Лекция 2. Вегетативное тело грибов

Имеется три основных группы эукариотических организмов: Растения, Животные, Грибы. Последние — это осмотрофы, питающиеся всей своей поверхностью. Поэтому в этой группе, как и в случае растений, желательно, чтобы соотношение поверхность/объем было по возможности в пользу поверхности.

Часто встречаются вторично упрощенные тела, например, дрожжи.

Самые морфологически примитивные формы — одноклеточные, типа видов Olpidium из хитридиомицетов.

Порой встречается ризомицелий - тонкие нити, напоминающие мицелий, но не имеющие собственных ядер.

Бывают моноцентрические формы ризомицелия (напр., Polуphagus euglenae, питающийся эвгленами: бывшие зооспоры превращаются в клетки —центры, от которых отходят ризомицелиальные нити, достигающие живых эвглен и убивающие их).

Бывают и полицентрические формы ризомицелия. Характерно развитие отдельных участков, формирование при этом клеточных расширений, которые содержат отдельные ядра. Так, например, происходит у Physoderma maydis.

Большинство грибов – где-то 90 % - это мицелиальные грибы. Остальные встречаются значительно реже. Среди них могут быть дрожжи – это вторично упрощенные формы. В принципе, мицелий – это система, характерная для грибов (μύκης - гриб), сложенная из нитей - гиф¹. Из них формируется ложная ткань - плектенхима.

Мицелий у грибов растет апикально. Структурная единица мицелия – это гифа. Диаметр и длина гиф различна. У многих 2-4 мкм или несколько более, у мукоровых – до 30 мкм и более (у некоторых оомицетов до 100 мкм). Иногда центральная гифа наиболее толстая, от нее отходят веточки, как это бывает у корней деревьев. Мицелий может частично отмирать, из тех клеток, которые остались живыми, могут формироваться новые гифы. Так, например у Botrytis cinerea внутри мертвой гифы формируется новая, которая дает наружу спороношения. Гифы покрыты прочной клеточной стенкой. Всасывание растворенных веществ из почвы происходит всей поверхностью. Окраска гиф обусловлена наличием пигментов, пигментацией клеточной стенки.

Выделяют два типа мицелия.

1. Клеточный с перегородками (септами), разделяющими части гифы, и

2. Неклеточный, или ценоцитный, у которого таких перегородок нет, и внешне он напоминает таллом Vaucheria, только без хлоропластов.

Видоизменения мицелия

Гаустории могут внешне выглядеть достаточно по-разному. Формируется данная структура для питания у биотрофных грибов и микоидов, например, у пероноспоровых, у микобионтов лишайников.

Другое видоизменение – это гифоподий - структура, которая формируется у грибов, обитающих на листьях, для питания листовыми выделениями.

Ризоиды и столоны образуются, например, у Rhizopus и Absidia. Ризоиды — специальные обильно ветвящиеся гифы, служащие для прикрепления мицелия (они «заякоривают» мицелий). Столоны — гифы разной длины, «перебрасывающие» таллом от одного пучка ризоидов к другому (наподобие «усов» земляники). У Rhizopus пучки конидиеносцев отходят от мест прикрепления мицелия, т.е. вместе с ризоидами. У Absidia они отходят примерно от середины столона.

Также к видоизменениям мицелия относятся структуры грибов везикулярно-арбускуляной микоризы. Везикул — расширение мицелия. Арбускул – это как бы "гаусторий наоборот". Растение часто переваривает арбускулы. Но всё это – темы отдельных лекций.

Ловчие структуры хищных грибов. Имеется 2 основных типа: ловчие кольца и ловчие сети. В первом случае образуется вырост от гифы в виде кольца, причемтолько в присутствии потенциальной жертвы или каких-то ее веществ (например, экстракта растертых нематод). При механическом воздействии (это могут быть и совершенно абиотические факторы, например, конец иглы или ток воздуха) коцо резко сжимается, так что жертва будет захвачена. Во втором случае образуется сеть, покрытая липким веществом. Если жертва попадает в одну из ячеек этой сети, она прилипает, начинает питься и прилипает к новым ячейкам. В конце концов, она выбивается из сил и гриб проникает внутрь ее. Пример хищных грибов – виды родов Dactylella, Arthrobotrys. Вешенка устричная (Pleurotus pulmonarius) выделяет капельки жидкости, парализующей нематод. Иногда обездвиживание червей и насекомых происходит посредством механического воздействия.

Склероций – это "комплексная циста" для перенесения неблагоприятных условий. Может быть разделение на сердцевинную и коровую части. Клетки первой сохраняют жизнеспособность, а во второй клеточные стенки сильно утолщаются вплоть до полной облитерации клетки. Различают настоящий склероций, состоящий только из гиф гриба, и ложный склероций, или псевдосклероций, в состав которого могут вовлекаться другие элементы: часто видозмененные ткани растения–хозяина, как в случае гриба плодовой гнили (Monilinia fructigena) или некоторых почвенных макромицетов, образующих склероции в почве (например, Junghuhnia collabens) и воавлекающих в их образование песчинки.

Понятие о тканях. Настоящие ткани у грибов встречаются довольно редко. Как пример обычно приводят лабульбениевые грибы, у которых мицелия нет, а вегетативное тело образуется путем деления клеток в разных направлениях. Примером настоящих тканей иногда считают муральные споры, но там обычно не выражена дифференциация. Также с тангентальными делениями клеток развивается кожица некоторых плодовых тел и зачатки (примордии) некоторых плодовых тел и пикнид.

В основном же ткани ложные. Различают параплектенхиму (псевдопаренхиму) и прозоплектенхиму (псевдопрозенхиму).

Настоящей меристемы нет (если не считать, пожалуй, конца ризоморф).

Есть кроющая ложная ткань, например, кора склероциев.

Кроме того, имеются механические скелетные элементы, которые повышают прочность мицелия (напрмер, в плодовых телах трутовиков).

Проводящей системы у грибов нет, но порой бывает млечный сок у так называемых млечников (видов рода Lactarius).

Лекция 3. Размножение грибов

Это большая центральная тема данного курса. Можно выделить два аспекта:

1. Диалектическое единство наследственности и изменчивости,

2. Значение структур, связанных с размножением, в систематике.

Так, например, Линней, положив в основу своей системы именно размножение, создал достаточно приемлемую естественную систему, которая отчсасти и до сих пор используется. Особенно, конечно, органы размножения важны для систематики грибов, так как мицелий у всех очень сходен. Даже у «низших грибов», например, Зигомицетов, иногда попадаются септы, считающиеся, в целом, атрибутом «высших грибов». Таким образом, даже «низшие» и «высшие» грибы трудно отличить друг от друга при отсутствии репродуктивных структур. Иногда можно, конечно, отличить крупные группы грибов по составу и ультраструктуре клеточной стенки, но не каждый же раз пользоваться сложными биохимическими методами и сканирующим электронным микроскопом! И всё равно подобная идентификация часто позволяет определить лишь таксон высокого ранга (например, отдел). Кроме того, гаустории у многих грибов достаточно похожи, а между тем они часто относятся к различным царствам.

Репродуктивные структуры возникают в благоприятное время. Чем сложнее организм, тем он долговечнее и тем более приспособлен к различным условиям. При этом надо сохранять жизнеспособность во всех данных условиях, а репродуктивные структуры могут образовываться лишь в хороших условиях. А потому значительно меньше стимулов к их изменению и как следствие они являются более показательными в плане классификации.

Существует три основных типа размножения (данная система принята, напр., в МГУ):

• вегетативное размножение

• бесполое размножение (споровое)

• половое размножение

С половым размножением в принципе всё ясно, но у грибов часто возникают некоторые трудности, так как должны быть гаметы или что-то, соответствующее половым клеткам. Кроме того, должен быть мейоз с делением ядра и уменьшением числа хромосом с диплоидного до гаплоидного. При этом должны проходить плазмогамия, кариогамия и мейоз. Логично было бы предположить, что всё, что есть не половое размножение – это бесполое. Однако традиционно принято трактовать так, что бесполое размножение – это то, которое происходит посредством спор. Грань между вегетативным и бесполым размножением у грибов, в отличие от водорослей, не всегда четкая.

Сначала рассмотрим вегетативное размножение грибов. Мицелий является очень хорошей регенерируемой структурой. Даже небольшой участок может давать новый мицелий. В природе, в агроценозах, в основном, только вегетативно размножаются такие патогены, как виды рода Rhizoctonia. Это анаморфы афиллофороидных видов, в основном, встречающиеся в виде мицелия. При вспашке земли гифы рвутся плугом и, таким образом, возникает два новых организма. Шампиньон (Agaricus bisporus), занимающий одно из первых мест по выращиванию культивируемых грибов, может размножаться вегетативно не только частями недифференцированного мицелия, но и кусочками ножки или шляпки. Это широко используется на практике, т.к. базидиоспоры имеют рекомбинантный набор генов и часто теряют какие-либо желательные для нас свойства, а при вегетативном размножении происходит клонирование без изменения генотипа. Поэтому такая особенность для нас очень важна. Многие грибы в культуре утрачивают свои репродуктивные структуры, поэтому их размножают тогда только вегетативно.

Другой вариант вегетативного размножения – это почкование или деление дрожжей. Остальные же случаи достаточно спорны. Например, бывает, что мицелий сам себя фрагментирует, и при этом каждый отдельный фрагмент в итоге формирует спору и может развиться в новый организм. Таким образом, фрагмент, который раньше был мицелием, служит для размножения, однако внешне это выглядит как цепочка спор, похожая на Aspergillus. Однако у Aspergillus данная структура формируется de novo, а в данном случае нет. Вообще же всякая экзогенная спора, формирующаяся вне вместилища, называется конидия, в данном случае их называют артроконидии, или артроспоры (раньше еще называли «оидии»). Однако при этом происходит наследование оболочки, т.е. этот случай является достаточно спорным, т.к. непонятно, бесполое это или вегетативное размножение.

То же самое касается и хламидоспор. Это достаточно общее название. Хламидоспоры могут быть правильной или неправильной формы. Последние называются геммы. При формировании хламидоспоры обособляется отдельная клетка из ранее существующего мицелия. Это чем-то напоминает акинеты или цисты водорослей. Хламидоспоры есть как у настоящих грибов, так и у оомицетов. Хламидоспоры входят в цикл Головневых грибов, и там представляют собой устоспоры, или головневые споры, которые еще называют телиоспорами (по аналогии с таковыми у ржавчинных грибов).

Также бывают алевриоспоры, или алевриоконидии. Они обособляются так же, как настоящие конидии, но при этом формируются как хламидоспоры, только на концах гиф. По типу образования, таким образом, они представляют собой хламидоспоры. В этом случае также не представляется возможным олднозначно заключить, какой тип размножения они представляют.

Бесполое (споровое) размножение грибов.

Существует два основных варианта спор: эндогенные, возникающие в соответствующих вместилищах (спорангиях в широком смысле), и экзогенные, которые образуются вне вместилищ. У водорослей последние, если не счтать некоторых синезеленых, отсутствуют.

Первый тип – эндогенные споры – у грибов встречается сравнительно редко, что и вполне объяснимо наземным образом жизни подавляющего их большинства (дальше это будет рассмотрено подробнее).

Различают:

• зооспоры – подвижны, формируются внутри зооспорангиев,

• спорангиоспоры – неподвижны, формируются в спорангиях.

Правда, второе название неудачно, так как зооспорангий — частный случай спорангия вообще.

У всех трех основных групп эукариот – Животных, Растений, Грибов – наблюдается, в целом, переход от обитания в водной среде к обитанию в наземной среде. На суше эндогенное размножение невыгодно, а потому споры наибольшего количества грибов экзогенны. У примитивных грибов присутствуют зооспорангии, в которых формируются зооспоры, например, у Chytridium.

У микоидов (в частности, Оомицетов) тоже есть зооспоры разного типа. Также они есть среди Хитридиомицетов. Здесь жгутик один, направленный назад по ходу движения, но у представителей порядка Neоcallimasticales число жгутиков у зооспор может достигать 10 и более.

Детали строения зооспор в настоящее время – основной критерий в систематике хитридиомицетов. До этого их классифицировали, в основном, по внешним признакам: по ризомицелию, по половым признакам, таким, как крышечка на спорангии, но недавно сделали новую хорошо разработанную систему, которая делит данную группу на порядки, и она основана на изучении ультраструктуры зооспор, и данная система достаточно не плоха.

У Оомицетов тоже имеются, как уже было сказано, зооспоры, они подвижны, перемещаются за счет жгутиков, одинаковых боковых либо верхушечных, гетероконтных. Оомицеты интересны тем, что в данной группе прослеживается переход от подвижного способа размножения к неподвижному.

Для начала рассмотрим порядок Saprolegniales. В целом, для него характерны зооспорангии, которые могут пролиферировать различным образом, например, внутрь предыдущего зооспорангия (как у Saprolegnia) или рядом с ним (как у Achlya). Особенно интересны зооспоры сапролегнии: у них имеется дипланетизм и диморфизм. Первый заключается в том, что зооспоры способны инцистироваться и снова после этого «вылупляться», и такой процесс может происходить неоднократно, что носит название полипланетизма. Это способствует выживанию зооспор, так как они весьма нежные и недолговечные. Диморфизм же заключается в том, что споры меняют расположение жгутиков. Когда они выходят из зооспорангия, жгутики у них расположены на переднем конце клетки, как например, у Dunaliella. Затем после инцистирования происходит изменение ориентации жгутиков, и они становятся боковыми, как у Бурых водорослей. Обычно, в отличие от Saprolegnia, представлена только какая-то одна стадия. Так, у Achlya зооспоры со жгутиками на переднем конце (грушевидные), выйдя из зоомспорангия, сразу же одеваются оболочками, образуя скопление цист у отверстия зооспорангия. У видов Dictyuchus зооспоры (почковидные) одеваются оболочкой еще в зооспорангиях, в которых возникают отверстия, и каждая зооспора выходит через свое «персональное» отверстие, а ее пустая оболочка останется внутри спорангия, эти пустые оболочки образуют сеточки, почему такие зооспорангии называют еще «сетчатыми». У рода Aplanеs стадия зооспор полностью подавлена. Зооспоры здесь сразу прорастают гифами, выходящими наружу через стенку зооспорангия.

Далее стоит рассмотреть порядок Peronosporales. Зооспора здесь выходит уже сразу с боковыми жгутиками, у них нет диморфизма и хорошо прослеживается возможная эволюция бесполых спороношений в связи с переходом от водного к наземному образу жизни.

Генеральная линия эволюции порядка Peronosporales отображена на рисунке (Рисунок) Так, у видов рода Pythium, в основном, встречающихся в водных условиях, возникают зооспорангии, формирующие до 10 зооспор. Один вид из рода Pythium —P. debarуanum в широком смысле слова (сейчас он считается группой родственных видов) — имеет различную экологию, представляя собой своего рода «амфибию», т.е. встречаясь и в водных, и в наземных усдловиях (а также переходных, например, в водной пене). Здесь спорангий отрывается целиком и в благоприятных условиях прорастает зооспорами (что-то похожее наблюдается у водоросли Trentepohlia). У видов Phythophthora зооспорангии не только отрываются целиком от видоизмененной части мицелия — спорангиеносца, но и могут прорастать по-разному: при низких температурах и большой влажности они могут производить зооспоры, а при достаточно высоких температурах они могут, не дифференцируясь на отдельные зооспоры, прорастать, как одна экзогенная спора (т.е. как конидия — см. дальше; иногда их так и называют).

Следующий этап – это Bremia. B. lactucaе паразитирует на салате-латуке. Она формирует спорангиеносцы, которые заканчиваются как бы «ладошкой», на которой в качестве «пальцев» выступают зооспорангии, которые, однако, зооспорами никогда не прорастают, так что и по способу распространения они представляют собой конидии. Однако прорастают они только из того места, где у их предков выходили зооспоры.

Следующий функционально, этап – это Peronospora. Это вершина эволюции данной группы. Наблюдается дихотомическое ветвление конидиеносцев. По происхождению это всё те же зооспорангии, но функционально это только конидии. Прорастать могут в любом месте, может происходить прорастание одновременно в двух местах.

Поэтому в случае Peronosporales чаще говорят не о спорангиеносцах, а о конидиеносцах.

Другую ветвь эволюции представляет род Albugo — единственный род семейства Albuginaceae. В порядке Peronosporales это как бы отклоняющаяся ветвь. A. candida – возбудитель т.н. «белой ржавчины». Встречается на крестоцветных в качестве паразита. Образует целые цепочки спорангиев и при увеличении числа клеток происходит разрыв эпидермиса, отчего возникающая структура напоминает эций у Ржавчинных (откуда и название соответствующей болезни). Здесь всегда сохраняется прорастание зооспорами.

Классический пример грибов со спорангиями, формирующими неподвижные спорангиоспоры, – это Мукоровые, относящиеся к Зигомицетам. «Мucor»² означает «влажный», «мокрый». Спорангиоспоры с толстой оболочкой. А. Милько, работавший в Киеве, а потом в Борке и изучавший Мукоровые, предлагает другую терминологию. Так, например, для Мортиереллы он предлагает по-прежнему использовать термин “спорангий”, а для мукора, у которого имеется колонка и окружающие ее споры, он предлагает термин “стилоспорангий”. У некоторых представителей рода Phycomyces встречается до 80 тыс. спор в спорангии. У Mucor значительно меньше. Для Мукоровых вариант с большим количеством спор нерационален, поэтому у них образуются малоспоровые спорангии, называемые спорангиолями, и постепенно формируются конидии. Следующий эволюционно более продвинутый порядок - это Entomophthorales. У него уже присутствуют только конидии.

Таким образом, генеральная линия эволюции представляется следующей:

спорангий  спорангиоли (число спор в спорангии снижается)  конидии (односпоровый спорангий)

Возникает следующий вопрос: Зачем? Невыгодность зооспор в воздушной среде очевидна, так как наличие зооспор подразумевает наличие капельно-жидкой воды. В случае же спорангев дело в том, что они развиваются по признаку «всё или ничего». Если они развились и дозрели, то высвободили сразу все споры. Поэтому в более стабильной водной среде это более безопасно, так как и температуры, и питательные вещества, и токсичные продукты, и уж тем более сама вода – всё это распределяется более равномерно, и представляются не столь лимитирующими факторами. В случае же наземной среды для Mucor возможна, например, следующая ситуация: во влажных условиях при невысокой температуре утром, при росе, начинают формироваться спорангии. Затем внезапно днем выходит солнце, температура поднимается, влажность падает, в результате чего мицелий сохраняется, а достаточно нежное спороношение погибает. Поэтому в наземных условиях более целесообразно образовывать споры не сразу, а последовательно. Эволюция совершенно не обязательно происходила так, как ее здесь часто трактуют, но такие эволюционные пути вполне возможны. Один из возможных путей следующий (правда, А.А. Милько его отрицает). У представителей рода Thamnidium имеются на одной оси терминальный спорангий и боковые ответвления со спорангиолями, а у представителей рода Chaetocladium, которые внешне напоминают Thamnidium, спорангии уже не формируются, вместо них остается щетинка. А по боковым ответвлениям располагаются одноклеточные спорангиоли, которые функционально представляют собой конидии.

Другой пример – это Blakeslea trispora. Это промышленно важный гриб – продуцент каротина и прочих продуктов. Он формирует спорангии со спорангиоспорами, похожие на спорангии мукора, но, кроме того, образует трехспоровые спорангиоли на общем вздутии (откуда видовое название).

У Cunninghamella уже нет спор, таких, как у мукора, а на общем шаровыаидном вздутии образуются односпоровые спорангиоли —функционально это уже конидии.

У Piptocephalis, который представляет собой адельфопаразита, растущего на других Мукоровых грибах, уже есть мероспорангий. Это длинный спорангий, споры в котором расположены в один ряд и который при созревании делится на односпоровые фрагменты, что похоже на стручок редьки. Результат – опять же функционально конидии.

У всех более высоко организованных грибов, таких, как аско - и базидиомицеты, все структуры представлены конидиями. Существует лишь один пример аскомицета со спорангиями. Классический пример конидиеносцев и конидий – это Penicillium, и в отличие от Оомицетов и Мукоровых грибов, конидии образуются de novo, от специальных мест (конидиогенных локусов) на видоизмененных частях мицелия (конидиеносцах), которые могут располагаться поодиночке, группироваться в пучки или палисадные слои или находиться внутри специальных вместилищ. Бывают конидиогенные локусы непосредственно на мицелии. В целом, конидии чаще встречаются у Аскомицетов, чем у Базидиомицетов, но у последних они тоже встречаются.

У Аскомицетов виден «антагонизм» между половым и бесполым размножением. Здесь есть два пути эволюции. Первый – это путь усовершенствования полового размножения, второй – бесполого. В то время, как Базидиомицеты реализуют первое, многие Аскомицеты реализуют второе, что доводит их до состояния несовершенных грибов, у которых начисто отсутствует половое размножение (или встречается редко и/или в другое время). Так, например, Penicillium уже классифицируется исключительно по конидиеносцам.

Группировки конидиеносцев.

Коремия (или коремий), что значит веник или пучок, с названием связана соответствующая структура. Может встречаться т.н. ложе – палисадный слой различного облика. Бывает слизистое ложе, которое называется пионнота, и сухие скопления конидиеносцев, которые называются спородохии. Кроме этих структур, также бывают одно- и многоклеточные вместилища, одним из примеров вместилища может служить пикнида (пикнидий).

Ранее сами споры классифицировались по внешнему виду. Это было формальной классификацией. По структуре диагностировать их достаточно хорошо. Долгое время так и делали. Например, один из известных авторов, Саккардо, предложил следующую классификацию:

• по цвету: бесцветные (гиалиновые) – гиалоспоры, и окрашенные – феоспоры;

• по форме: сфероспора, амероспора, аллантоспора, дидимоспора (двуклеточная), фрагмоспоры (более двух клеток), диктиоспоры ( то же самое, что муральные), сколекоспоры (длинные палочковидные, часто распадающиеся на фрагменты), геликоспоры (представляют собой «пружину», формируя внутри себя полость).

Это первый тип классификации. Второй тип классификации пытается отразить реальные эволюционные отношения. Его предложил в 1953 году Тубаки, сделав акцент на способ образования конидий.

1. Конидии выдавливаются из соответствующей спорогенной клетки. Это фиалоспоры (фиалоконидии), образуются из фиалид.

2. Конидии образуются посредством рубцов. Это аннелоконидии, образующиеся на аннелидах.

3. Бластоспоры, которые отделяются от спорогенной структуры простой перетяжкой.