芽孢與芽胞

吳根福

(浙江大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州 310058)

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芽孢與芽胞

吳根福

(浙江大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州 310058)

在微生物的教學(xué)和科研過(guò)程中，“芽孢”和“芽胞”兩種表述常常混用，造成了概念混亂，有必要對(duì)這一問(wèn)題展開(kāi)深入的討論。從DNA的復(fù)制和傳遞、芽孢的分化和成熟等過(guò)程來(lái)看，芽孢形成過(guò)程是一個(gè)繁殖的過(guò)程；從芽孢的形狀、大小、化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)和抗性等特性來(lái)看，芽孢與放線(xiàn)菌和霉菌的孢子更相近，而與營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞差距較大。通過(guò)綜合比較，作者認(rèn)為“芽孢”是比“芽胞”更科學(xué)的稱(chēng)謂。

芽孢；芽胞；微生物學(xué)；教學(xué)；科研

在微生物中，有一類(lèi)細(xì)菌，主要是芽孢桿菌目和梭狀芽孢桿菌目的一些種，在其生長(zhǎng)發(fā)育的一定時(shí)期，會(huì)在細(xì)胞內(nèi)的特定部位，形成一個(gè)球形或橢球形的抗逆性休眠體，稱(chēng)為芽孢。芽孢具有極強(qiáng)的抵抗不良環(huán)境能力，在常溫下放置幾年，甚至幾十年，仍具有生命活力，一旦遇上適宜的環(huán)境條件，又會(huì)吸水萌發(fā)，最終形成一個(gè)營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞。由于一個(gè)營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞只形成一個(gè)芽孢，一個(gè)芽孢萌發(fā)后也只形成一個(gè)營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞，數(shù)目沒(méi)有增加，有人就認(rèn)為它與放線(xiàn)菌和真菌的“孢子”不同，不是繁殖“器官”，因而不能稱(chēng)為“芽孢”，應(yīng)更正為“芽胞”。打開(kāi)中文核心期刊數(shù)據(jù)庫(kù)，輸入“芽胞”或“芽孢”進(jìn)行搜索，可以發(fā)現(xiàn)兩者都能搜到較多的文獻(xiàn)[1-3]，甚至在同一文章中兩者混用的情況也時(shí)有發(fā)生。這種概念混亂給微生物的教學(xué)和科研帶來(lái)了許多困惑。雖然1954年由國(guó)家學(xué)術(shù)名詞統(tǒng)一工作委員會(huì)編輯出版的《微生物學(xué)名詞》[4]和1988年由全國(guó)科學(xué)技術(shù)名詞審定委員會(huì)公布的《微生物學(xué)名詞》[5]都規(guī)定了“芽胞”是正統(tǒng)的規(guī)范名詞，但由于芽孢的許多特性與孢子相近，作者們?cè)诎l(fā)表的文章和出版的書(shū)籍中還是傾向使用“芽孢”這一名詞。有鑒于此，2012出版的《微生物學(xué)名詞》(第2版)[6]在描述spore時(shí)使用了“芽孢，又稱(chēng)芽胞”的折中說(shuō)法，使混用的概念合法化。作者認(rèn)為有必要對(duì)這一問(wèn)題展開(kāi)深入的討論。現(xiàn)把作者的一些看法與同行交流，不當(dāng)之處還望專(zhuān)家們批評(píng)指正。

1 芽孢形成過(guò)程是一個(gè)繁殖過(guò)程

1.1 芽孢形成涉及細(xì)菌的二分裂

從芽孢形成過(guò)程來(lái)看，芽孢是營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞(母細(xì)胞)經(jīng)不均等分裂而形成的，與普通細(xì)菌的二分裂相似，只不過(guò)大多數(shù)細(xì)菌是均等分裂，而芽孢是不均等分裂(見(jiàn)圖1)，形成一個(gè)大細(xì)胞和一個(gè)小細(xì)胞，該小細(xì)胞最終發(fā)育成芽孢[7]。同樣的不均等分裂在其他細(xì)菌中也存在，如柄細(xì)菌分裂后形成一個(gè)有柄子細(xì)胞和一個(gè)有鞭毛子細(xì)胞，生絲微菌分裂后形成一個(gè)大細(xì)胞和一個(gè)芽細(xì)胞[8]。所以，從芽孢形成過(guò)程來(lái)看，與細(xì)菌的二分裂一樣，是一個(gè)繁殖過(guò)程。

圖1 芽孢形成示意圖Fig.1 Diagram of endospore formation芽孢形成前先要進(jìn)行DNA復(fù)制，一個(gè)拷貝進(jìn)入小細(xì)胞，另一拷貝在大細(xì)胞內(nèi)，經(jīng)不對(duì)稱(chēng)分裂后，小細(xì)胞被大細(xì)胞“內(nèi)吞”后逐漸發(fā)育成芽孢Before an endospore formation,DNA is replicated.One copy of DNA is transferred to the ‘small cell’,and the other copy remains in the ‘big cell’during an asymmetric division.After being engulfed by the ‘big cell’,the ‘small cell’is gradually developed to an endospore

1.2 芽孢DNA是母細(xì)胞遺傳物質(zhì)的垂直傳遞

從芽孢DNA的來(lái)源看，芽孢DNA并不是原初營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞(母細(xì)胞)DNA的完全繼承，而是由原初營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞DNA經(jīng)無(wú)絲分裂(滾環(huán)復(fù)制)后分配得到的一組染色質(zhì)體[8-10]，因此是原初營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞遺傳物質(zhì)的垂直傳遞。而DNA的復(fù)制和基因的垂直傳遞正是繁殖的主要特征。

1.3 芽孢由母細(xì)胞不均等分裂后的小細(xì)胞分化而成

從細(xì)胞分裂的結(jié)果看，大多數(shù)細(xì)菌均等分裂后形成相等的兩個(gè)子細(xì)胞，子細(xì)胞成熟后形成相同的兩個(gè)營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞；而芽孢桿菌不均等分裂后兩子細(xì)胞發(fā)展方向不同，小細(xì)胞逐漸濃縮并向內(nèi)發(fā)展成芽孢，躲藏在大細(xì)胞內(nèi)形成前孢子(或者說(shuō)是大細(xì)胞把前孢子內(nèi)吞，懸浮于原生質(zhì)中)。雖然從原生質(zhì)、細(xì)胞膜及細(xì)胞壁的組成來(lái)看，大細(xì)胞繼承了原初營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞的極大部分組分(也有人將大細(xì)胞稱(chēng)為母細(xì)胞)，但從基因組的來(lái)源看，大細(xì)胞的染色質(zhì)體與芽胞的染色質(zhì)體是一組姐妹染色質(zhì)體[7-8]。

1.4 芽孢成熟需要大細(xì)胞的配合

從芽孢形成機(jī)制來(lái)看，“大細(xì)胞”的死亡與解體并不是芽孢造成的，而是環(huán)境條件惡化后因不能抵抗惡劣環(huán)境而引起的。細(xì)胞分裂后兩子細(xì)胞的不同命運(yùn)在原初營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞不對(duì)稱(chēng)分裂之前(即細(xì)胞感受到環(huán)境惡化時(shí))就已經(jīng)注定了，是生物為了保存自身而不斷進(jìn)化和選擇的結(jié)果[7，11]。實(shí)際上，這兩個(gè)子細(xì)胞如同休戚相關(guān)的命運(yùn)共同體，“共生”在一起使自身基因組得以生存與繁衍。芽孢形成是一個(gè)群體性事件，且高度耗能。群體中只有一部分細(xì)胞能形成芽孢，另一部分細(xì)胞將被裂解，為芽孢形成提供營(yíng)養(yǎng)和能量。營(yíng)養(yǎng)缺乏是誘導(dǎo)芽孢形成的條件之一，由于芽孢的形成和發(fā)育也需要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，一旦群體中的部分細(xì)胞感知到營(yíng)養(yǎng)的缺乏，芽孢形成程序就會(huì)啟動(dòng)，不對(duì)稱(chēng)分裂而成的小細(xì)胞和大細(xì)胞通力合作，向周?chē)置谝恍┊a(chǎn)孢殺傷因子Skf和產(chǎn)孢延遲蛋白Sdp。這些毒蛋白可裂解環(huán)境中感覺(jué)遲鈍(尚未感知環(huán)境惡化)的營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞，引起同類(lèi)殘殺(Cannibalism)[11]。形成芽孢的細(xì)胞本身會(huì)產(chǎn)生抗毒蛋白，因此不被裂解。裂解細(xì)胞釋放出的營(yíng)養(yǎng)，首先被產(chǎn)孢細(xì)胞吸收代謝，合成一些產(chǎn)孢延遲蛋白(sporulation delaying proteins)來(lái)阻遏產(chǎn)孢信號(hào)的表達(dá)。當(dāng)營(yíng)養(yǎng)物再一次減少時(shí)這些細(xì)胞開(kāi)始不可逆地進(jìn)入產(chǎn)孢程序，剩余的養(yǎng)分一部分供小細(xì)胞合成芽孢中的蛋白和多糖物質(zhì)，另一部分由大細(xì)胞合成皮層、芽孢衣和孢外壁中的一些物質(zhì)，運(yùn)輸并填充到各結(jié)構(gòu)層中，最后發(fā)育成芽孢[10-11]。由于芽孢形成需要大細(xì)胞的配合，整個(gè)過(guò)程牽涉到幾百個(gè)基因的表達(dá)，而且芽孢形成過(guò)程中抗逆性是逐步積累的，形成初期還需要大細(xì)胞的保護(hù)，所以芽孢的形成并不是孢子囊(大細(xì)胞)裂解的誘因。芽孢形成過(guò)程中一個(gè)原初營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞(母細(xì)胞)經(jīng)分裂并發(fā)育成一個(gè)芽孢和一個(gè)大細(xì)胞，兩者協(xié)同生長(zhǎng)，形成孢子囊，因此芽孢形成過(guò)程是一個(gè)繁殖過(guò)程。

1.5 繁殖不能簡(jiǎn)單地以個(gè)數(shù)是否增加為判斷標(biāo)準(zhǔn)

與鏈霉菌形成成串的孢子不同，放線(xiàn)菌中的小單孢菌在菌絲頂端只形成一個(gè)孢子[9-10]，但仍把它作為無(wú)性繁殖的一種類(lèi)型，說(shuō)明形成一個(gè)孢子也是繁殖方式的一種。而且作為整個(gè)種群來(lái)說(shuō)，芽孢形成過(guò)程中有許多營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞因同類(lèi)殘殺而解體，能形成芽孢的細(xì)胞只是其中一部分，所以就整個(gè)種群來(lái)說(shuō)，種群數(shù)量是下降的，多個(gè)營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞相互合作(雖然有些細(xì)胞是被迫的)才形成一個(gè)芽孢[11]。生物是多樣的，有些昆蟲(chóng)，如螳螂，雄性完成交配后就作為雌性的食物；有些高等生物，一次只能生一個(gè)幼仔，惡劣環(huán)境常使母親因難產(chǎn)而死亡，不能因?yàn)橛H本的死亡而否定這種“繁殖”方式，更不能用產(chǎn)子的多少來(lái)作為判斷繁殖的標(biāo)準(zhǔn)。綜上所述，芽孢形成是一種細(xì)胞的特殊繁殖方式，芽孢可看作是一種“繁殖器官”。

2 芽孢的特性更類(lèi)似于孢子，而不同于營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞

從形狀來(lái)看，芽孢的形狀和孢子相似[12-13]，為球形或橢球形，而營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞通常為桿狀(芽孢桿菌)或絲狀(放線(xiàn)菌和霉菌)。從大小來(lái)看，芽孢的體積比形成它的營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞小，霉菌孢子的直徑也比菌絲體的直徑小[8,14]。從化學(xué)組成來(lái)看，芽孢含水量遠(yuǎn)較營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞低，放線(xiàn)菌和霉菌孢子的含水量也比菌絲體低；芽孢和孢子的原生質(zhì)都比營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞稠密，折光性都比營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞強(qiáng)[15]。從結(jié)構(gòu)來(lái)看，芽孢的孢外壁遠(yuǎn)比營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞的細(xì)胞壁厚，而放線(xiàn)菌和霉菌的孢子壁也比菌絲細(xì)胞壁厚[16]。從抗性來(lái)看，芽孢和孢子對(duì)不良環(huán)境都具有較強(qiáng)的抵抗力，具有抗高溫低溫、抗紫外線(xiàn)、耐干燥等特性，在自然條件下保存，可歷經(jīng)數(shù)年而不失活性；而營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞卻沒(méi)有這種能力[17]。從形成時(shí)期來(lái)看，芽孢與孢子都在對(duì)數(shù)生長(zhǎng)的后期、穩(wěn)定期的前期形成。從形成誘因來(lái)看，芽孢和孢子都因周?chē)h(huán)境條件不良而誘導(dǎo)產(chǎn)生，干燥、缺氧、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)貧乏，不適宜的溫度(低溫或高溫)都能誘導(dǎo)芽孢或孢子的形成[16,18]。從群體效應(yīng)看，芽孢桿菌群體中只有部分細(xì)胞形成芽孢，另一部分細(xì)胞解體死亡；放線(xiàn)菌和霉菌也是在部分菌絲上形成孢子，菌絲體最終死亡或解體[8,11]。因此，從各種特性來(lái)看，“芽孢”似乎是比“芽胞”更合理的稱(chēng)謂。

3 英文名稱(chēng)直譯也應(yīng)譯為芽孢

芽孢的英文名稱(chēng)為endospore，有時(shí)甚至直接以spore來(lái)稱(chēng)呼，所以從翻譯的角度看也應(yīng)譯為內(nèi)生孢子，或芽孢，而不應(yīng)譯為“芽胞”。

綜上所述，芽孢形成過(guò)程實(shí)際上是一個(gè)特殊的無(wú)性繁殖過(guò)程，在環(huán)境條件不良時(shí)，芽孢進(jìn)行不對(duì)稱(chēng)分裂，分裂后其中的一個(gè)子細(xì)胞縊縮凝聚，核心部分失水，同時(shí)外壁加厚，躲在母細(xì)胞內(nèi)形成“內(nèi)共生體”。由于在芽孢形成時(shí)，外界條件已變得不適合菌體生長(zhǎng)，而芽孢形成和成熟有一個(gè)過(guò)程，需要一定時(shí)間(實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)孢條件下枯草芽孢桿菌形成芽孢需要4 h左右)，為了繁衍后代，大細(xì)胞作出了犧牲，包在外面，以保護(hù)小細(xì)胞。由于芽孢的遺傳物質(zhì)是原初營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞經(jīng)復(fù)制后垂直傳遞下來(lái)的，且其基本特性類(lèi)似于孢子，作者認(rèn)為還是以“芽孢”命名比較科學(xué)。

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The Chinese translation of endospore

WU Gen-fu

(Coll.ofLifeSci.,ZhejiangUni.,Hangzhou310058)

The Chinese translation of endospore confuses us much, and a clear and accurate translation is anticipated. Given that the chromosome is replicated and resides in both compartments (mother cell and spore) and multiple stages of differentiation and maturation, it is evident that the endospore formation is a propagation process. In addition, characteristics of endospore, such as the form, the volume, the chemical composition, the structure and resistance to harsh environments, are similar to those of spores from actinomyces and mold, but distinct from bacterial vegetative cells. In a summary, it is suggested that “芽孢” is a translation more scientifically sound than “芽胞” for endospore.

spore; endospore; microbiology; education; research

國(guó)家精品課程建設(shè)項(xiàng)目(20150602)；浙江大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革(S2014002)資助項(xiàng)目

吳根福 男，博士，副教授。主要從事微生物學(xué)及發(fā)酵工程的教學(xué)和研究工作。E-mail:wugenfu@zju.edu.cn

2015-03-22；

2015-05-08

Q934.3

A

1005-7021(2016)01-0076-04

10.3969/j.issn.1005-7021.2016.01.013