РОСТ МИКРОСКОПИЧЕСКИХ ГРИБОВ НА ПИТАТЕЛЬНЫХ СРЕДАХ: ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ

Особенности роста колоний микроскопических грибов, как правило, изучают на твердых питательных средах. В таких колониях мицелий развивается из споры, при прорастании которой образуется одна или несколько ростовых трубок.

Для определенных видов грибов характерны свои скорости роста, вытягивания и ветвления гиф, потребления субстрата, накопления продуктов обмена и старения мицелия, что в конечном итоге определяет облик развивающихся на твердых средах колоний микроскопических грибов.

Лаг-фаза - первая стадия развития грибной колонии. Эта фаза определяется нахождением спор грибов в состоянии покоя. Различают два типа покоя спор: конститутивный и экзогенный. Конститутивный покой поддерживается благодаря свойствам, присущим самим спорам: морфологическим особенностям спор - созданию за счет строения клеточной стенки и формы эндоплазматического ретикулума естественных барьеров для проникновения кислорода, воды, питательных веществ, метаболитов внутрь споры, благодаря химическому составу содержимого спор, например, низкому содержанию воды, но высоким концентрациям таких веществ как карбогидраты, фосфолипиды, жирные кислоты, спирты, свободные аминокислоты и др., а также за счет замедленной метаболической активности, например, из-за дефицита ферментов, входящих в электронно-транспортную цепь митохондрий, присутствию самоингибиторов прорастания спор и т.д.

Экзогенный покой определяется присутствием неблагоприятных для прорастания спор химических и физических факторов окружающей среды, например, уровней влажности, питательных веществ, кислорода, углекислоты, температуры, освещения, высоких доз загрязнителей, антагонистического воздействия других микроорганизмов, выделения самоингибиторов роста и т.д. [Иванушкина, Мирчинк, 1984, 1988; Шелохович и др., 1991; Van Etten et al., 1983; Saad, 1992; Dereuetal., 1995; Aroraet al., 1996; Oduoret al., 1996; Vidal etal., 1997].

Основное различие между конститутивно и экзогенно покоящимися спорами грибов проявляется в необходимости специальной активации дая инициации прорастания первых, в то время как для вторых достаточно поместить споры в благоприятные для роста данного вида гриба условия среды. Обычно это наличие определенного уровня влажности, температуры, содержания питательных веществ, в первую очередь, сахаров и аминокислот, а также кислорода и т.д.

Стимуляторами прорастания конститутивно покоящихся спор может быть воздействие высоких или низких температур, обработка химическими реагентами, внесение питательных веществ, низких концентраций тяжелых металлов, воздействие света и т.д. [Мирчинк, 1988; Феофилова и др., 1991; Furch, 1981; Benlioglu, Delen, 1996; и др.]. Стимулирование прорастания спор одних грибов может наблюдаться в присутствии покоящихся структур других видов [Mischke, Adams, 1996]. Предполагают, что многие вещества, стимулирующие прорастание спор грибов, действуют как катализаторы, либо инактивируют имеющиеся в споре естественные ингибиторы. Иногда споры прорастают в результате аутоактивации веществами, продуцируемыми самими спорами с возрастом или при высокой плотности споровой суспензии [Van Etten et al., 1983]. Так что длительность лаг-фазы определяется не только составом питательной среды, но также количеством и возрастом посевного материала.

При активации спор грибов происходят множественные биохимические, цитологические и морфологические изменения: нарушается проницаемость клеточной стенки спор, начинают активно поступать внутрь вода, питательные вещества, возрастает содержание продуктов обмена. Спора набухает, увеличивается в размерах, идет активный синтез аминокислот, белков, компонентов цитоплазмы и клеточной стенки грибов. Намечается полярный центр роста и из споры развивается ростовая трубка.

Дальше начинается стадия развития мицелия - наиболее функционально значимая стадия жизненного цикла грибов в наземных экосистемах, особенно в почвах [Звягинцев, 1987; Lynch, 1988; Rayner et al., 1999].

Ростковая трубка, развивающаяся из споры, растет преимущественно за счет ее внутренних резервов. Далее следует фаза экспоненциального роста гриба, в которой грибная микроколония находится в условиях сбалансированного роста: все необходимые питательные вещества пока еще присутствуют в достаточных количествах, развитие грибной колонии не тормозится ингибирующими продуктами обмена веществ [Паников, 1991; Prosser, 1993; Trinci et al., 1994].

Экспоненциальный рост определяется выражением: In X = pmaxt+lnX0, где jLtmax - максимальная удельная скорость роста, величина постоянная в этой фазе. Она представляет собой одну из наиболее важных кинетических характеристик, описывающих развитие грибов.

Рост колоний грибов происходит за счет удлинения гиф и ветвления мицелия. Число клеток в гифах при этом возрастает за счет деления апикальных клеток. Гифы в краевой зоне колонии распространяются с постоянной линейной скоростью удлинения. При этом нарастание общей длины мицелия и биомассы в колонии продолжает происходить экспоненциально с постоянной скоростью jumax за счет экспоненциального образования новых ветвей [Prosser, 1993; Trinci, et al., 1994].

Экспоненциальное увеличение длины гиф не может продолжаться не- ограничено долго, в дальнейшем происходит исчерпание питательных веществ, накопление токсичных метаболитов и развитие гриба переходит в фазу замедления роста.

Скорость радиального роста у разных видов грибов отличается, но сравнительно постоянна для конкретных видов. Она остается таковой довольно длительный период в определенных экологических условиях (например, при определенной концентрации и качестве питательных веществ, температуре, влажности, pH и т.д.), но может меняться при их изменении [Carlile et al., 2001].

Хотя абсолютный прирост общей длины мицелия в колонии в этой фазе еще может быть велик, но в дальнейшем радиальная скорость роста мицелия начинает уменьшаться. Это вызвано изменениями условий среды - исчерпанием питательных ресурсов, накоплением продуктов жизнедеятельности гриба, изменением кислотности среды в процессе роста, нарушением кислородного баланса, накоплением АФК, ограничением пространства и т.д. [Trinci, et al., 1994; Prosser, 1993; Olsson, 1995 и др.].

При первоначальном, активном развитии мицелия происходит процесс формирования грибных колоний и его важнейшим элементом является образование ветвей. При развитии колонии от основных «родительских» гиф формируются ветви 1-го, 2-го, 3-го и т.д. порядков. Их ориентация и морфологические характеристики могут определяться стадией развития гриба и факторами среды. В экспоненциальной фазе роста ветви последующих порядков формируются перпендикулярно «родительским» гифам.

Грибная колония развивается как целостный организм и ветвление происходит сбалансировано, что, например, подтверждается обратной аогарифмической зависимостью между числом ветвей определенного порядка и номером порядка, а также связью между логарифмом средней длины ветвей и их порядковым номером [Park, 1985]. Также установлено, что количество верхушек роста в растущей грибной колонии увеличивается пропорционально общей длине мицелия в колонии. Для характеристики этой связи было предложено использовать показатель «единицы гифального роста» - ЕГР (HGU), который представляет собой отношение общей длины гиф (L) к числу верхушек роста (n) [Caldwell, Trinci, 1973].

На ранней стадии роста величина ЕГР складывается из средней длины междоузлий и среднего значения длин апикального сегмента родительских гиф и их ответвлений. При достижении линейной скорости роста величина ЕГР становится постоянной и представляет собой гифальный объем, ассоциированный с каждым ветвлением [Kotov, Reshetnikov, 1990].

В разных условиях окружающей среды грибная колония как бы «выбирает» наиболее эффективную модель ветвления. То есть, величина ЕГР зависит от факторов среды и может использоваться как показатель изменения этих условий. Это было показано, например, при разных концентрация некоторых органических и минеральных веществ в питательных средах, в присутствии низких концентраций ингибиторов и т.д. [Reeslev, Kjoller, 1995; Vercesi et al., 1997 и др.].

Инициация ветвления связана с механизмами, регулирующими толщину и скорость вытягивания гиф, удельную скорость роста гриба в определенных условиях среды. [Trinci et al., 1994 и др.].

У некоторых грибов четко прослеживается связь между образованием ветвей и образованием септ в мицелии. Как правило, ветви располагаются непосредственно перед септой.

Направление вытягивания основных гиф и их ответвлений определяйся факторами среды. Грибные гифы распространяются из областей, где Условия ухудшились: истощился запас питательных веществ, возросло Удержание вторичных метаболитов гриба, появился дефицит кислорода - в области с достаточным количеством питания, содержания кислорода, вне зоны продуктов обмена и т.д. [Prosser, 1993]. При дискретном распределении субстрата в среде грибные гифы первоначально распространяются в поисках источника питания, в разные стороны, а при обнаружении растут в его направлении [Rayner et al., 1999].

Показан и ряд иных факторов, влияющих на направление вытягивания гиф. Например, гелиотропизм [Gooday, 1995], или наличие регуляторных веществ, продуцируемых самим грибом, которые диффундируют в окружающую среду и направляют рост гиф от себя [Indermitte et al., 1994]. Продемонстрировано значение содержания влаги для развития грибных колоний, а именно, зависимость направления роста гиф в краевой зоне колоний от активности воды [Molin et al., 1992]. Одним из важнейших механизмов, регулирующих на клеточном уровне направление и скорости вытягивания гиф, является внутриклеточный градиент ионов Са2" [Prosser, 1993; Trinci et al., 1994; Gupta, Heath, 2002]

В фазе замедления роста в колонии начинают образовываться бесполые и половые спороношения. Начало этого процесса связывают с исчерпанием субстрата, дефицитом кислорода, накоплением вторичных метаболитов продуктов под более старыми частями колонии и т.д. Одновременно часто имеет место автолиз гиф, отмирание клеток, то есть начинается старение колонии. В этот период развития в колонии одновременно выделяются зоны (от центральной части к периферии), в которых грибной мицелий находится в разных фазах роста, то есть колония приобретает черты «круговой» морфологии [Prosser, 1993].

Далее наступает относительно кратковременная стационарная фаза роста гриба. В этот период активный рост прекращается, хотя грибная колония остается метаболически активной. Скорости роста мицелия в краевой зоне колонии компенсируются скоростями отмирания, лизиса клеток в центре колонии. Во внутренних зонах мицелий перестает вытягиваться, нарушается направленность роста гиф.

После стационарной фазы наступает фаза отмирания колонии. В колонии усиливаются процессы отмирания клеток, автолиза, и в результате биомасса колонии уменьшается. Закономерности процессов, протекающих в этой завершающей стадии старения колонии, до сих пор изучены в наименьшей степени.

Продолжительность каждой фазы жизненного цикла грибов определяется как их видовой специфичностью, так и экологическими факторами среды.

При изменении условий среды могут наблюдаться не только изменения длительности отдельных стадий, но и нарушение их последовательности, например, как бы «выпадение» отдельных стадий. Один из примеров этого - важное для почвенных процессов явление микроцик- лического развития, при котором мицелиальные стадии развития - не выражены, и развитие спороношений происходит на ростковых трубках. Как правило, это явление характерно для стрессовых изменений условий среды - температурных и питательных шоков [Delatorre, Cardenascota, 1996].