵母菌芽殖示意图见图2-17。
图2-17 酵母菌芽殖示意图
（2）裂殖 少数种类的酵母菌进行的无性繁殖方式，类似于细菌的二分裂方式，以细胞分裂进行繁殖。其过程是母细胞延长，核复制分裂为两个，细胞中央出现隔膜，将细胞横分为两个大小相等、各具有一个单核的子细胞。进行裂殖的酵母种类很少，八孢裂殖酵母是该类繁殖方式的典型代表菌。裂殖酵母见图2-18。
图2-18 电子显微镜下的裂殖酵母
（3）芽裂 少数酵母细胞在一端出芽的同时，在芽基处形成隔膜，将母子细胞分开，这种无性繁殖方式称为芽裂。该方式很少，形成的子细胞呈瓶状。
（4）产无性孢子 少数酵母细胞可产生无性孢子进行繁殖。这些无性孢子有掷孢子、厚垣孢子和节孢子等，如掷孢酵母属等少数酵母菌产生掷孢子，其外形呈肾形、镰刀形或豆形，该类孢子在卵圆形的营养细胞生出的小梗上形成，孢子成熟后通过喷射小梗上分泌的液滴将孢子射出。此外，有的酵母菌还能在假菌丝的顶端产生厚垣孢子，如白假丝酵母菌等。
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进行的。当两个邻近的性别不同的酵母细胞各自伸出一根管状的原生质突起，随即相互接触、局部融合，并形成一个通道，两个不同性别的细胞在此通道内相继发生质配、核配，形成双倍体细胞核，随后进行减数分裂，形成4个或8个子代细胞核。最后，每个子核与其周围的原生质结合形成孢子，即子囊孢子，而原来的营养细胞变成子囊包裹在孢子外部。
酵母菌形成子囊孢子的难易程度因种类不同而异。有些酵母菌不形成子囊孢子；有些酵母菌几乎在所有培养基上都能形成大量子囊孢子；有的种类必须用特殊培养基才能形成；有些酵母菌在长期的培养中会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态结构也不相同，如球形、椭圆形、半球形、帽子形、橘子形、镰刀形、纺锤形等形状，孢子表面光滑或有刺，孢子皮层为单层或双层等。酵母菌子囊孢子形态结构也是酵母菌分类鉴定的重要依据。
三、酵母菌的生活史
生活史又叫生活周期，是指上代个体经一系列生长、发育阶段而产生下一代个体的全部过程。酵母菌的生活史可分为单倍体型、双倍体型和单双倍体型三种。
1.单倍体型
营养体只能以单倍体（n）形式存在。
单倍体型以八孢裂殖酵母为代表。其主要特点是：营养细胞为单倍体；无性繁殖以裂殖方式进行；二倍体阶段短暂，二倍体细胞不能独立生活，一经生成立刻进行减数分裂。
单倍体型酵母菌生活史：①单倍体营养细胞以裂殖方式进行无性繁殖；②两个性别不同的营养细胞接触后形成接合管，发生质配、核配，形成二倍体；③二倍体核染色体迅速进行3次分裂，第一次为减数分裂，接着再进行两次有丝分裂，形成8个单倍体子囊孢子；④子囊破裂，释放子囊孢子，待子囊孢子发育成营养细胞后再进行裂殖。单倍体型酵母菌生活史见图2-19。
图2-19 单倍体型酵母菌生活史
2.双倍体型
营养体只能以二倍体（2n）形式存在。
双倍体型以路德类酵母为代表。其主要特点是：营养体为二倍体，以芽殖进行无性繁殖，二倍体阶段较长；单倍体的子囊孢子在子囊内发生接合；单倍体阶段仅以子囊孢子形式存在，不能进行独立生活。
双倍体型酵母菌生活史：①单倍体子囊孢子在孢子囊内成对接合，并发生质配、核配；②接合后的二倍体细胞萌发，穿破子囊壁；③二倍体的营养细胞可独立生活，通过芽殖方式进行无性繁殖；④在二倍体营养细胞内的核发生减数分裂，营养细胞成为子囊，其中形成4个单倍体子囊孢子。单倍体阶段仅以子囊孢子形式存在，不能进行独立生活，该阶段较短。双倍体型酵母菌生活史见图2-20。
图2-20 双倍体型酵母菌生活史
3.单双倍体型
营养体既可以单倍体（n）也可以二倍体（2n）形式存在。
单双倍体型以啤酒酵母为代表。其主要特点是：单倍体营养细胞和双倍体营养细胞均可进行芽殖；营养体既可以单倍体形式存在，也可以二倍体形式存在；在特定条件下进行有性繁殖；单倍体和双倍体两个阶段同等重要，形成世代交替。
单双倍体型酵母菌生活史：①子囊孢子在适宜的条件下发芽产生单倍体营养细胞；②单倍体营养细胞不断进行出芽繁殖；③两个性别不同的营养细胞彼此接合，发生质配、核配，形成二倍体营养细胞；④二倍体营养细胞不会立即进行减数分裂，而是不断进行出芽繁殖；⑤在特定条件（如含醋酸钠的Mcclary培养基、胡萝卜条、石膏块、Gorodkowa培养基或Kleyn培养基）下，二倍体营养细胞转变成子囊，二倍体核染色体进行减数分裂，形成4个子囊孢子；⑥子囊经自然破壁或人工破壁（如加蜗牛消化酶溶壁，加硅藻土和石蜡油研磨等），释放出单倍体子囊孢子。
单倍体和二倍体营养细胞均可以进行出芽繁殖，但二倍体营养细胞体积相对较大，生命力更强，广泛地应用于工业生产、科学研究和遗传工程实践。单双倍体型酵母菌生活史见图2-21。
图2-21 单双倍体型酵母菌生活史
四、酵母菌的菌落特征
酵母菌属典型的单细胞真核微生物，细胞间没有明显分化，菌落特征在固体培养基和液体培养基中各有特点。
在固体培养基表面，大多数酵母菌的菌落特征与细菌的球菌相似，但较细菌菌落大而且凸起，菌落表面光滑、湿润、黏稠、半透明、易被挑起，菌落质地均匀，边缘光滑，中间隆起，正反面和边缘、中央部位的颜色均匀一致，但个别种会因培养时间过长菌落表面出现皱缩。酵母菌落多为乳白色，少数呈红色、橙色，个别为黑色。不产生假菌丝的酵母菌，其菌落更为隆起，边缘圆整；而产生假菌丝的酵母菌，则菌落较平坦，表面和边缘较粗糙。菌落的颜色、光泽、质地、表面和边缘特征，均是酵母菌菌种鉴定的重要依据。
在液体培养基中，有的长在培养基底部并产生沉淀；有的在培养基中均匀生长并产生混浊；有的在培养基表面生长并形成菌膜，其厚薄因种而异；还有的甚至因干燥而变皱。菌膜的形成及特征也具有重要的分类学意义，可用以酵母菌菌种鉴定。
此外，由于酵母菌代谢途径常伴有酒精发酵，一般其菌落会散发出一定的“酒气”，此也为酵母菌菌落所特有。
思考与交流
前面已经介绍了放线菌和细菌的形态特征，现根据已学的知识试分析细菌、放线菌和酵母菌间存在哪些异同。
想一想
食物在什么样的条件才会发霉？发霉的食物常伴有什么样的气味？