图3-13 细菌芽孢构造模式图
皮层(cortex)在芽孢中占有很大体积（36%～60%），内含大量为芽孢皮层所特有的芽孢肽聚糖，其特点是呈纤维束状、交联度小、负电荷强、可被溶菌酶水解。此外，皮层中还含有占芽孢干重7%～10%的吡啶二羧酸钙盐（calcium picolinate, DPA-Ca），但不含磷壁酸。皮层的渗透压可高达20个大气压左右，含水量约70%，略低于营养细胞（约80%），但比芽孢整体的平均含水量（40%左右）高出许多。芽孢的核心（core）又称芽孢原生质体，由芽孢壁、芽孢质膜、芽孢质和核区四部分组成，它的含水量极低（10%～25%），因而特别有利于抗热、抗化学药物（如H2O2），并可避免酶的失活。除芽孢壁中不含磷壁酸以及芽孢质中含DPA-Ca外，核心中的其他成分与一般细胞相似。图3-14示芽孢特有的芽孢肽聚糖和吡啶-2,6-二羧酸钙盐的分子构造。
图3-14 芽孢特有的肽聚糖和DPA-Ca的分子构造
（3）芽孢形成(sporulation, sporogenesis)
产芽孢的细菌当其细胞停止生长即环境中缺乏营养及有害代谢产物积累过多时，就开始形成芽孢。从形态上来看，芽孢形成可分七个阶段（图3-15）：
①DNA浓缩，束状染色质形成；
②细胞膜内陷，细胞发生不对称分裂，其中小体积部分即为前芽孢（forespore）； ③前芽孢的双层隔膜形成，这时芽孢的抗辐射性提高；
④在上述两层隔膜间充填芽孢肽聚糖后，合成DPA，累积钙离子，开始形成皮层，再经脱水，使折光率增高；
⑤芽孢衣合成结束；
⑥皮层合成完成，芽孢成熟，抗热性出现；
⑦芽孢囊裂解，芽孢游离外出。在枯草芽孢杆菌中，芽孢形成过程约需8h，其中参与的基因约有200个。在芽孢形成过程中，伴随着形态变化的还有一系列化学成分和生理功能的变化（见图3-16）。
图3-15 芽孢形成的七个阶段
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图3-16 好氧芽孢杆菌在芽孢形成过程中的形态与生理变化
（4）芽孢萌发(germination)
由休眠状态的芽孢变成营养状态细菌的过程，称为芽孢的萌发，它包括活化(activation)、出芽(germination)和生长(outgrowth)三个具体阶段。在人为条件下，活化作用可由短期热处理或用低pH、强氧化剂的处理而引起。例如，枯草芽孢杆菌的芽孢经7天休眠后，用60℃处理5min即可促进其发芽。当然也有要用100℃加热10min才能促使活化的芽孢。由于活化作用是可逆的，故处理后必须及时将芽孢接种到合适的培养基中去。有些化学物质可显著促进芽孢的
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萌发，称作萌发剂(germinants)，例如L-丙氨酸、Mn、表面活性剂(n-十二烷胺等)和葡萄糖等。相反，D-丙氨酸和重碳酸钠等则会抑制某些细菌芽孢的发芽。发芽的速度很快，一般仅需几分钟。这时，芽孢衣中富含半胱氨酸的蛋白质的三维空间结构发生可逆性变化，从而使芽孢的透性增加，随之促进与发芽有关的蛋白酶活动。接着，芽孢衣上的蛋白质逐步降解，外界阳离子不断进入皮层，于是皮层发生膨胀、溶解和消失。接着外界的水分不断进入芽孢的核心部位，使核心膨胀、各种酶类活化，并开始合成细胞壁。在发芽过程中，为芽孢所特有的耐热性、光密度和折射率等特性都逐步下降，DPA-Ca、氨基酸和多肽逐步释放，核心中含量较高的可防止DNA损伤的小酸溶性芽孢蛋白（SASPs, small acid-soluble spore proteins）迅速下降，接着就开始其生长阶段。这时，芽孢核心部分开始迅速合成新的DNA、RNA和蛋白质，于是出现了发芽并很快变成新的营养细胞。当芽孢发芽时，芽管可以从极向或侧向伸出，这时，它的细胞壁还是很薄甚至不完整的，因此，出现了很强的感受态（competence）——接受外来DNA而发生遗传转化的可能性增强了。 有关芽孢和营养细胞特点的比较可见表3-3。
表3-3 营养细胞和芽孢特点的比较 特 点 外形 外包被层次 折光率 含水量 染色性能 含Ca量 含DPA 含SASPs 含mRNA量 细胞质pH 酶活性 代谢活力
营 养 细 胞 一般为杆状 少 差 高（80%～90%） 良好 低 无 无 高 ~7 高 强 37
芽 孢 球状或椭圆状 多 强 低（核心为10%～25%） 极差 高 有 有 低或无 ~5.5~6.0（核心） 低 接近O 大分子合成 抗热性 抗辐射性 强 弱 弱 无 极强 强 强 抗性 长或极长 抗酸或化学药剂 弱 对溶菌酶 保藏期 敏感 短 （5）芽孢的耐热机制
关于芽孢耐热的本质至今尚无公认的解释。较新的是渗透调节皮层膨胀学说
(osmoregulatory expanded cortex theory)，由于它综合了不少较新的研究成果，因此有一定的说服力。该学说认为，芽孢的耐热性在于芽孢衣对多价阳离子和水分的透性很差和皮层的离子强度很高，从而使皮层产生极高的渗透压去夺取芽孢核心的水分，其结果造成皮层的充分膨胀，而核心部分的细胞质却变得高度失水，因此，具极强的耐热性。从皮层成分来看，它含有大量交联度低（～6%）、负电荷强的芽孢肽聚糖，它与低价阳离子一起赋予皮层的高渗透压特性，从而使皮层的含水量增高，随之增大了体积（图3-17）。由此可知，芽孢整体的含水量少，并不说明其各层次的含水量是均一的，其中皮层与核心间含水量的差别是极其明显的。芽孢有生命部位——核心部位含水量的稀少（10%～25%），才是其耐热机制的关键所在。除皮层膨胀渗透调节学说外，还有别的学说来解释芽孢的高度耐热机制。例如，针对在芽孢形成过程中会
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合成大量的为营养细胞所没有的DPA-Ca，不少学者提出Ca与DPA的螯合作用会使芽孢中的生物大分子形成一种稳定而耐热性强的凝胶。总之，有关芽孢耐热机制是一个重要的有待进一步深入研究的基础理论问题。
图3-17 芽孢皮层的膨胀与收缩的图示
（6）研究芽孢的意义
芽孢是少数几属真细菌所特有的形态构造，因此，它的存在和特点成了细菌分类、鉴定中的重要形态学指标。由于芽孢具有高度耐热性，所以用高温处理含菌试样，可轻而易举地提高芽孢产生菌的筛选效率。由于芽孢的代谢活动基本停止，因此其休眠期特长，这就为产芽孢菌的长期保藏带来了极大的方便。由于芽孢具有高度耐热性和其他抗逆性，因此，是否能消灭一些代表菌的芽孢就成了衡量各种消毒灭菌手段的最重要的指标。例如，若对肉类原料上的肉毒梭菌（Clostridium botulinum）灭菌不彻底，它就会在成品罐头中生长繁殖并产生极毒的肉毒毒素，危害人体健康。已知它的芽孢在pH＞7.0时在100℃下要煮沸5.0～9.5h才能杀灭，如提高到115℃下进行加压蒸汽灭菌，需10～40min才能杀灭，而在121℃下则仅需10min。这就要求食品加工厂在对肉类罐头进行灭菌时，应掌握在121℃下维持20min以上。另外，在外科器材灭菌中，常以有代表性的产芽孢菌——破伤风梭菌(C. tetani)和产气荚膜梭菌(C. perfringens)这两种严重致病菌的芽孢耐热性作为灭菌程度的依据，即要在121℃灭菌10min或115℃下灭菌30min才可。在实验室尤其在发酵工业中，灭菌要求更高。原因是在自然界经常会遇到耐热性最强的嗜热脂肪芽孢杆菌(Bacillus stearothermophilus)的污染，而一旦遭其
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污染，则经济损失和间接后果就十分严重。已知其芽孢在121℃下须维持12min才能杀死，由此就规定了工业培养基和发酵设备的灭菌至少要在121℃下保证维持15min以上。若用热空气进行干热灭菌，则芽孢的耐热性更高，因此，就规定干热灭菌的温度为150～160℃下维持1～2h。
（7）伴孢晶体（parasporal crystal）
少数芽孢杆菌，例如苏云金芽孢杆菌(Bacillus thuringiensis)在其形成芽孢的同时，会在芽孢旁形成一颗菱形或双锥形的碱溶性蛋白晶体——δ内毒素，称为伴孢晶体。它的干重可达芽孢囊重的30%左右，由18种氨基酸组成。由于伴孢晶体对200多种昆虫尤其是鳞翅目的幼虫有毒杀作用，因而可将这类产伴孢晶体的细菌制成有利于环境保护的生物农药——细菌杀虫剂。苏云金芽孢杆菌除产生上述毒素外，有的还会产生3种外毒素（α、β、γ）和其他杀虫毒素。
（8）细菌的其他休眠构造
细菌的休眠构造除上述的芽孢外，还有孢囊（cyst，由固氮菌产生）、粘液孢子（myxospore，由粘球菌产生）、蛭孢囊(bdellocyst，由蛭弧菌产生)和外生孢子(exospore,由嗜甲基细菌和红微菌产生)，等等。孢囊是固氮菌(Azotobacter)尤其是棕色固氮菌（A.vinelandii）等少数细菌在缺乏营养的条件下，由营养细胞的外壁加厚、细胞失水而形成的一种抗干旱但不抗热的圆形休眠体，一个营养细胞仅形成一个孢囊，因此与芽孢一样，也没有繁殖功能。孢囊在适宜的外界条件下，可发芽和重新进行营养生长。有关孢囊的特性及其与芽孢的比较可见表3-4。
表3-4 芽孢与孢囊的比较 特 点 形成方式 外壁层次 外壁成分 抗 性 贮 藏 物 代 表 菌 三、细胞质膜
真核生物的细胞都有细胞质膜的构造。对没有细胞壁的真核细胞来说，细胞质膜就是它的外部屏障。真核细胞与原核细胞在其质膜的构造和功能上十分相似，两者的主要差别用如表3-7。
表3-7 真核生物与原核生物细胞质膜的差别
项 目 甾醇 原 核 生 物 真 核 生 物 芽 孢 孢 囊 在细胞内浓缩后再外包 整个细胞变圆、外层加厚 4层以上 +3层左右 -蛋白质、肽聚糖（近G磷脂、脂多糖（近G菌） 菌） 强，抗热、辐射及药物抗干旱，稍抗热及紫等 外线 无特殊贮藏物 有PHB贮藏 芽孢杆菌属，梭菌属 固氮菌属，粘细菌等 无（枝原体例外） 有（胆甾醇、麦角甾醇等） 磷酯酰胆碱和磷酯酰乙醇胺等 磷脂种类 磷酯酰甘油和磷酯酰乙醇胺等
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脂肪酸种类 直链或分枝、饱和或不饱和脂肪酸；每一磷脂分子常含饱和和不饱和脂肪酸各一 糖脂 无 高等真菌：含偶数碳原子的饱和或不饱和脂肪酸 低等真菌：含奇数碳原子的多不饱和脂肪酸 有（具有细胞间识别受体功能） 无 无 有 电子传递链 有 基团转移运有 输 胞吞作用 无 **endocytosis，包括吞噬作用(phagocytosis)和胞饮作用(pinocytosis) 四、细胞核
细胞核(nucleus)是细胞内遗传信息（DNA）的储存、复制和转录的主要场所，外形为球状或椭圆体状。一切真核生物都有形态完整、有核膜包裹的细胞核，它对细胞的生长、发育、繁殖和遗传、变异等起着决定性的作用。每个细胞通常只含一个核，有的含两至多个，例如须霉属(Phycomyces)和青霉属(Penicillium)的真菌，有时每个细胞内竟含20～30个核，占了细胞总体积的20%～25%，而在真菌的菌丝顶端细胞中，常常找不到细胞核。真核生物的细胞核由核被膜、染色质、核仁和核基质等构成。
1、核被膜(nuclear envelope)
是包在细胞核外、由核膜和核纤层(nuclear lamina)两部分所组成的外被，其上有许多核孔。其中的核膜由两层厚度约7～8nm的膜组成，两膜间夹着宽约10～50nm的空间，称核周间隙(perinuclear space)。核纤层位于核膜内侧，成分为核纤层蛋白(lamin)，厚度随细胞种类而异。核孔(nuclear pores)的数目很多，是细胞核与细胞质间进行物质交流的选择性通道。
2、染色质(chromatin)
当细胞处于分裂间期时，细胞内由DNA、组蛋白、其他蛋白和少量RNA组成的一种线形复合构造，其基本单位是核小体(nucleosomes)。因可被苏木精等碱性染料染色，故名染色质。在光学显微镜下观察染色后的染色质，可发现一种由或粗或细的长丝交织成的网状物，称为常染色质(euchromatin)，另外还可见到由常染色质紧缩而成的较粗大、染色较深、常附着在核被膜内侧的团块，称为异染色质(heterochromatin)。染色质中的蛋白质有组蛋白和非组蛋白两类。组蛋白富含碱性氨基酸，如赖氨酸和精氨酸，故是碱性蛋白质，易与带负电荷（磷酸基团）的DNA相结合。在染色质中，组蛋白与DNA的含量大致相等。已知构成核小体核心结构的组蛋白八聚体是由
分子各一对所组成，在八聚体外有以左手方向盘绕两周（约
200bp）的DNA，另有一个组蛋白分子H1与连接DNA（linker DNA）结合，锁住了核小体的进出
口，以稳定它的结构。染色质中的非组蛋白部分包括一些与DNA的复制和转录有关的酶，如DNA聚合酶和RNA聚合酶等。有关核小体的构造及其上的DNA盘绕方式见图3-25。
当细胞进行有丝分裂或减数分裂时，染色质丝经盘绕、折叠、浓缩后，变成在光学显微镜下可见的棒状结构即染色体(chromosome)。这一过程较为复杂，目前还不十分明了。主要是先折叠成外径约30nm、内径10nm、螺距11nm的中空螺线管(solenoid)，每周螺线由6个核小体组成，由螺线管进一步折叠成许多超螺旋环后，最终浓缩成染色体。这样，原先极长的染色质经过4～5级的折叠、压缩，终于变成长度仅约原来万分之一的染色体。在真菌的细胞核中，染色体的形状较小，故不易染色和鉴别。根据遗传学分析法的测定，构巢曲霉(Aspergillus nidulans)的n=8，粗糙脉孢菌(Neurospora crassa)为7，酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)为17，双孢磨菇(Agaricus bisporus)为13，里氏木霉(Trichoderma reesei)为6，等等，并
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