Бабьева И. П., Чернов И. Ю. Биология дрожжей. М. Товарищество научных изданий КМК, 2004

Митотические циклы приводят к увеличению числа клеток в популяции и, таким образом, обусловливают ее рост.

Дляориентировочногоопределениястадийклеточногоциклаиспользуют разные диагностические признаки (маркеры цикла). К морфологическим маркерам относятся размеры клетки и почки, состояние ядра. В G1-фазеядроимееттолькооднуцентриолярнуюбляшку, вначалеS-фазы она удваивается. При этом в цитоплазме возникают внутриядерные микротрубочки, которыеуSaccharomyces cerevisiae участвуютвориентации почки и формировании веретена. В начале G2-фазы бляшки на ядре расходятсяиобразуютмитотическоеверетено. Почказавремяпрохождения G2-фазы достигает размеров материнской клетки, а ядро мигрирует в межклеточную перетяжку, где происходит митоз. После кариокинеза происходитцитокинез: материнскаяидочерняяклеткиразделяютсясначала мембраной, затем первичной и вторичной септами и отделяются друг от друга.

Альтернативныепрограммыдифференцировкиклеткимитоз, конъюгация и споруляция - контролируются в G1 фазе до момента «старта», пока клетка не дифференцирована и может реализоваться по четырем направлениям в зависимости от природы самой клетки и условий.

Изучение закономерностей клеточной дифференциации может дать объяснение поведению популяций в разных условиях природных местообитаний, при лабораторном и промышленном культивировании, объяснитьпричиныутратыспособностичистыхкультурдрожжейкспорообразованию при хранении в коллекциях.

41

ПОЛОВОЕ РАЗМНОЖЕНИЕ И ЖИЗНЕННЫЕ ЦИКЛЫ ДРОЖЖЕЙ

Половоеразмножениеэтосложнаяцепьсобытий, включающаяконтакт двух гаплоидных клеток, их слияние (сначала слияние цитоплазмы - плазмогамия, а затем сразу же или со значительной задержкой слияниеядер- кариогамия), образованиедиплоиднойзиготы, ядрокоторой затем либо делится мейотически с восстановлением гаплоидного состояния, либодаетначалодиплоидномупоколениюклеток. Такимобразом, половое размножение связано со сменой ядерных фаз. У дрожжей, как и у всех грибов, чередование ядерных фаз сопряжено с образованием половых гаплоидных спор - аскоспор или базидиоспор.

Весь ход событий в развитии организма от одной стадии до этой же стадии в следующем поколении составляет жизненный цикл, или онтогенез. Полный жизненный цикл включает вегетативную стадию, в течение которой клетки размножаются при помощи митотического деления, и половой цикл, включающий мейотическое деление ядра. У мицелиальных грибов вегетативное размножение занимает обычно одну из стадий жизненного цикла: у аскомицетов - преимущественно гаплоидную, у базидиомицетов - дикариотическую. У дрожжей вегетативное размножение может происходить в любой фазе жизненного цикла. На этом основании различают гаплоидные виды, у которых вегетативное размножениепроисходитвгаплоиднойфазе, диплоидныевиды, размножающиесявегетативновдиплофазе, атакжегапло-диплоидные, образующие стабильные как гапло-, так и диплофазы, или же смешанные популяции гаплоидных и диплоидных клеток.

В половом процессе у дрожжей участвуют обычные соматические, то есть неспециализированные клетки. Такой тип полового процесса называется соматогамией. Существуют разновидности соматогамии: гологамия - слияние (копуляция) двух морфологически сходных соматических клеток, педогамия - слияние материнской и дочерней клеткипочки, адельфогамия - слияние сестринских клеток-почек. Копулировать могут не любые две клетки, а лишь клетки, относящиеся к различным типам спаривания. Термин «тип спаривания» используется вместо термина «пол» в том случае, когда копулирующие клетки не имеют морфологических отличий, а различаются лишь физиологически. У од-

42

них дрожжей при вегетативном размножении происходит разделение клеток на различные типы спаривания (обозначаемые a и α, и, следовательно, в потомстве одной клетки возможен половой процесс. Такие дрожжи называют гомоталличными. У других - клетки не способны переключаться с одного типа спаривания на другой, и половой процесс в потомстве одной клетки невозможен. В этом случае дрожжи называют гетероталличными. Половой процесс у таких дрожжей происходиттолькоприобъединенииклетокизпопуляцийa иαтиповспаривания.

Дифференциация пола у дрожжей. Особенности конъюгации кле-

ток при половом размножении наиболее хорошо изучены у дрожжей Saccharomyces cerevisiae. При половом размножении могут конъюгироватьнелюбыедвеклетки, атолькоклеткиразличныхтиповспаривания. Эти клетки различаются между собой только по одному генетическому локусу, обозначаемому mat (mating - спаривание). Локус mat может находиться в двух аллельных состояниях: mat a и mat α. Клетки, несущие локус mat a или mat α, обозначаются соответственно как a- и α-клетки.

Локусы mat a и mat α ответственны за образование так называемых половыхфакторов(соответственноa- иα-фактора), которыепредставляют собой олигопептиды. a-Фактор, образуемый а-клетками, способен блокировать процесс митотического деления у α-клеток. α-Фактор, об- разуемыйα-клетками, блокируетмитотическоеразмножениеуа-клеток. Поэтомуконъюгациявозможнатолькопривзаимодействииа- иα-клеток, но не а х a или α х α.

После конъюгации а- и α-клеток образуется диплоидная клетка (зигота), имеющая генотип а/α. Только такие клетки способны к мейотическому делению с образованием половых спор. Специальными генетическимиметодамиможнополучитьдиплоидыа/аиα/α. Такиеклеткине способныспорулировать. Впроцессемейотическогоделенияа/αклетки образуется 4 гаплоидных ядра, два из которых а-типа, а два - α-типа. Поэтомувтипичномчетырехспоровомаскедвеаскоспорыпринадлежат к а-типу, а две - к α-типу.

Кромелокусаmat, ответственногозаобразованиеполовогофактора, вклеткеимеютсяещедвекопииэтоголокуса(hml иhmr), находящихсяв другихсайтахтойжехромосомы. Одинизнихвсегданаходитсявсосто-

43

янии mat a, другой - mat α. Однако эти локусы не экспрессируются, то есть находятся в «молчащем» состоянии. При митотическом делении клеткипроисходитзаменаработающегоmat-участканакопию, снятуюс неэкспрессирующегося участка. При этом копия снимается с того локуса, который находится в другом аллельном состоянии, нежели работающий mat-участок. Таким образом, при вегетативном размножении происходит превращение клетки в клетку противоположного типа спаривания, так называемый «свитч». За такой обмен участками хромосомы ответственен, в частности, ген ho, который кодирует эндонуклеазу, специфически вырезающую заменяемый участок ДНК.

Вклоне, полученном, например, иза-клетки, появляютсяα-клеткии может идти половой процесс. Такие дрожжи называют гомоталличными. Если же имеет место какое-либо нарушение в системе генов, контролирующих переход в другой тип спаривания (например, мутирован ген ho), то клон, полученный, скажем, из а-клетки, будет состоять только из а-клеток, и половой процесс будет невозможен. Такие дрожжи с нарушенным процессом свитча называют гетероталличными.

Явление гетероталлизма широко распространено среди дрожжевых грибов. В некоторых случаях гетероталличны отдельные штаммы внутри вида. Например, существуют гомо- и гетероталличные штаммы Saccharomyces cerevisiae. В других случаях признак гетероталлизма является видовым. Существуют и исключительно гомоталличные виды. Например, бессмысленно говорить о явлении гетероталлизма у дрожжей с педогамным половым процессом.

Более сложные случаи генетической детерминации пола наблюдаются у базидиальных дрожжей. У видов в родах Rhodosporidium, Leucosporidium, Sporidiobolus тип спаривания не биполярный, а тетраполярный, так как определяется не двумя (а и α), а четырьмя аллелями, которые принято обозначать как А, а, В, в. В этом случае скрещивание возможно лишь между штаммами, которые различаются всеми четырьмя аллелями: АВ × ав или Ав × аВ. В комбинациях ав × ав или АВ × АВ спаривание невозможно. При взаимодействии штаммов, различающихся только по одному локусу: АВ × аВ, АВ × Ав, ав × Ав или ав × аВ, иногданаблюдаетсякопуляцияклеток, нодикариотическиймицелий, как правило, не развивается.

44

Аскомицетовые дрожжи

К аскомицетам относят дрожжи, половые споры которых формируютсяэндогенновнутриособыхвместилищсумок, илиасков. Вотличие от мицелиальных аскомицетов, большая часть жизненного цикла которых проходит в гаплоидной фазе, а диплоидна только молодая сумка, среди аскоспоровых дрожжей есть виды с разными типами онтогенеза: гаплоидным, диплоидным и гапло-диплоидным. При этом аском может стать либо непосредственно зигота (Schizosaccharomyces, Zygosaccharomyces), либоотдельнаядиплоиднаявегетативнаяклетка(Saccharomyces, Saccharomycodes), либо сумка развивается как новообразование с участием так называемых «активных» почек, выполняющих функцию гамет (Lipomyces). Аски могут также формироваться из хламидоспор (Metschnikowia), из клеток псевдомицелия (Arthroascus), или на истин-

ном мицелии (Saccharomycopsis, Stephanoascus).

В любом случае аски формируются из диплоидных клеток после мейотического деления ядра (рис. 28). Мейоз представляет собой два следующих друг за другом деления ядра с однократным удвоением хромосом. Перед вторым делением хромосомы не удваиваются, поэтому в результате происходит редукция числа хромосом и возникают четыре гаплоидных ядра. Затем в районе ядерных бляшек начинают формироватьсямембраны, которыепостепенноразрастаютсяиохватываютчасть цитоплазмы аска. После образования аскоспор остается небольшое количество«неиспользованной» цитоплазмы. Междудвумялисткамимембран закладывается клеточная стенка аскоспоры.

Рис. 28. Схема поведения ядра во время мейоза и образование аско-

спор у Saccharomyces cerevisiae: 1,2 - первое деление, 1 - удвоение бляшки, 2 - образование веретена, 3,4 - второе деление, формирование клеточной стенки аскосор, 5 - аск с аскоспорами.

45

Аскоспоры отличаются от вегетативных клеток более толстой и многослойнойклеточнойстенкой, меньшимразвитиемвнутриклеточных мембранных систем, отсутствием вакуолей. Эти особенности связаны с пониженной метаболической активностью аскоспор. Обычно аскоспоры содержат большое количество запасных веществ, чаще всего - липидов. Аскоспоры дрожжей - это типичные «покоящиеся» споры, способные более или менее длительный период существовать в неактивном состоянии. Однако, устойчивость аскоспор к ряду повреждающих факторов, например, кповышеннымтемпературам, обычноненамноговыше, чем у вегетативных клеток.

Аскоспоры дрожжей очень разнообразны по форме (рис. 29). Они могут быть круглыми, овальными, бобовидными, чечевицеобразными, серповидными, игловиднымиит.д. Крометого, аскоспорымогутиметь на поверхности клеточной стенки различные скульптурные образования, которые хорошо выявляются в электронном микроскопе. За счет такихобразованийаскоспорымогутбытьбородавчатыми, сатурновидными, напоминающими грецкий орех и пр. Морфология асков зависит от способа их образования (зиготические и азиготические, одиночные

Рис. 29. Форма аскоспор у различных дрожжей: 1 - Saccharomyces, 2 - Lodderomyces, 3 - Kluyveromyces, 4 - Wingea (=Debaryomyces), 5 - Debaryomyces, 6 - Nadsonia, 7,8 - Pichia, 9 - Wickerhamia, 10 - Williopsis, 11 - Schwanniomyces (=Debaryomyces), 12,13 - Lipomyces, 14 - Metschnikowia, 15 - Nematospora (=Eremothecium).

46

или на мицелии), типа полового процесса, количества и формы аскоспор (рис. 30). Количество аскоспор васке уразных видов может бытьот одной до нескольких десятков. Наиболее часто встречаются аски с 1,2,4

Рис. 30. Типыасковуаскомицетовыхдрожжей: 1-5 - азиготическиеаски, раз-

вивающиеся из диплоидных клеток, 1 - Saccharomyces, 2 - Lodderomyces, 3 - Kluyveromyces, 4 - Pichia,5 - Hanseniaspora, 6 - зиготический аск у

Zygosaccharomyces, развивающийся непосредственно из зиготы, 7- 8 - аски на мицелии, 7 - Arthroascus, 8 - Stephanoascus, 9 - аски Metschnikowia, разви-

вающиеся из хламидоспор, 10 - мешковидные аски у Lipomyces в результате адельфогамии, 11-13 - аски после педогамной копуляции, 11Debaryomyces, 12 - Williopsis, 13 - Nadsonia

47

и 8 аскоспорами. Характерные мешковидные аски с многочисленными аскоспорами образуют некоторые виды почвенных дрожжей из рода Lipomyces. Морфология асков, аскоспор, тип полового процесса имеют большое таксономическое значение. Эти признаки используются в систематике дрожжей при выделении таксонов родового уровня. Рассмотрим несколько примеров жизненных циклов аскомицетовых дрожжей.

Гаплоидные дрожжи

У таких дрожжей (рис. 31) вегетативное размножение происходит в гаплоидной фазе, а диплоидная стадия очень короткая: образовавшееся

Рис. 31. Жизненные циклы гаплоидных аскомицетовых дрожжей; стадии: В

– вегетативное размножение, П – плазмогамия, К – кариогамия, М – мейоз, А – аск, АС – аскоспоры.

48

послекариогамиидиплоидноеядросразужеделитсямейотическисвосстановлением гаплоидного состояния.

Schizosaccharomyces pombe. Половой процесс - гологамия. Две морфологически сходные гаплоидные вегетативные клетки образуют выросты, с помощью которых происходит контакт, а затем слияние содержимогоклетокплазмогамия, инепосредственнозанейкариогамия. Возникает диплоидная зигота, которая вегетативно не размножается, а ядро ее сразу переходит к мейотическому делению. Образующиеся четыре гаплоидныхядравключаютсяваскоспоры. Послеосвобожденияизаска аскоспорыпрорастаютидаютначалодлительнойстабильнойвегетативной фазе.

Debaryomyces hansenii. Половой процесс - педогамия. Гаплоидная клеткаобразуетпочку, вкоторуюмигрируетядроматеринскойклетки, и, таким образом, почка становится двуядерной. Затем в почке происходит кариогамия. Возникшее в почке диплоидное ядро сразу же делится мейотически. После мейоза одно из гаплоидных ядер (иногда 2, 3 или все 4) переходит в материнскую клетку. Последняя становится аском, который несет на себе придаток - пустую мейозную почку. Оставшиеся не включенными в аскоспоры ядра дегенерируют.

Nadsonia elongata. Половой процесс также педогамного типа, но с некоторыми особенностями. Слияние ядер почки и материнской клетки происходит в другой почке, которая образуется на втором полюсе. Эта втораяпочказатемотделяетсяотматеринскойклеткисептойистановится зиготой, а после мейоза - сумкой с одной, редко с 2-3 аскоспорами.

Lipomyces tetrasporus. Половой процесс - адельфогамия. Этот тип полового процесса сходен с гаметангиогамией у зигомицетов, но роль гамет здесь выполняют активные почки. Такие почки формируются на гаплоидных вегетативных клетках на поздних стадиях роста после периодавегетативногоразмножения. Обычнодвепочкинаоднойматеринской клетке выполняют функцию гамет и копулируют между собой, образуязиготу, котораязатемразрастаетсяввидемешкаиотделяетсяперегородкой от несущей ее клетки. Ядро зиготы делится мейотически и она превращается в четырехспоровый мешковидный аск, прикрепленный к материнской клетке, на которой может затем формироваться вторая и третья сумки.

49

Кроме типичной адельфогамии у липомицетов могут быть иные способыкопуляцииклеток. Могуткопулироватьпочкиразличныхклетокили почка с морфологически отличающейся от нее другой клеткой, образующейвырост. Другиевидылипомицетов, вотличиеотLipomyces tetrasporus, имеют многоспоровые сумки, которые образуются в результате дополнительныхмитотическихделенийгаплоидныхядер. Числоспорводномтаком мешковидном аске может достигать тридцати и более.

Диплоидные дрожжи

Уэтихдрожжейвегетативноразмножаютсятолькодиплоидныеклетки. Гаплофаза ограничена молодыми асками и аскоспорами (рис. 32).

Saccharomycodes ludwigii. У этих дрожжей диплоидизация происходитприслиянииаскоспор. Четырегаплоидныеаскоспоры прорастаюти начинают копулировать попарно, когда они еще находятся в аске. Образовавшиесядиплоидныеклеткиразмножаютсявегетативно, образуястабильнуюидлительнуюдиплофазу. Присоответствующихусловиях, когда снимается контроль митотического деления ядра, диплоидная клетка вступает в митотический цикл и превращается в аск с 4 аскоспорами.

Hanseniaspora uvarum. Жизненный цикл сходен с описанным выше за исключением того, что споры не копулируют, но ядро в зрелой споре после освобождения ее из сумки в условиях, обеспечивающих вегетацию, делится мейотически. Образовавшиеся два гаплоидных ядра сливаются, образуя уже диплоидную клетку, способную к вегетативному

Рис. 32. Жизненные циклы диплоидных аскомицетовых дрожжей; обозначения см. на рис. 31.

50