解讀真菌的形態發育

Deciphering Fungal Morphogenesis

 

趙紹惠 大衛摩亞

Siu-Wai Chiu & David Moore

 

Department of Biology, The Chinese University of Hong Kong, Shatin, N. T., Hong Kong SAR, China

中國香港新界沙田 香港中文大學生物系

&

School of Biological Sciences, University of Manchester, Manchester M13 9PT, U. K.

英國曼徹斯特市 曼徹斯特大學生物科學學院

 

 

 

第四課:有利真菌形態發育的生理因子

 

真菌在生長期間會儲存大量從底物吸收營養,不同真菌則儲存不同的大分子 (多碳糖、蛋白質、脂肪和聚磷酸),也可能用不同形式:多碳糖可以是細胞壁上的聚糖或者細胞質上的肝糖粒 (glycogen grains)。菌核 (sclerotium) 雖然合成和儲存肝糖,但這不是終極儲存物,大部份碳水化合物要長期儲存就放在次生細胞壁內,菌核髓部的一些細胞全是細胞壁,細胞質位置小。當肝糖在細胞消失時,菌核細胞內壁便出現大量鬆散纖維條。固此,形式並不重要,重點是:所吸收的營養足以維持生計,多餘的便囤積起來,與中國人的「積穀防饑」概念一樣。

 

營養生長與繁殖沒有衝突,後者代表細胞分化,而前者的持續生長提供成長中的子實體機械支持和營養。營養菌絲以分枝 (branching) 和頂端生長 (apical growth) (Chapter 2  mode of filamentous growth) 擴大群落個體體積,氣生菌絲對誘導 (可能是內源的生理周期或外源信息如光和溫度的波動) 的反應是:停止生長,表面廷伸的疾止促進氣生菌絲分化。若誘導是指光照,氣生菌絲疾止但深層菌絲繼續生長,超越表面菌絲生長線,另外,從深層菌絲向上分枝的生長形成新的表面廷伸,這樣下就產生節律性生長 (rhythmic growth) ,如:同心環狀的菌絲體 (粗糙f孢菌出現明顯的日節奏生長circadian growth in Neurospora crassa) 或色素生產形式 (pigmentation in Ganoderma lucidum靈芝)

 

 

底物中的碳水化合物

 

Hawker (1939) 發現單糖適合無性生殖而雙糖和多糖較適合有性生殖 (nutrient,萄葡糖就算是低濃度也會抑制結實 (Weste, 1970; Moore-Landecker, 1975, 1987) 而鳳尾菇(Pleurotus pulmonarius) 在麥芽糖培養基下的結實時間遠比在萄葡糖培養基的短 (Chiu & To, 1993)Hawker (1939) 証明土霉在5%萄葡糖下不進行有性繁殖,但若萄葡糖是分多次遞加至5%時,性器官便能出現。Hawker (1939) 的研究手段讓我們看到:底物的供應速度和方便程度成了繁殖的決定因素,Hawker & Chaudhuri (1946) 更証明若碳水化合物以中庸速度水解,適中而穩定的六碳糖供應刺激形成最大量的子實體原基。後來的研究更發現:適合的外營養只是引發內在代謝的調控,這便是營養生長與繁殖的關係。

 

 

底物中的氮源

 

真菌降解植物腐植質所吸收的主要氮源為蛋白質,其中包括:植物蛋白、木質素蛋白和微生物的蛋白真菌的體外蛋白J主要受制於誘導作用 (induction)。體外蛋白J水解多閰釭囿滿A它將蛋白質和(縮氨酸)的餑鉹蘢恁A切成細小的片斷直至氨基酸片斷為止。蛋白質可作為碳、氮和硫源,縱然環境可能有足夠氨、葡萄糖和硫酸的供應,只要蛋白質是可用的,真菌就生產蛋白J,因此,蛋白質才是首選的底物。當蛋白質作為唯一碳源時,培養瓶的胺基鹽濃度就會劇增,氨鹽基是由微生物使用蛋白質當碳源而排泄的產品。Moore-Landecker (1993) 綜述發現:碳比氮 (C/N) 的高比例會刺激性繁殖, 而這適合的C/N可由301 51 之比。高濃度氨基酸反不利子實體的成熟,這是由於高濃度下產生大量的氮排泄物-氨離子。

 

在紜紜氮源中,氨離子 (ammonium) 通常抑制子實體成長,不過,糞上生長的真菌 (dung fungi) 受高濃度的氨離子/氨氣 (ammonium/ ammonia) 誘導下結實。無論如何,氨離子的毒害包括:影響培養基的pH值,和抑制代謝的作用。Ross & Bremner (1971) 發現同時添加碳酸鈣去控制pH蘋果黑星菌 (Venturia inaequalis) 就算在氨離子的培養基上會生產子實體。另外有些真菌 [蛹虫草 (Cordyceps militaris)] 受蛋白質刺激而結實,機理是:緩慢的體外蛋白質分解提供了一穩健而濃度低的氨基酸 (Basith & Madelin, 1968)

 

Chiu & Moore (1988b) 証明胺離子 (ammonium ion) 和谷氨酸 (glutamine) 阻止灰蓋鬼傘 (Coprinus cinereus) 擔子的分化, 擔子停止產孢子而營養菌絲在擔子生長點長出來。在測試pH和氨 (硫酸和氯離子)濃度影響時, 發現: pH 值為6-8時, 體外栽培的菌褶繼續發育, pH值和氨離子濃度達50mM便抑制菌褶發育, 硫酸鉀和氯化鉀卻沒有這效果, 同樣地, 利用微針將20 μl 1M濃度氨離子注射到年幼的鬼傘菌蓋內, 會局部阻止發育,形成黑蓋上的白區 (鬼傘生產黑擔孢子, 因而成熟期的菌褶是黑色的)

 

細胞聚合物的周轉

 

從兩株擔子菌考查營養與多細胞結構形態發育的關係,發現:灰蓋鬼傘 (Coprinus cinereus) 產生擔子果時,培養基內出現變化;第一個擔子果在約 100小時後出現,減數分裂則於200小時發生,和在約 250小時後釋放大量擔孢子。當擔子果出現時,培養基內的糖和α-氨基的氮都被耗盡,但總氮量卻因為有大量的氨鹽基(使用含氨基的酸做炭源時產生)被釋放到培養基而保持不變。相比在天然環境下,真菌吸收營養時推動氫離子泵 (hydrogen pump) 而產生鹼pH值,因而將氨鹽基改成氨氣,再藉著風和雨驅散這氨氣 (Stewart & Moore, 1974)。而裂褶菌 (Schizophyllum commune) 結實時,培養基內氮和碳水化合物發生變化。擔子果在100小時後出現和逐漸成熟,此時,培養基內葡萄糖同樣地接近耗盡,但在其後的100小時內,營養菌絲體內的碳水化合物卻出現積聚,其含量相對擔子果的碳水化合物量為高,另一方面,氮從營養菌絲運送到擔子果組織去作重新分配 (Wessels, 1965)。結論:營養菌絲體囤積物隨著子實體的成熟而消失,到子實體發育後期,其營養提供靠菌絲體內源而非外源的底物,所以,培養基內的葡萄糖耗盡時,擔子果仍能完成發育。

 

 

碳水化合物的轉換與形態發育的關係

 

受到光或溫度驟降刺激下,灰蓋鬼傘 (Coprinus cinereus)產生擔子果 (basidiome),若光或溫度條件不適合, 菌絲只會形成菌核 (sclerotium)。菌核既然是抵抗性和可越多年的結構,外部皮層是緊密排列、厚壁和暗色細胞所形成保護和不透氣的表層(Sussman, 1968; Coley-Smith & Cooke, 1971; Willetts, 1971)。 主要的菌核組織是內部的菌髓, 其細胞儲存肝糖、聚磷酸、蛋白質和脂肪等物質如細胞質粒或加厚的細胞壁纖維 (Waters et al., 1972) , 當菌核發芽形成菌絲、孢子或子實體時,儲存物便會被降解。

Mattews & Niederpruem (1973) 見到子實體原基先由底部積聚肝糖,菌蓋慢慢地也出現積聚 (Moore et al., 1979) 隨生長的改變, 菌柄的積聚消失,菌褶的積聚愈來愈多,而且主要集中子實層下層 (Bonner et al., 1957; McLaughlin, 1974; Moore et al., 1979; Gooday, 1985) 這時剛是細胞核融合 (karyogamy) 的時間 (Moore et al., 1979) ,肝糖在孢子成熟時全被利用。此外,減數分裂或以後的外殖體菌褶出現減小直接結實的情況, 這時期的菌褶出現肝糖溶解和被使用的情況 (Moore et al., 1987) ,在菌蓋提取液中找不到α-淀粉J,肝糖降解是由肝糖磷酸J負責的 (glycogen & breakdown) Brunt & Moore (1989) 就研究肝糖量 (最高可達總炭水化合物乾重的0.024%) 和重新結實的關係, 他們將菌柄底及頂部和菌蓋組織放營養培養基 (內含麥牙膏、酵母提取物和葡萄糖) 上, 實驗中找到正相關關係 (positive correlation) 其相關函數 (correlation coefficient) 平方值是0.88。可是,若將白兔肝糖添加到培養基上, 直接結實率卻不會提高(Ji & Moore, 1993)。另方面, 鳳尾菇 (Pleurotus pulmonarius) 則找不到肝糖和直接結實的關係 (Chiu & To, 1993)。營養的運輸是不斷由菌柄到菌蓋的, 而肝糖在菌蓋積聚, 就是提供以後發育的所需, 有組織的內細胞運輸打從營養菌絲開始到子實體菌柄直達菌蓋, 由菌蓋尖到菌蓋髓輻射狀地傳到菌褶, 要留意的是: 營養物也有由菌蓋到菌柄的回流, 而初生菌褶也直接由菌柄接收營養物, 鬼傘子實體和菌絲期都採用肝糖合成-降解的循環, 原因是: 以能量效益來說: 每分解一葡萄糖所釋放的6%能量 (37 ATP分子中的兩個)就可作葡萄糖→肝糖→葡萄糖→肝糖的循環, 以單糖或雙糖運輸比運輸多糖類的能量消耗為低, 因此, 肝糖合成-降解的循環是一合理有效的分配碳水化合物的方法。

 

 

氮的中間代謝

 

粗糙f孢菌 (Neurospora crassa) 和釀酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae)NAD-谷胺酸脫氫J (NAD- glutamate dehydrogenase, NAD-GDH) 負責降解的角色 (谷氨酸 → 2-氧化谷氨酸鹽 + 氨鹽基; glutamate → 2-oxoglutarate + ammonium ) ,而 NADP - 連結J是合成代謝用的 (2 -氧化谷氨酸鹽 + 氨鹽基 谷氨酸) (Sanwal & Lata, 1961; Holzer et al., 1965) Sanwal & Lata (1962) 更進一步提議這二個J是相互調控的。這些觀念並不是金科玉律,Stine (1968) Neurospora的薄壁孢子萌發期並沒有發現任何相互調控這二個J的規則。而 Dennen & Niederpruem (1967) 將裂褶菌的單核菌絲從谷氨酸培養基遷移到氨鹽基培養基,NADP-GDH 被活化,但 NAD - GDH 則沒有反應。當 Casselton  (1976)發現氨鹽基同化系統中有谷氨酸合成J/夫酸安合成J時,情況就更加複雜。不過,鬼傘並沒有谷氨酸合成J,鬼傘擁有二個 GDH J,此外,菌絲的 NAD-GDH 無論生長情況是否需求去氨或制氨都表現高活性,NAD-GDH NADP-GDH都沒表現相互調控,所以,我們相信: 鬼傘的NAD-GDH可因應環境需要,而作脫胺和,但 NADP-GDH 是與子實體發育中的擔子分化有關係的。

 

Moore & Ewaze (1976) 論述: 在鬼傘子實體中,NAD-GDH 的存在或許與三羧酸循環所需的2-氧化谷氨酸鹽去氨作用有關 (Chapter 3) ,但NADP-GDH的功能又怎樣? 二個J都有不同的活動性質 (Al-Gharawi & Moore, 1977) NADP - GDH 展現對2 -氧化谷氨酸鹽 NADPH底物的正面作用,對 NADP+ 的負面反應,和對氨鹽基極敏感的抑制去氨作用。NADP - GDH2 – 氧化谷氨酸鹽的反應,就是好讓底物增加致 4 mM 這一 限制濃度,然後NADP – GDH才達致最高活性 (Al-Gharawi & Moore, 1977)。另一方面,NAD-GDH NADH 表示正面的合作性,而與其他底物只表現米凱利斯 門頓公式的動力特性和中度產物抑制性。

 

以下四個J在灰蓋鬼傘 (Coprinus cinereus)菌蓋的三個發育期有高活性表現,而在菌幹只有低活性( Coprinus enzymes 1)NADP-谷胺酸脫氫J (NADP-GDH)、谷胺酸鹽合成J (glutamine synthetase, GS)、鳥胺酸乙q轉移J (ornithine acetyl transferase, OAT) 和鳥胺酸氨基甲q轉移J (ornithine carbamyl transferase, OCT) ,而尿素J (urease) 在菌幹有較高的活性,和在營養生長時保持一定組成型 (constitutive)水平

 

除了J比活性J反應的有關代謝物亦出現積聚情況 (Coprinus metabolites ) (Moore et al., 1979) 。精胺酸 (arginine) 和尿素 (urea) 在菌蓋出現積聚。在鮮重比上,尿素沒追隨菌蓋發育而改變,但在乾重比上,尿素表現2.5倍的增加,同樣地,將活的灰蓋鬼傘 (Coprinus cinereus) 擔子果組織薄切片放在輻射標記的(U-14C) – 瓜氨酸 (citrulline) 結果証明尿素合成只在菌蓋而非菌柄出現因為後者有高的尿素J活動。因此,推斷尿素在細胞的積聚,吸引水的滲透。這種細胞膨大與菌蓋隨發育的形態改變有重要關係 (Chapter 5) (Moore et al., 1979)。雙孢蘑菇 (Agaricus bisporus) 和馬勃菌(Lycoperdon) 的子實體都表現尿素的積聚,此時尿素是透過鳥氨酸周期 (ornithine cycle)產生的。另外,將灰蓋鬼傘菌蓋放進(U-14C) –谷氨酸 (glutamate)一小時後,22% 的輻射就分佈在4 – 氨基丁酸 (4-aminobutyrate)54% 在蘋果酸 (malate) 、琥珀酸 (succinate) 和檸檬酸鹽 (citrate),和 6% 在精氨酸 (arginine),在菌柄部其相對的濃度是: 38% 35% 2%。這都表明菌蓋和菌柄都有效地運用谷氨酸脫羧環 (glutamate decarboxylation loop) (TCA) ,但是,菌蓋積聚精氨酸 (arginine) ,代表高活的尿素循環 (urea cycle) (Ewaze et al., 1978)

 

其實,灰蓋鬼傘菌蓋的情況,可在營養期製造出來。培養基轉移技術 (Stewart & Moore, 1974; Al-Gharawi & Moore, 1977) 的步驟是:先將菌絲培養4 至 5天,然後收穫,清洗菌絲,再放進鹽培養基中,內只有100 mM丙酮酸 (pyruvate) 而沒其他氮源。 結果菌株表現大量 NADP-GDH、GS、OAT和OCT的活性而減少 NAD-GDH 和 尿J的活性 (Mycelium transfer)。其中 NADP-GDHGS的活動表現正線性關係 (相互關係係數是0.94) ,這顯示兩者的相互調控。同些,在培養基轉移的首 5小時,NAD-GDH 也增加40%的活性,只有在較後時期,NAD-GDH 的活性證明小於NADP-GDH的。因此,鬼傘的 NAD- NADP -GDH 不是互惠調控的。而且,放射性同位素標記技術的結果,和部分反應會被 [戊二q]叢胺環己酮 (cycloheximide) 抑制的事實,証明:NADP-GDH 蛋白質是即時合成的 (Jabor & Moore, 1984),和這去阻遏現象沒有停滯期。

 

灰蓋鬼傘(Coprinus cinereus)子實體均可檢驗到三羧酸循環之異檸檬酸脫氫J (NAD-isocitrate dehydrogenase)、琥珀酸脫氫J和蘋果酸脫氫J的活性(TCA) 。此外,當子實體原基發育時,菌蓋比菌柄含較少的氨鹽基 (ammonium),而且氨鹽基水平不斷衰減 (Ewaze et al., 1978; biochemistry) 這種大量肝糖 (glycogen) 的新陳代謝和微量的氨鹽基情況引導了乙q輔JA (acetyl CoA) 的積聚,和提高 TCA循環的活性。

 

 

灰蓋鬼傘NADP-GDH對氨鹽基 (ammonium) Km 2mM,遠低於NAD-GDH對氨鹽基的Km (18.8 mM) 。因此,NADP-GDHGS在灰蓋鬼傘一起組成氨鹽基清掃系統 (ammonium scavenging system)。此外,在菌褶外殖體的生物測試中 (Chiu & Moore, 1988a) ,既然只有氨離子和L-谷氨酸 (L-glutamine) 才有這種對擔子的分化抑制和返回營養生長模式的作用, 正常的子實體發育必須保護擔子,免受這類新陳代謝物的影響, 鬼傘擔子有很高同化氨離子的J NADP-GDH活性 (Elhiti et al., 1987) Moore et al. (1997) 發現 NADP-GDH的活性在核配時出現,在減數分裂時提升,保持水平直至擔孢子出現和成熟。

 

環腺隞 (cAMP)

 

正因為環腺隞藻b盤基網柄菌 (Dictyostelium discoideum) 引起群體聚集和發育致果子體 (sorocarps) (Newell, 1978) 大眾便集中焦點研究環腺隞藻b其他生物的作用。Kuhad et al. (1987) 測量灰蓋鬼傘擔子果各組織的環腺隞藺M肝糖含量 (Coprinus cAMP) ,發現:擔子果原基有最高的環腺隞藹t量 ( 90 pmol mg-1 dry wt) 如以擔子果作單位, 最高的環腺隞藹t量就在擔子果第三的發育階段 (擔子已完成減數分裂,並且長出擔孢子),然後迅速衰微。擔子果各組織的乾重隨發育階段而有不同的變化, 但是其環腺隞藹t量從不超越子實體原基的50%水平 (Coprinus cAMP)。雙核菌絲在 937oC培養下, 環腺隞藹t量由0.5 提升至 2.9 pmol mg-1,但擔子果原基對比營養菌絲有30倍的遞增 (Coprinus cAMP) 。當擔子果成熟時, 環腺隞藺M肝糖含量都同時增加。這種環腺隞藺M肝糖的平衡關係也在擔子果組織中出現。 然而, 環腺隞蘆滌I退比肝糖的更早出現, 最後擔子果含量與營養菌絲的相同。

 

 

其實,環腺隞蘆瑪n聚通常象徵一淨缺乏葡萄糖現象,而動物界中環腺隞躅楖`肝糖的新陳代謝是:透過提高環腺隞蘆漱竷 (協調抑制合成與活化分解兩過程),去解決葡萄糖的缺乏而回復能荷。在灰蓋鬼傘中, 以下証據: 培養基中葡萄糖的水平與營養菌絲環腺隞蘆漱竷郁e現負性關係 (Uno & Ishikawa, 1974) 環腺隞贏翵x糖合成J (Uno & Ishikawa, 1978) 磷酸二酯J (Uno & Ishikawa, 1973b) 和磷酸化J (Uno & Ishikawa, 1976) 的影響, 還有腺隞釋穭J的位置 (Uno & Ishikawa, 1975) 都顯示灰蓋鬼傘和高等真核生物類似: 鬼傘在結實時, 營養菌絲透過環腺隞蘆漲X成去抑制肝糖合成J和活化肝糖磷酸化J而調控肝糖含量 (Uno & Ishikawa, 1982)。然而,在擔子果的發育期間,肝糖和環腺隞艦i同時處高水平, 而在最低環腺隞臚竷陋氶A 有大量的肝糖消耗 (Coprinus cAMP) (Kuhad et al., 1987)。究竟這如何解釋?

 

營養菌絲若缺乏葡萄糖, 最佳解決方法是增加從培養基吸收葡萄糖, 而非靠降解體內多糖。因此, 環腺隞蘑踸E肝糖的積聚可能是附加對葡萄糖傳送系統的變構調控;藉補給葡萄糖 6-磷酸去去除環腺隞贏翵x糖合成J的抑制 (Moore & Devadatham, 1979; TajAldeen & Moore, 1982)。環腺隞藻b灰蓋鬼傘擔子果積聚的位置,就是遷移肝糖作運輸而不是立即使用的地方;當多糖是過渡存在、肝糖和環腺隞藻P時處高水平時, 因為細胞分解肝糖也同時輸出產品,因此,細胞實缺乏葡萄糖。最後﹐在成熟的菌蓋裡肝糖被完全利用,增加的能荷大大減低環腺隞蘆漱竷迭C結論是:環腺隞 (cAMP) 負責碳水化合物運輸過程中,肝糖降解的特定角色。

 

Water activity (水活力)

Water activity (水活力; Aw) 專指水分在細胞內外活動,可用以下公式計算:

RH = 100 x Aw

其中 Aw = P/Po

RH: relative humidity相對濕度;P =溶液的蒸發壓 (vapour pressure) Po =純水的蒸發壓。

另外,水活力 (Aw) 與水壓 (π; 單位為 bar) 的關係是: π  = 1.37 x 103 ln Aw

一般限制真菌生長發育的Aw值約為 1.0,因為已經沒有營養物質可被利用。Xerophilic fungi (喜旱真菌) 生活於 0.9 < Aw <0.98時, Xerotolerant fungi (耐旱真菌) 生活於Aw值約為 1.0時,Extreme Xerotolerant fungi (厭旱真菌) 生活於Aw >0.97時。真菌調控自身的原生質溶質 (solute) 濃度,即改變滲透壓 (osmotic pressure),以適應外界Aw。其中常用的溶質是多元醇,包括甘露醇 (mannitol) 和海藻糖 (trehalose) (兩者為可溶性碳水化合物) ,還有甘油 (glycerol)

 

甘露醇 (mannitol) 積聚

甘露醇是一可親和溶質, 意思是: 細胞可大量儲存這類低分子、中性物質, 而不會引起J抑制或其他的騷擾 (Brown & Simpson, 1972; Brown, 1978) 而甘露醇的其中一個角色是調節滲透壓, 去維持一高內滲透壓去建立脹力, 和當環境有高濃度的溶質和滲透壓時, 仍維持水滲入細胞的壓力 (Lewis & Smith, 1967; Ellis et al., 1991)

利用氣相液體層析法(GLC)首次發現香菇 (Lentinula edodes) 甘露醇的存在和數量:營養菌絲只有1%  (乾重量) 菌柄和菌蓋則含20 – 30% 相比下, 雙孢蘑菇 (Agaricus bisporus) 菌蓋擁有最大量的甘露醇 (50%),而灰蓋鬼傘 (Coprinus cinereus) 則找不到甘露醇 NADP - 連結甘露醇脫氫J(NADP-mannitol dehydrogenase, 此J負責甘露醇的合成) (Rao &  Niederpruem, 1969; Tan & Moore, 1994) 甘露醇在雙孢蘑菇和香菇相信是負責調節滲透壓的,類似的功能在灰蓋鬼傘是由尿素負責的。雙孢蘑菇使用NADPH-連結甘露醇脫氫J以果糖 (fructose) 為底物合成甘露醇 (Edmundowicz & Wriston, 1963) ,而 PPP產生NADPH 這還原力。。若從香菇積聚甘露醇來看,香菇的葡萄糖異化途徑與雙孢蘑菇相似,都是以PPP 為主 (HMP)

 

 

代謝的改變去配合形態發育

 

常用食用真菌中,鳳尾菇 (Pleurorus pulmonarius) 容易在簡單的培養基結實,就算是水培養也可以,而且出菇週期短,是適合作實驗研究的 (Chiu & To, 1993 ; Chiu et al., 1998) 。而鳳尾菇 (Pleurotus pulmonarius) 的代謝,與灰蓋鬼傘 (Coprinus cinereus) 和雙孢蘑菇 (Agaricus bisporus) 等不一樣 (metabolism) (Chiu & Moore, 1999),表現真菌生化上的多樣性 (metabolic diversity)

鳳尾菇出菇蕾時,轉氨JGOT  (Aspartate aminotransferase, glutamic-oxaloacetic transaminase, glutamic-aspartic transaminase, AST, GOT) 和磷酸己糖異構JPHI (Phosphohexose isomerase, PHI, GPI) 的J比活性下降但醛縮J (aldolase) 活性提升這都反映體內缺氮雖然碳流量豐富 (在高 C:N比例情況)。此外,麥芽糖培養基縮減結實所需時間,至於生化方面,則與葡萄糖培養基的菌株在出菇蕾時一樣:蛋白質生產量下降和下調  GOT活性等,即氮代謝而非碳代謝才是誘導子實體的出現 (Chiu & Moore, 1999) 。而擔子果的菌蓋和菌柄保持低水平的PHI的J比活性,反映EMP途徑 (恩伯頓-邁耶霍夫-帕納斯途徑) 不是主要的糖酵解程序,相反,擔子果的G6PDH (Glucose-6-phosphate dehydrogenase) GOT活性都處高水平,証明:鳳尾菇營養生長期時,PPP (戊糖磷酸途徑) EMP 途徑同樣重要,但在擔子果組織中,PPP才是主導 (Chiu & Moore, 1999)

 

 

環境變數

 

底物的性質、物形 (topography)

 

Trinci et al. (1979) 研究凍土毛霉 (Mucor hiemalis) 菌絲的螺旋狀生長, 發現:培養基的瓊脂濃度影響分枝頻率和管狀細胞生長的方向,24小時後菌絲在3%瓊脂底物上出現螺旋生長 Madelin et al. (1978) 提議螺旋形之生長是由於生長點與底物作用引起機械性旋轉而成的,這並不牽涉生理作用。而內環境的調控則可引起不同的菌絲細胞形態。而許多病害真菌在接觸到葉面的物形,才會分化附茩M(appressoria)

穀物的袢 (cereal rusts) 引致每年 10%的農作產物損失。雙孢袢 (Puccinia graminis) 是一專性(obligate)的活食 (biotrophic) 病害菌,寄主是小麥。體外靜止培養下,雙孢袢 (Puccinia graminis) 受葉的易揮發的 (volatile) 己烯醇類代謝物 (hexenol):少於 10 mM cis-3-hexen-1-ol和少於1 mMtrans-2-hexen-1-ol誘發附茩M的分化,而其他真菌如: Magnaporthe grisea (the rice blast fungus) 的附茩M分化訊息分子是:乙烯(ethylene) 、角質單體 (cutin monomers: 1,16-hexadecanediol, cis-9-octadecen-1-ol & hexadecan-1-ol)。雙孢袢的附茩M在葉氣孔 (stoma)上則呈雙極 (bipolar) 形態,若在平面上,芽管是單一極性的 (unipolar) (Collins et al., 2001)

 

 

邊緣效應和傷害

有性生殖通常發生於菌絲長到培養基邊緣或遇到障礙物時, 這就稱為邊緣效應 (edge effect)。而最普遍的錯誤見解是:因為培養容器壁是擴散的障礙,因此 一「不知名的停止生長物質」會積聚導致產生子實體 (Buston & Rickard, 1956) 或情況會令產生子實體抑制物質失活 (Chet et al., 1966; Chet & Henis, 1968)Robinson (1926) 檢視火絲菌 (Pyronema confluens) 的邊緣效應,和與光和氮源關係。他的結論是:當生長受到物理性或化學性阻礙而停頓時,生殖器官就會出現。Lysek (1976) 藉不同的方法引致柄孢殼 (Podospora anserina)菌絲停止延長,然後記錄子囊果的數目和分佈。當兩個群落生長在營養缺乏的培養基或於100 mM 果糖培養基添加山梨糖時,在相遇線的兩旁找到更多的子囊果。Lysek (1976) 清楚指出:無論是損傷、物理障礙、減少養料供應或添加物質,只要是引致停營養生長,那個位置就進行有性繁殖。Hock et al. (1978) 更覺察到大孢糞殼菌絲的局部大量分枝和形成子實體的關係;疾營養菌絲的前端生長,導致後面的成長菌絲進行分枝,這提高菌絲密度去形成子實體。還有,這些實驗都指出:生長受到騷擾才引致子實體的出現 (MacDonald & Bond, 1976) 外間養料改變引致內在新陳代謝的改路去產生子實體。

 

許多真菌在受到機械性損傷時,誘發子實體或其他多細胞構造。擔子真菌裂褶菌(Schizophyllum commune) 的單核子實體 (monokaryotic fruit body) 提供一方便的實驗系統 (Leonard & Dick, 1973; Stahl & Esser, 1976; Leslie & Leonard, 1979a, b)。並發現四個或以上的控制遺傳因子。最後,他們總結四個組合的遺傳因子去操控單核菌絲生產子實體, 二組是向損傷作反應的, 一組向誘發子實體物質作反應的,第四組有兩個基因是負責自發生產單核子實體的。田頭菇 (Agrocybe aegerita) 控制結實的基因模型都同樣指出:許多不同而平行的途徑都可誘導子實體的產生 (Leslie & Leonard, 1979b; Esser & Meinhardt (1977)

 

光在不同的生物有不同的效果, 包括:增加或減少子實體的數目、誘發或抑制子實體的產生及影響子實體的發育生長 (Carlile,1970; Tan, 1978; Elliott,  1994)。有些真菌在光照下,環腺隞藺M一些脫氫J都有變化,鬼傘子實體原基就是受光刺激下成長和引起幾丁質J和NADP-谷氨酸脫氫J的生產 (Ishikawa & Serizawa, 1978)

 

另一複雜因素是黑暗的時段會影響光反應。麻孢殼(Gelasinospora reticulospora) 的菌絲需要至少不間斷的30小時黑暗培養才會變得對光有反應,只要將黑暗期插入近紫外線或藍色光的簡短照射中,子囊果就不會產生 (Inoue & Furuya, 1974)。鬼傘就更複雜; 子實體原基的成熟要暴露在四或五段光-暗序列才可完成 (Manachére, 1970; Kamada et al., 1978) ,而且, 黑暗的暴露周期與溫度有互補的關係 (Lu, 1972,1974; Morimoto & Oda, 1974; Durand, 1983)。鬼傘子實體原基如果在黑暗成長, 菌柄基部就會延伸形成青白子實體,稱黑暗的柄 (dark stipes) (Tsusue,1969) 或巨大的柄 (oversized stipes) (Lu, 1974) 和長的苗條柄 (long slender stalks) (Morimoto & Oda, 1973)Buller (1931) 用的術語是假根 (pseudorhiza),而且示範它就是實心的菌柄基在黑暗中伸延;在正常的發育中,光抑制菌柄基的伸長而且容許生長能量集中作菌蓋擴張和菌柄上部的延伸。

 

光對一些子囊果的不同組織可產生不同效應。光刺激磚火絲菌 (Pyronema domesticum) 的產子囊菌絲細胞、子囊細胞和子囊孢子成熟。雙對性細胞,無性組織和隔絲只需耍微量光照射,但過度光照抑制這些無性組織和囊孢子的成熟 (Moore-Landecker, 1979a, b)

既然大部份真菌都對光譜中的近紫外線和藍色波長有反應, 相信光訊號受體(被稱為真菌色素系統)就在細胞膜上 (Gressel & Rau, 1983; Durand, 1985; Kihara & Kumagai,1994)Trione & Leach (1969) 提取一以 310 nm為最高吸光波長的物質,其後與此類似的物質在其他真菌都有發現,真菌產孢吸光色素(mycosporines) 同樣地在藍綠細菌和棘皮動物都有發現,功能是吸收紫外光的光保護劑。

 

黃素 (flavins) 的吸光譜與藍光受體相似 (Carlile, 1970; Tan, 1978; Song, 1980) 因此, Tschabold (1967) Schmidt (1980) 測試黃素抑制劑和氧化劑對光反應的影響(Moore-Landecker, 1983),結果發現:粗糙f孢菌(Neurospora crassa)突變種的光反應與黃素傳達的光還原作用有關係;一次的光訊號接收後,光反應的第一步伐是:硝酸鹽還原J (nitrate reductase) 氧化還原細胞色素b (cytochrome b) (Muňoz & Butler, 1975; Klemm & Ninnemann, 1978,1979Gressel & Rau,1983 German & Ninnemann, 1985),然後推動連串的氧化還原周期去擴大光的剌激和新陳代謝。氧化還原下游的反應有可能牽涉醌 (quinones) 和酚 (phenols) 這樣,可解釋為甚麼許多真菌的有性生殖中都出現酚氧化J (phenoloxidases) (Ross, 1982a, b)。當然,酚氧化J產物是有色素的,所以,這J活性可能代表有色表層、有色孢子的產生。另外,酚氧化J進行氧化作用 (oxidation) ,積極消耗活氧 (active oxygen species),在傷癒組織上,酚氧化J就可能負責保護作用,防止氧壓 (oxidative stress) 引起的破壞。

 

溫度

可製造子實體的溫度範圍通常比支援菌絲生長的較狹 (Moore-Landecker, 1993) 。許多真菌的最宜子實體生產溫度已被測定,不過,不同的菌株可有不同的最高和最佳溫度,而且,在許多情況下不同發育階段的子實體對溫度的反應有變化。我們常用作實驗或商業生產的幾個擔子真菌,它們的培殖條件要包括溫度下調 (/或比較低的CO2濃度) (Chang & Hayes, 1978) 。雖然在這些例子中, 真正的機制還未知,但有可能牽涉溫度敏感的蛋白質,也可能是生長受到干擾的結果 (stress response)。這並不是單說溫度影響化學的反應, 因為不適合的溫度會引起畸形發育,受影響的發育過程包括:誘發子實體、子實體成長和特定功能。

 

通風

誘導構巢曲霉製造分生孢子需要一空氣與水的介面 (Navarro-Bordonaba & Adams, 1994) 。部份經誘導而長出的氣生菌絲會分化成分生孢子梗。

 

子實體發育需要有氧新陳代謝 (擴大糖酵解作用和三羧酸循環活動) 和強氧的補給。因此良好的通風與成功生產子實體有關係。

四孢f孢菌(Neurospora tetrasperma)則需要低氧 (0.5% )或無二氧化碳去分化產囊絲u,但子囊果的成熟就需要 5% 氧和 1% 二氧化碳 (Viswanath-Reddy & Turian, 1975)。還有,高的二氧化碳促進雙孢蘑菇菌柄延伸,然而菌蓋的擴張就在低的二氧化碳中發生 (Lambert, 1933; Turner, 1977)Turner (1977) 發現:雙孢蘑菇對 CO2 的反應都會延伸菌柄;其菌蓋:菌柄之比例,由在 CO2 時的 2.21 (鮮重) 2.41 (乾重) 變成當 CO2 KOH一起時的 2.61 (鮮重) 31 (乾重) 另外, CO2加速菌蓋的擴張和擔孢子成熟。而且 Le Roux (1968) 記錄雙孢蘑菇在 CO2影響下,下調其菌褶和菌髓的重量比例, 表示菌褶的發育受到抑制。Turner (1977) 引述 Long & Jacobs (1974) 的發現:外源CO2濃度達22 370 ppm 會刺激菌絲的生長和菌絲繩索長進堆肥的複蓋土, 外源CO2濃度達340-1,000 ppm會刺激沒經消毒的複蓋土中菌絲繩索長出菌絲扭結。Turner (1977) 提議CO2 的影響形態功能是有生態意義的;她認為:沒經消毒的複蓋土因應微生物活動而釋放CO2 ,高CO2濃度刺激菌柄延伸和將菌褶暴露在大氣中。

裂褶菌的雙核營養菌絲群落在減少前端生長和增加亞前部位菌絲的生長下形成菌絲扭結, CO2濃度刺激長細胞的產生;而通風和適當的溫度誘發菌絲迅速的分化, 形成短細胞和大量靠近和聚集的分枝 (Raudaskoski & Viitanen,1982; Raudaskoski & Salonen,1984)。因此, Raudaskoski & Salonen (1984) 提出:裂褶菌是降解木材的,而呼吸作用生產的 CO2 在木材裡積聚,當裂褶菌菌絲生長到達木材的表面,大氣的CO2水平比較低, 如此, 菌絲將迅速分化, 形成短細胞和分枝, 結集成菌絲扭結, 有待適合的溫度和照明去誘導子實體的發育。

總結, CO2影響子實體的發育。

 

 

總括各種真菌的研究,可發現:不同環境因數誘發不同的訊息轉導系統 (signal transduction systems) ,但下游有共同路徑,去進行某一特定的形態發育。當然,一訊息/刺激要達到某一定量 (稱臨界值、threshold level) 才誘發、激活下游路徑的進行,或是,同時有數個訊息/刺激的存在,但各自未達臨界值,這總效益是誘發形態發育的發生 (Chapter 2)

 

鳴謝:

承蒙遠東及香港區共濟會之菲裘新研究東亞學科基金的贊助,使這部介紹真菌生理、生化、遺傳、細胞學、發育和形態及生態的資料可以中文出版,著者深致謝意! 特別鳴謝W. Bro. Peter J. Nunn 先生的支持。

 

Acknowledgement

The authors are deeply grateful to The Freemasons’ Fund for East Asian Studies by the District Grand Lodge of Hong Kong and the Far East, without which this publication would not have been possible. We are especially grateful to Mr. W. Bro. Peter J. Nunn, District Grand Secretary of the Fund for the kind support. 

 

參考文獻 Reference

 

http://www.oldkingdom.org/

 

Collins, T. J., B. M. Moerschbacher & N. D. Read (2001) Synergistic induction of wheat stem rust appressoria by chemical and topographical signals. Physiological and Molecular Plant Pathology 58, 259-266.

 

Moore, D. (1998) Fungal Morphogenesis. Cambridge University Press.

 

 

 

 

 

 

If you use diagrams or material from this website, we ask you to cite the home page and authors or the appropriate source publication in your work.