Zygomycota , или зиготные грибы , — это бывший отдел или тип царства Fungi . Члены этого рода в настоящее время являются частью двух типов : Mucoromycota и Zoopagomycota . [1] Известно около 1060 видов. [2] Они в основном наземные в среде обитания, живут в почве или на разлагающемся растительном или животном материале. Некоторые из них являются паразитами растений, насекомых и мелких животных, в то время как другие образуют симбиотические отношения с растениями. [3] Гифы зигомицетов могут быть ценоцитными , образуя перегородки только там, где образуются гаметы или для отгораживания мертвых гиф. Zygomycota больше не признается, поскольку не считалось, что он является истинно монофилетическим . [1]
Название Zygomycota относится к зигоспорангиям, характерно образованным членами этой клады, в которых во время полового размножения образуются устойчивые сферические споры . Zygos по -гречески означает «соединение» или « хомут », что относится к слиянию двух гифальных нитей , в результате которого образуются эти споры, а -mycota — суффикс, указывающий на подразделение грибов. [4]
Термин «спора» используется для описания структуры, связанной с размножением и распространением. Споры зигомицетов могут образовываться как половым, так и бесполым путем. Перед прорастанием спора находится в состоянии покоя. В течение этого периода скорость метаболизма очень низкая, и он может длиться от нескольких часов до многих лет. Существует два типа покоя . Экзогенный покой контролируется факторами окружающей среды, такими как температура или доступность питательных веществ. Эндогенный или конститутивный покой зависит от характеристик самой споры, например, особенностей метаболизма. При этом типе покоя прорастание может быть предотвращено, даже если условия окружающей среды благоприятствуют росту.
У зигомицетов митоспоры (спорангиоспоры) образуются бесполым путем. Они образуются в специализированных структурах, митоспорангиях (спорангиях), которые содержат от нескольких до нескольких тысяч спор, в зависимости от вида. Митоспорангии переносятся специализированными гифами, митоспорангиефорами (спорангиеносцами). Эти специализированные гифы обычно демонстрируют отрицательный гравитропизм и положительный фототропизм, что обеспечивает хорошее распространение спор. Стенка спорангиев тонкая и легко разрушается механическими раздражителями (например, падающими каплями дождя, проходящими животными), что приводит к распространению зрелых митоспор. Стенки этих спор содержат спорополленин у некоторых видов. Спорополленин образуется из β-каротина и очень устойчив к биологической и химической деградации. Споры зигомицетов также можно классифицировать по их стойкости:
.svg/1280px-06_07_life_cycle,_Mucor_sp.,_Mucorales,_Zygomycota_(M._Piepenbring).svg.png)
Хламидоспоры — это бесполые споры, отличающиеся от спорангиоспор. Основная функция хламидоспор — сохранение мицелия, и они высвобождаются при его деградации. У хламидоспор нет механизма рассеивания. У зигомицетов образование хламидоспор обычно интеркалярное. Однако оно может быть и терминальным. В соответствии со своей функцией хламидоспоры имеют толстую клеточную стенку и пигментированы.
Зигофоры — это хемотропные воздушные гифы, которые являются половыми органами зигомицетов, за исключением Phycomyces, у которых они не воздушные, а находятся в субстрате. У них есть два разных типа спаривания (+) и (-). Противоположные типы спаривания растут навстречу друг другу из-за летучих феромонов, выделяемых противоположной нитью, в основном триспоровой кислоты и ее предшественников. После того, как два противоположных типа спаривания вступили в первоначальный контакт, они дают начало зигоспоре через несколько этапов.
После того, как контакт между зигофорами был установлен, их стенки прилипают друг к другу, уплощаются, и затем место контакта называется перегородкой слияния. Кончики зигофора растягиваются и образуют то, что называется прогаметангием. Перегородка развивается путем постепенного внутреннего расширения, пока она не отделит конечный гаметангий от прогаметангиального основания. В этот момент зигофор затем называется суспензором. Везикулы скапливаются в перегородке слияния, и в это время она начинает растворяться. Незадолго до того, как перегородка слияния полностью растворится, первичная внешняя стенка начинает утолщаться. Это можно увидеть в виде темных пятен на первичной стенке, поскольку перегородка слияния растворяется. Эти темные пятна на стенке в конечном итоге разовьются в бородавчатые структуры, которые составляют толщину стенки зигоспоры. По мере увеличения зигоспоры бородавчатые структуры увеличиваются, пока они не станут смежными вокруг всей клетки. На этом этапе электронная микроскопия больше не может проникнуть сквозь стенку. В конце концов бородавки проталкиваются через первичную стенку и темнеют, что, вероятно, вызвано меланином .
Мейоз обычно происходит до прорастания зигоспоры, и существует несколько основных типов различимого поведения ядер . Тип 1 — когда ядра быстро сливаются, в течение нескольких дней, в результате чего зрелая зигоспора имеет гаплоидные ядра. Тип 2 — когда некоторые ядра не спариваются и вместо этого дегенерируют, мейоз задерживается до прорастания. Тип 3 — когда гаплоидные ядра продолжают делиться митотически, а затем некоторые объединяются в группы, а некоторые нет. Это приводит к тому, что в спорангии зародыша обнаруживаются диплоидные и гаплоидные ядра .
Зигомицеты демонстрируют особую структуру клеточной стенки. Большинство грибов имеют хитин в качестве структурного полисахарида , в то время как зигомицеты синтезируют хитозан , деацетилированный гомополимер хитина. Хитин построен из β-1,4-связанного N -ацетилглюкозамина. Грибковые гифы растут на кончике. Поэтому специализированные везикулы, хитосомы, выводят предшественников хитина и его синтезирующий фермент, хитинсинтетазу , наружу мембраны путем экзоцитоза . Фермент на мембране катализирует образование гликозидных связей из нуклеотидного сахарного субстрата, уридиндифосфо- N -ацетил-D-глюкозамина. Затем зарождающаяся полисахаридная цепь расщепляется ферментом хитиндеацетилазой . Фермент катализирует гидролитическое расщепление N -ацетамидной группы в хитине. После этого полимерная цепь хитозана образует микрофибриллы. Эти волокна встроены в аморфную матрицу, состоящую из белков, глюканов (которые предположительно сшивают волокна хитозана), маннопротеинов, липидов и других соединений. [5] [6]
Триспоровая кислота — это терпеноидное соединение C-18, которое синтезируется через пути β-каротина и ретинола в зигомицетах. Это феромонное соединение, отвечающее за половую дифференциацию у этих видов грибов. [7]
Триспоровая кислота была открыта в 1964 году как метаболит, вызывающий повышенную выработку каротина в Blakeslea trispora . Позже было показано, что это гормон, который вызывает выработку зигофора в Mucor mucedo . [8] Американский миколог и генетик Альберт Фрэнсис Блейксли обнаружил, что некоторые виды Mucorales являются самостерильными ( гетероталлическими ), в которых для начала половой активности необходимы взаимодействия двух штаммов, обозначенных (+) и (-). Ганс Бургефф из Геттингенского университета обнаружил, что это взаимодействие обусловлено обменом низкомолекулярными веществами, которые диффундируют через субстрат и атмосферу. Эта работа стала первой демонстрацией активности половых гормонов у любого гриба. Выяснение гормонального контроля полового взаимодействия у Mucorales длится более 60 лет и в нем участвовали микологи и биохимики из Германии, Италии, Нидерландов, Великобритании и США. [8]
Распознавание совместимых половых партнеров у зигомикоты основано на кооперативном пути биосинтеза триспороидной кислоты. Ранние производные триспороида и триспоровая кислота вызывают набухание двух потенциальных гиф, поэтому называются зигофорами, а химический градиент этих молекул-индукторов приводит к росту по направлению друг к другу. Эти прогаметангии контактируют друг с другом и создают прочную связь. На следующем этапе устанавливаются септы, ограничивающие развивающуюся зигоспору из вегетативного мицелия, и таким образом зигофоры становятся подвесными гифами, и образуются гаметангии. После растворения стенки слияния цитоплазма и большое количество ядер из обоих гаметангиев смешиваются. Селективный процесс (неизученный) приводит к уменьшению ядер, и происходит мейоз (также неизученный до сих пор). Происходит несколько модификаций клеточной стенки, а также включение спорополленина (отвечающего за темный цвет спор), в результате чего образуется зрелая зигоспора.
Триспоровая кислота, как конечная точка этого пути распознавания, может быть произведена только в присутствии обоих совместимых партнеров, которые ферментативно производят предшественников триспороидов для дальнейшего использования потенциальным половым партнером. Видовая специфичность этих реакций достигается, среди прочего, за счет пространственной сегрегации, физико-химических особенностей производных (летучесть и светочувствительность), химических модификаций триспороидов и транскрипционной/посттранскрипционной регуляции.
.png/1280px-Postulated_biosynthesis_of_trisporic_acid_B_(van_den_Ende,_1976;_Sutter_et_al.,_1989;_modified).png)
Триспороиды также используются в посредничестве распознавания между паразитом и хозяином. Примером является взаимодействие хозяина и паразита парасексуальной природы, наблюдаемое между Parasitella parasitica , факультативным микопаразитом зигомицетов, и Absidia glauca . Это взаимодействие является примером паразитизма биотрофного слияния, поскольку генетическая информация передается хозяину. Наблюдается много морфологических сходств по сравнению с образованием зигоспор, но зрелая спора называется сикиоспорой и является паразитической. Во время этого процесса хозяин Absidia glauca производит галлоподобные структуры . Это, в сочетании с дополнительными доказательствами, привело к предположению, что триспороиды не являются строго видоспецифичными, но что они могут представлять общий принцип распознавания спаривания у Mucorales. [9]
Регуляция света была исследована у зигомицетов Phycomyces blakesleeanus , Mucor circinelloides и Pilobolus crystallinus . Например, у Pilobolus crystallinus свет отвечает за механизм рассеивания, а спорангиофоры Phycomyces blakesleeanus растут по направлению к свету. Когда свет, особенно синий свет, участвует в регуляции развития грибов, он направляет рост грибковых структур и активирует метаболические пути. Например, зигомицеты используют свет в качестве сигнала для стимулирования вегетативного размножения и роста воздушных гиф для облегчения рассеивания спор.
Фототропизм грибов был подробно исследован с использованием плодового тела, спорангиофора, Phycomyces в качестве модели. Phycomyces имеет сложную фоторецепторную систему. Он способен реагировать на различную интенсивность света и разные длины волн. В отличие от положительной реакции на синий свет, существует также отрицательная реакция на УФ-свет. Также наблюдались реакции на красный свет.
Два гена ферментов фитоендесатураза (carB) и бифункциональная фитоенсинтаза/каротинциклаза (carRA у Phycomyces , carRP у Mucor ) отвечают за синтез бета-каротина. Продукт гена crgA, который был обнаружен у Mucor, подавляет образование каротина, ингибируя накопление мРНК carB и carRP.
Зигомицет P. blakesleeanus образует два типа спорангиофоров, макрофоры и микрофоры, которые различаются по размеру. Формирование этих спорангиофоров происходит при разной интенсивности света и, следовательно, с использованием специфических фоторецепторов. Свет также регулирует бесполое спорообразование. В Mucor продукт гена crgA действует как активатор. Напротив, половое развитие Phycomyces ингибируется светом из-за специализированной фоторецепторной системы.
Гравитропизм — это поворотное или ростовое движение растения или гриба в ответ на гравитацию. Он одинаково распространен в обоих царствах. Статолиты требуются как грибам, так и растениям для механизма восприятия гравитации. Спорангиофоры Zygomycota происходят из специализированных «базальных гиф» и проходят через несколько отличительных стадий развития, пока не высвободятся зрелые бесполые споры. В дополнение к положительному фототропизму, спорангиофоры направляются отрицательной гравитропной реакцией в положение, подходящее для рассеивания и распространения спор. Обе реакции являются реакциями роста, т. е. изгиб вызван дифференциальным ростом на соответствующих противоположных флангах спорангиофора и влияют друг на друга. Единственная модель механизма гравитропной реакции Phycomyces основана на плавучести вакуоли в окружающей цитоплазме. [10] Предполагается, что результирующее асимметричное распределение цитоплазмы приводит к увеличению роста стенки на нижней стороне горизонтально расположенных спорангиофоров, поскольку в более толстом цитоплазматическом слое, образующемся там, количество везикул, секретирующих материал клеточной стенки, будет выше, чем на верхней стороне. Гравитропный изгиб начинается примерно через 15–30 минут в горизонтально расположенных спорангиофорах и продолжается до тех пор, пока примерно через 12–14 часов кончик спорангиофора не восстановит свое первоначальное вертикальное положение. Обычно гравитропный ответ слабее по сравнению с фототрофным. Однако в определенных условиях равновесие может быть установлено, и ответы будут сопоставимы. У растений и грибов фототропизм и гравитропизм взаимодействуют сложным образом. При непрерывном облучении односторонним светом спорангиеносец (плодовое тело) гриба-зигомицета Phycomyces blakesleeanus достигает угла изгиба фотогравитропного равновесия, при котором гравитропные и фототропные стимулы уравновешивают друг друга (рис. 1, угол изгиба +α, обусловленный световым облучением [11] ).
У Phycomyces blakesleeanus спорангиофоры дикого типа содержат крупные, легко различимые октаэдрические паракристаллические кристаллы размером до 5×5×5 мкм. Обычно они находятся вблизи главной вакуоли в кластерах, состоящих из более чем десяти кристаллов. Они часто связаны с вакуолярными трансептами. Седиментация со скоростью около 100 мкм/с может наблюдаться, когда спорангиофоры наклонены. Скольжение во время седиментации или натяжение вакуолярных мембран и трансептов служит межклеточным сигналом для вероятного ответа цитоскелета, и это активирует рецепторы, расположенные в клеточной мембране. Эти рецепторы, в свою очередь, запускают цепочку событий, которая в конечном итоге приводит к асимметричному росту клеточной стенки. Исследования угла изгиба роста спорангиофоров дикого типа и мутантного штамма показали, что мутантные штаммы, не имеющие кристаллов, демонстрируют сниженную гравитропную реакцию. [11]
Комплекс апикальных липидных глобул также участвует в гравиперцепции. Эти липиды сгруппированы в клеточные структуры, комплекс липидных глобул, примерно на 0,1 мм ниже самого кончика апекса. (Рис. 2) Глобулы мигрируют в колумеллу, когда формируется спорангий. В зрелой стадии этот комплекс, как полагают, действует как гравирецептор из-за своей плавучести. Мутанты, у которых отсутствует этот липидный комплекс, демонстрируют значительно сниженную гравитропную реакцию. [10]
Исторически все грибы, производящие зигоспоры, считались родственными и помещались в Zygomycota. Использование молекулярной филогенетики все чаще показывает, что эта группировка является парафилетической . [1] Однако ранг (т. е. тип или подтип) этих клад является спорным. Ниже приводится филогения грибов с подтипом зигомицетов, полученным из Spatafora et al. (2016) [1] с обоими возможными названиями типа.
Многие виды зигомицетов могут быть использованы в важных промышленных процессах. Их резюме представлено в таблице.
Зигомицеты способны расти в широком диапазоне сред. Большинство из них мезофильны (растут при температуре 10–40 °C с оптимумом 20–35 °C), но некоторые, такие как Mucor miehei или Mucor pusillus , термофильны с минимальной температурой роста около 20 °C и максимальной, простирающейся до 60 °C. Другие, такие как Mucor hiemalis, могут расти при температуре ниже 0 °C.
Некоторые виды порядка Mucorales способны расти в анаэробных условиях, в то время как большинство из них требуют аэробных условий. Кроме того, в то время как большинство зигомицетов растут только при высокой активности воды, некоторые из них способны расти при концентрации соли не менее 15%. Большинство видов Mucor быстро растут на агаре при комнатной температуре, заполняя чашку Петри за 2–3 дня своим грубым воздушным мицелием. При инкубации в жидкой культуре в полуанаэробных условиях несколько видов растут в дрожжеподобном состоянии. Образование зигоспор может стимулироваться при более высоких температурах инкубации (30–40 °C).
Рост Zygomycota в твердом агаре может привести к образованию низко- или очень высоковолокнистой колонии, которая быстро заполняет всю чашку Петри. Ее цвет может варьироваться от чисто белого до оттенков серого или коричневого. В старых культурах наблюдаются темно-пигментированные спорангии. Все зависит от вида и используемой среды. В жидкой культуре Zygomycota обычно образуют пресную массу и не производят спор. Это связано с тем, что они не могут выращивать воздушные гифы.
Зигомицеты хорошо растут на большинстве стандартных сред для культивирования грибов , таких как декстрозный агар Сабуро. Они также могут расти как на селективных, так и на неселективных средах. Также можно использовать минимальные среды, дополнительные среды и индукционные среды. Большинство зигомицетов чувствительны к циклогексимиду (актидиону), и этот агент не следует использовать в питательных средах.
Типичным примером зигомицета является черная хлебная плесень ( Rhizopus stolonifer ), представитель Mucorales . Она распространяется по поверхности хлеба и других источников пищи, посылая гифы внутрь для поглощения питательных веществ. В своей бесполой фазе она развивает луковичные черные спорангии на кончиках вертикальных гиф, каждая из которых содержит сотни гаплоидных спор .
Как и у большинства зигомицетов, бесполое размножение является наиболее распространенной формой размножения. Половое размножение у Rhizopus stolonifer , как и у других зигомицетов, происходит, когда гаплоидные гифы разных типов спаривания находятся в непосредственной близости друг от друга. Рост гаметангиев начинается после того, как гаметангии вступают в контакт, и происходит плазмогамия , или слияние цитоплазмы. Кариогамия , которая представляет собой слияние ядер, следует сразу после этого. Затем зигоспорангии становятся диплоидными . Зигоспорангии, как правило, толстостенные, очень устойчивые к неблагоприятным факторам окружающей среды и метаболически инертные. Однако, когда условия улучшаются, они прорастают, образуя спорангий или вегетативные гифы . Мейоз происходит во время прорастания зигоспорангия, поэтому полученные споры или гифы гаплоидны. Растет в теплых и влажных условиях.
Некоторые зигомицеты рассеивают свои споры более точным образом, чем просто позволяя им бесцельно дрейфовать в воздушных потоках. Pilobolus , гриб, растущий на навозе животных, наклоняет свои спорангиофоры к свету с помощью светочувствительного пигмента ( бета-каротина ), а затем «выстреливает» ими взрывной струей цитоплазмы под высоким давлением . Спорангии могут быть запущены на расстояние до 2 м, помещая их далеко от навоза и, как ожидается, на растительность, которая будет съедена травоядным животным, в конечном итоге, чтобы быть отложенными вместе с навозом в другом месте. Различные механизмы принудительного выброса спор развились среди членов порядка зигомицетов Entomophthorales .
Эволюция конидий из спорангиоспор является основным определяющим различием между зигомицетами и аскомицетами . [12] Эволюция спорангиоспор, типичных для зигомицетов, в конидии, подобные тем, что встречаются у аскомицетов, может быть смоделирована серией форм, наблюдаемых у зигомицетов. Многие зигомицеты производят несколько спорангиоспор внутри одного спорангиума. Некоторые развили несколько небольших спорангиол, которые содержат несколько спорангиоспор. В некоторых случаях в каждом спорангиоле может быть несколько, например, три споры, а у нескольких видов есть спорангиолы, которые содержат только одну спору. Choanephora , зигомицет, имеет спорангиол, который содержит одну спору со стенкой спорангиума, которая видна у основания спорангиума. Эта структура похожа на конидию, которая имеет две сросшиеся клеточные стенки: внутреннюю стенку споры и внешнюю стенку спорангия.
