任务二 放线菌及其他原核微生物形态、结构及功能
任务要求
1.掌握放线菌、古细菌、蓝细菌等原核微生物形态、结构特点
2.掌握放线菌、蓝细菌细胞结构及特化形式
3.了解古细菌与细菌结构的异同
原核微生物除细菌外还包括放线菌、蓝细菌、古细菌、支原体、衣原体、立克次氏体等，虽然它们同属于原核微生物范畴，但它们的结构、形态各不相同，并存在较大差异。例如，放线菌呈菌丝状，蓝细菌形态多样，古细菌虽与细菌相似但构成截然不同，支原体、衣原体、立克次氏体又各自具有独特的生存和疾病传播方式。
一、放线菌
放线菌是一类呈菌丝状生长、以无性孢子繁殖的陆生性强的革兰氏阳性单细胞原核微生物，是介于细菌与霉菌之间的一类生物，因在固体培养基上菌落呈放射状而得名。大多数放线菌菌丝呈分枝状，菌丝纤细，直径接近于杆状细菌，0.5～1μm。放线菌大部分属于腐生菌，喜欢生长在有机质丰富的弱碱性土壤中。每克土壤中放线菌的含量仅次于细菌，约为107个/g土壤，赋予了土壤特有的泥腥味。多数放线菌为异养、好氧、陆生性微生物，目前所发现放线菌均为G+，且为单细胞无隔结构。
放线菌是生产抗生素的最主要菌种。目前世界上已经发现的2000多种抗生素中，大约56%是由放线菌（主要是链霉菌属）产生的，如链霉素、土霉素、四环素、庆大霉素等都是放线菌的代谢产物，有些植物用的农用抗生素和维生素等也可由放线菌中提炼。另外，放线菌在甾醇转化、石油脱蜡、氮素循环等方面也有着重要的应用。
（一）放线菌的形态特征
放线菌菌体结构多为无隔的单细胞菌丝结构，菌丝发达。根据菌丝的形态和功能可将菌丝分为营养菌丝、气生菌丝、孢子丝三种。菌丝结构示意图见图2-14。
图2-14 放线菌菌丝结构示意图
1.营养菌丝
营养菌丝，又称基内菌丝，通常生长在培养基内部或紧贴培养基表面，类似于植物的根，主要功能是吸收营养和水分。有的营养菌丝可产生不同的色素，形成不同的颜色，可作为菌种鉴定的重要依据。放线菌中多数种类的营养菌丝无隔膜、不断裂，如链霉菌属和小单孢菌属；但有一类放线菌，如诺卡氏菌型放线菌的营养菌丝生长一定时间后形成横隔膜，继而断裂成球状或杆状小体。
2.气生菌丝
气生菌丝是营养菌丝向培养基外部空间伸展的菌丝。显微镜下观察，气生菌丝颜色较深，直径比营养菌丝要粗，分布在菌落表面。不同种类的放线菌，气生菌丝的发达程度也不相同，有些放线菌气生菌丝发达，有些则稀疏，还有的种类无气生菌丝。
3.孢子丝
孢子丝是气生菌丝发育到一定程度，分化出的可发育成孢子的菌丝。放线菌孢子丝的形态多样，有直形、波曲状、钩状、螺旋状、轮生等多种，是放线菌鉴定的重要标志之一。孢子丝发育到一定阶段分化为孢子。孢子形态多样，如圆形、椭圆形、杆状、圆柱状、瓜子状、梭状和半月状等。不同孢子带有不同的色素，使孢子呈现出不同的颜色。孢子表面的纹饰因种而异，在电子显微镜下清晰可见，有的光滑，有的褶皱状、疣状、刺状、毛发状或鳞片状，有的带刺，刺又有粗细、大小、长短和疏密之分。孢子丝形态见图2-15。
图2-15 链霉菌不同类型孢子丝形态
（二）放线菌的繁殖方式
放线菌的无性繁殖方式主要有两种：一种是以无性孢子方式进行无性繁殖，这是自然界中放线菌繁殖的最主要形式，成熟孢子散落在适宜环境中可以重新发芽形成新的营养体，常见的无性孢子主要有凝聚孢子、横隔孢子、孢囊孢子、分生孢子、厚垣孢子等；另一种是菌丝断裂，常见于工业发酵生产，在液体振荡培养过程中，菌丝在外力作用下发生折断，而每一个脱落的菌丝片段，在适宜条件下都能长成全新的菌丝体。
放线菌生长到一定阶段，一部分菌丝形成孢子丝，孢子丝成熟后分化形成许多孢子。孢子形成的方式主要有两种：
一种是横隔分裂形成分生孢子。孢子丝长到一定阶段，其中会产生横隔，然后从横隔膜处断裂形成杆状或柱状分生孢子。
另一种是形成孢子囊孢子。少数放线菌可通过形成孢子囊来产生游动或不游动的孢子囊孢子。
（三）放线菌的菌落特征
放线菌在固体培养基上可形成与细菌不同的菌落。放线菌菌丝相互交错缠绕形成质地致密的小菌落，干燥、不透明、难以挑取，当大量孢子覆盖于菌落表面时，就形成表面为粉末状或颗粒状的典型放线菌菌落。由于营养菌丝、气生菌丝和孢子常有较大颜色差异，使得菌落的正反面呈现出不同的色泽，细胞之间丝状交织，形态特征细而均匀，生长速度缓慢，常带有泥腥味。放线菌总的特征介于霉菌和细菌之间，根据菌种的不同分为两大类：
①由大量产生分枝和气生菌丝的菌种形成的菌落，如链霉菌。菌丝较细，生长缓慢，分枝多而且相互缠绕，形成的菌落质地致密，表面呈紧密的绒状或坚实，干燥，多皱，菌落小而不蔓延，营养菌丝长在培养基内，所以菌落与培养基结合紧密，不易挑取，或挑起后不易破碎。有时气生菌丝体呈同心圆环状，当孢子丝产生大量孢子并布满整个菌落表面后，才形成絮状、粉状或颗粒状的典型放线菌菌落，个别伴有色素生成。
②由不产生大量菌丝的种类形成的菌落，如诺卡氏菌。该类菌落黏着力较差，呈粉质结构，用针挑取易粉碎，菌落表面松弛，与培养基结合不牢固，生长易蔓延，菌落相对较大。
（四）放线菌的重要类群
1.链霉菌属
链霉菌属种类众多，据统计目前发现共有1000多种，其中50%以上都能产生抗生素。链霉菌具有发达的菌丝结构，菌丝体呈分枝状，无横隔，多核，直径0.4～1μm。菌丝体分为营养菌丝、气生菌丝和孢子丝，其中孢子丝和孢子的形态因种而异，是链霉菌属鉴定的主要依据之一。
链霉菌主要生长在含水量较低、通气较好的土壤中，是抗生素主要生产菌。常用的抗生素如链霉素、土霉素，抗肿瘤的博莱霉素、丝裂霉素，抗真菌的制霉菌素，抗结核的卡那霉素等，均来源于链霉菌的次生代谢产物。
2.诺卡菌属
诺卡菌属又名原放线菌属。在培养基上形成典型的菌丝体，只有营养菌丝，不形成气生菌丝，以横隔分裂方式形成孢子。该属的特点是菌丝体产生横隔膜，分枝的菌丝体突然全部断裂成长短基本一致的杆状或球状体或带杈的杆状体。孢子丝多见直形、个别呈钩状或螺旋状，以横隔分裂形成杆状、柱形或椭圆形孢子。诺卡菌属部分种可用于产生抗生素、污水处理和烃类发酵。
3.小单孢菌属
小单孢菌属无气生菌丝，有孢子梗，部分种能产抗生素。菌丝纤细，直径0.3～0.6μm，无横隔，不易断裂，菌丝体侵入培养基内形成营养菌丝，但不形成气生菌丝。在菌丝上会长出孢子梗，并着生孢子。该属约30多种，也是产抗生素较多的一个属，庆大霉素、利福霉素等抗生素由该属放线菌生成。
4.放线菌属
放线菌属多为致病菌，该属只有营养菌丝，无气生菌丝和孢子，属厌氧或兼性厌氧菌，直径小于1μm，有横隔，断裂成“V”形或“Y”形。放线菌属生长对环境营养要求较高，通常要在培养基中加放血清或心、脑浸汁等进行培养。
5.链孢囊菌属
链孢囊菌属主要特点是形成孢子囊和不游动的孢子囊孢子。该属菌的营养菌体分枝丰富，但横隔稀少，直径0.5～1.2μm，气生菌丝成丛、散生或同心环排列。现发现该属包括15种以上，部分能产抗生素。多霉素、绿菌素、西伯利亚霉素等抗生素由该属放线菌生产。
二、其他原核生物
原核微生物除细菌、放线菌外，还包括蓝细菌、古细菌、支原体、衣原体、立克次氏体等，下面分别进行介绍。
（一）蓝细菌
蓝细菌又名蓝藻或蓝绿藻，是一类进化历史悠久、革兰氏染色阴性、无鞭毛、含叶绿素a、能进行产氧性光合作用和固氮作用的自养型原核微生物。蓝细菌是古老的生物，在50亿年前，地球原本是无氧的环境，使地球由无氧环境转化为有氧环境是由于蓝细菌出现并产氧所致。蓝细菌分布极广，普遍生长在淡水、海水和土壤中，并且在极端环境中也能生长，故有“先锋生物”的美称。
1.蓝细菌的形态与结构
蓝细菌的细胞一般比细菌大，直径3～10μm，最大的可达60μm。根据细胞形态差异，蓝细菌可分为单细胞和丝状体两大类。单细胞类群多呈球状、椭圆状和杆状，单生或团聚体，如黏杆蓝细菌属、皮果蓝细菌属等；丝状体类群是由许多细胞排列而成的群体，包括有异形胞的鱼腥蓝细菌属、无异形胞的颤蓝细菌属以及有分支的费氏蓝细菌属等。
蓝细菌属G-，细胞基本结构与G-相似。细胞壁两层，外层为脂多糖层，内层为肽聚糖层；细胞膜单层，很少有间体；细胞质中含有能进行光合作用的叶绿素和藻胆素；细胞核为拟核结构，无核膜、核仁等。此外，蓝细菌还存在四种重要的特化细胞形式，分别为异形胞、静息孢子、链丝段和内孢子。异形胞是位于丝状体蓝细菌中的较营养细胞稍大、色浅、壁厚、在细胞链中间或末端、数目少而不确定的特化细胞。异形胞是固氮蓝细菌的固氮部位，与生物固氮作用有关。静息孢子是着生在丝状体细胞链中间或末端的形体大、颜色深、壁厚的一类休眠细胞，胞内含有储藏性物质，具有较强的抗逆性。链丝段又称连锁体或藻殖段，是长细胞断裂而成的短链段，具有繁殖功能。内孢子是少数蓝细菌种类在细胞内形成许多球形或三角形的内生孢子，成熟后可释放，也具有繁殖功能。
2.生理特性
蓝细胞属自氧微生物，其营养要求简单，能独立进行光合作用和进行生物固氮。蓝细菌无有性繁殖，以裂殖和产生孢子形式进行无性繁殖。
（二）古细菌
古细菌又名古生菌、古菌，是一类发现相对较晚的特殊细菌，多生活在高温、高酸、高盐、缺氧等极端环境中。1977年，Carl Woese以16S rRNA序列比较为依据，提出了古细菌概念。古细菌属原核生物范畴，具有原核生物的基本特征，但在某些细胞结构和化学组成上又有别于真细菌和真核生物。因此，普遍认为古细菌是独立于细菌、真核生物之外的第三种生命形式。
1.古细菌的形态与结构
在细胞的结构与功能上，古生菌既有类似真细菌之处，也有类似真核生物之处，还具有一些自己独特的特点。古细菌形态结构特征：①细胞壁成分中没有肽聚糖；②独特转运RNA和核糖体RNA；③细胞膜以醚键连接；④存在于罕见生存环境中；⑤古细菌在形态学和基因组构造方面与细菌相似，在基因组复制方式方面与真核生物相似。
（1）细胞壁 古细菌具有与真细菌功能类似的细胞壁，但细胞壁结构和成分与细菌细胞壁存在较大差异。古细菌细胞壁的构成极其多样，细胞壁中没有真正的肽聚糖，而是由多糖（假肽聚糖）、糖蛋白或蛋白质构成的；有的古细菌则是由两个双向的、不完全结晶的蛋白质或糖蛋白在细胞表面排列而成的表层；有的古细菌在原生质膜外形成厚的多糖细胞壁。
以假肽聚糖结构为例，甲烷杆菌细胞壁通过N-乙酰葡糖胺和N-乙酰塔罗糖胺糖醛酸交替连接而成，连在后一氨基糖上的肽尾由L-Glu、L-Ala和L-Lys三个L型氨基酸组成，肽桥则由L-Glu单个氨基酸组成，构成了类似肽聚糖的结构，称为假肽聚糖。该β-1，3-糖苷键不被溶菌酶水解，因此溶菌酶对该类古细菌没有杀菌效果。
（2）细胞膜 古生菌细胞膜在本质上也是由磷脂组成，但它比真细菌或真核生物具有更明显的多样性。主要区别有两点：①亲水头部（甘油）与疏水尾部（烃链）间是通过醚键而不是酯键连接的；②细胞膜的化学组分存在多样性，古生菌的细胞质膜中存在着独特的单分子层膜、双分子层膜或单、双分子层混合膜，而真细菌或真核生物的细胞质膜都是双分子层。
古细菌鉴别的重要特征之一就是在细胞膜中酯类的性质不像真细菌的酯类由酯键连接甘油，而是通过醚键连接甘油，并且它们的脂肪酸也是长链和分支的。
（3）DNA结构 古细菌与真细菌的染色体结构相似，都是由不含核膜的单个环状DNA分子构成的，但大小通常小于大肠杆菌的DNA。
（4）核糖体结构 古细菌的核糖体在某些特性上，更与真核生物的核糖体接近，如对抗生素链霉素和氯霉素的抗性及对白喉毒素的敏感性，而与细菌的核糖体不同。
2.真细菌、真核生物和古细菌的差异
真细菌、古细菌与真核生物在细胞结构、细胞成分及抗生素敏感程度等多方面存在差别，具体比较见表2-5。
表2-5 真细菌、古细菌和真核生物间的某些差异
3.古细菌的类群和生长环境
古细菌类群主要指能够在极端环境下生存的原核微生物类群，如热泉（例如硫化叶菌属和热球菌属）和高盐（盐杆菌属）及产甲烷菌如甲烷杆菌属，该菌代谢结果产生甲烷。
（1）极端嗜热菌 能生长在90℃以上的高温环境。如斯坦福大学科学家发现的古细菌，最适生长温度为100℃，80℃以下即失活；德国的K.Stetter研究组在意大利海底发现的一族古细菌，能生活在110℃以上高温条件下，最适生长温度为98℃，降至84℃即停止生长；美国的J.A.Baross发现一些从火山口分离出的细菌可以生活在250℃的环境中。嗜热菌的营养范围很广，多为异养菌，其中许多能将硫氧化以获得能量。
（2）极端嗜盐菌 生活在高盐度环境中，盐度可达25%，如死海和盐湖中。
（3）极端嗜酸菌 能生活在pH1以下的环境中，往往也是嗜高温菌，生活在火山地区的酸性热水中，能氧化硫，硫酸作为代谢产物排出体外。
（4）极端嗜碱菌 多数生活在盐碱湖或碱湖、碱池中，生活环境pH值可达11.5以上，最适pH值8～10。
（5）产甲烷菌 属严格厌氧微生物，能利用CO2使H2氧化，生成甲烷，同时释放能量。
由于古细菌所栖息的环境和地球产生早期的环境有相似之处，如高温、缺氧，而且由于古细菌在结构和代谢上的特殊性，它们可能代表最古老的细菌，保持了古老的形态和生长特性。所以，科学家提出将古细菌从原核生物中分出，成为与真细菌、真核生物并列的一类。
（三）支原体
1898年E.Nocard等传染性胸膜肺炎的病牛体内发现了一种类似细菌但又不具有细胞壁的革兰氏阴性原核微生物，这就是支原体。支原体能在无生命的人工培养基上生长繁殖，是一类无细胞壁的原核生物。过去曾称之为类胸膜肺炎微生物（PPLO），1995年正式命名为支原体。
支原体的大小为100～300nm，一般为250nm，可通过滤菌器，属有害微生物，常给细胞培养工作带来污染的麻烦。支原体的细胞结构比较简单，多数呈球形，没有细胞壁，只有三层结构的细胞膜，具有较大的可变性。
支原体的特点：
①无细胞壁结构，不能维持固定的形态而呈现多变性，对渗透压敏感，对青霉素、环丝氨酸等抑制细胞壁合成的抗生素不敏感。
②革兰氏染色不易着色，可用吉姆萨（Giemsa）染色法染成淡紫色。
③细胞膜中含有胆固醇等甾醇类物质，大约占比36%。胆固醇对保持细胞膜的完整性具有一定作用，因此支原体细胞膜比其他原核生物的质膜更坚韧。
④菌落个头较小（直径0.1～1.0mm），在固体培养基表面呈现特有的“油煎蛋”状。
⑤支原体基因组为环状双链DNA，分子量相对较小（约为大肠杆菌的1/5），合成与代谢能力有限。
目前已知的支原体有80多种，其中大部分支原体为致病菌，如一些支原体可引起玉米、水稻等植物的黄化病、丛枝病，还有一些可以引起动物性疾病。
（四）衣原体
衣原体最早于1907年被捷克学者在沙眼病人结膜细胞内发现，并被误认为是“大病毒”。直至1955年，我国著名医学病毒学家汤飞凡带领团队首次分离出沙眼衣原体。1970年在美国波士顿召开的沙眼及有关疾病的国际会议上，才正式把这类病原微生物命名为衣原体。
衣原体是一类在真核细胞内营专性寄生生活的小型革兰氏阴性原核微生物。根据寄生的寄主不同，可将衣原体分成三类：
①以人类为寄主。如沙眼-包涵体结膜炎衣原体、肺炎衣原体、淋巴肉芽肿衣原体，可引起眼、泌尿生殖系统和呼吸道疾病。
②以鸟类为寄主。如鹦鹉热衣原体，可引起鸟类的呼吸道及全身感染。
③以哺乳动物（除灵长类动物以外）为寄主。如家畜和啮齿类动物衣原体，可引起哺乳动物的呼吸道、胎盘、关节和肠道的疾病。
衣原体在光学显微镜下有两种形态：一为原体，又称网状体，直径为200～500nm，卵圆形，外周有细胞壁和细胞膜包裹，为衣原体的传染型；另一为始体，个体较大，直径为600～1200nm，外周亦有细胞壁和细胞膜包裹，为衣原体的繁殖型。
衣原体的生活史：具有感染性的原体通过胞饮作用进入宿主细胞，被宿主细胞膜包围形成空泡；原体逐渐增大成为始体，始体无感染性，但能在空泡中以二分裂方式反复繁殖，形成大量新的原体，积聚于细胞质内成为各种形状的包涵体；随后宿主细胞破裂，释放出的原体重新感染新的寄主细胞。
衣原体不能在人工培养基上生长，只能在寄主细胞内专性能量寄生，并能通过滤菌器。衣原体为革兰氏阴性原核微生物，有细胞壁结构，含DNA和RNA两种核酸，胞浆内有核糖体，对磺胺和多种抗生素敏感，这些特性与细菌类似。衣原体对热、消毒剂、抗生素较敏感，56℃时5～10min即可灭活；在0.1%甲醛、0.5%石炭酸中经24h处理既可杀死衣原体，75%酒精处理0.5min即可灭活；金霉素、四环素、氯霉素等均可抑制其繁殖或将其杀灭。
衣原体的特点：①含有DNA和RNA两种类型的核酸；②具有独特的发育周期，存在原体和始体两种状态，繁殖方式类似细菌的二分裂繁殖；③具有黏肽组成的细胞壁；④含有核糖体RNA；⑤具有独立的酶系统，能分解葡萄糖释放CO2，有些还能合成叶酸盐，但缺乏产生代谢能量的作用，必须依靠宿主细胞的代谢中间产物，因而表现为严格的营专性能量寄生；⑥对热、消毒剂及多种抗生素敏感。
（五）立克次氏体
立克次氏体是一类大小介于细菌与病毒之间、在许多方面类似细菌、专性活细胞内寄生的革兰氏阴性原核微生物。1909年，H.T.Ricketts首次发现斑疹伤寒的病原体，并因研究此病而牺牲，1916年人们为了纪念立克次医生所做的贡献，以他的名字命名这类病原体。
立克次氏体一般呈球状或杆状，是专性细胞内寄生物，主要寄生于节肢动物，有的会通过虱、蜱、螨传入人体，如斑疹伤寒、战壕热。
立克次氏体在虱等节肢动物的胃肠道上皮细胞中增殖并大量存在其粪便中。人受到虱等叮咬时，立克次氏体便随虱的粪便从抓破的伤口或直接从昆虫口器进入人的血液并在其中繁殖，从而使人感染得病。当节肢动物再叮咬病人吸血时，病人血中的立克次氏体又进入其体内增殖，如此不断循环。立克次氏体可引起人与动物患多种疾病，Q热、恙虫热等均由立克次氏体引起。它与衣原体的不同处在于细胞较大，不能通过滤菌器，具有一定的合成能力，且不形成包涵体。
立克次氏体的特点：①立克次氏体细胞个体较大，大小为（0.3～0.6）μm×（0.8～2.0）μm，一般不能通过细菌过滤器，在光学显微镜下清晰可见；②细胞形态多变，有球状、杆状、丝状等；③有细胞壁结构，呈革兰氏阴性反应；④除少数外，均在真核细胞内营专性细胞寄生，宿主一般为虱、蚤等节肢动物，并可传播给人或其他脊椎动物；⑤以二等分裂方式进行繁殖，但繁殖速度较细菌慢，一般9～12h繁殖一代；⑥有不完整的产能代谢途径，大多只能利用谷氨酸和谷氨酰胺产能而不能利用葡萄糖和有机酸产能；⑦大多数不能用人工培养基培养，需用鸡胚、敏感动物及动物组织细胞来培养立克次氏体；⑧对热、光、干燥及化学药剂敏感，60℃ 30min即可将其杀死，对一般消毒剂、磺胺及四环素、氯霉素、红霉素、青霉素等抗生素敏感。
思考与交流
真核细胞与原核细胞有哪些不同？说一说你所了解的真核细胞有哪些，又有哪些结构特点。
想一想
我们在日常生活中有哪些时候会用到酵母菌？应用酵母菌后会有哪些现象？