酿酒酵母的繁殖

Biology I
 

Summary

酿酒酵母是酵母菌的一个种属,它是一种非常有价值的模式生物。尤为重要的是,酿酒酵母这个单细胞真核生物有着很多与人类同样的生物进程。本短片将介绍酵母的细胞周期,并解释酿酒酵母如何采用有性和无性生殖方式进行繁殖。酵母的无性生殖方式被称为芽殖。 此外,酵母有时会采用有性生殖方式,这对提高它的种群的基因多样性及其重要。当处于极端环境条件下,酵母会通过减数分裂产生单倍体孢子,当环境改善时再释放出来。有性生殖过程中,这些单倍体孢子融合,最终形成二倍体接合子。在实验室里,可以对酵母进行遗传操作, 来了解细胞周期,繁殖,衰老和发育中的基因调控。 因此,科学家们通过研究酵母的繁殖可以更进一步探悉对人类重要的生物进程。

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JoVE Science Education Database. 模式生物I:酵母,果蝇和秀丽线虫. 酿酒酵母的繁殖. JoVE, Cambridge, MA, (2017).

尽管只是简单的单细胞真核生物,酿酒酵母同样具有同高等真核生物类似的细胞周期以及其它的细胞进程。因此酿酒酵母是生物学研究的重要模式生物。在酵母的细胞周期中,细胞生长和分裂是紧密关联的,并且受诸多因素,如营养物浓度的调控。受外界环境的刺激, 酵母可以选择进行无性或有性生殖产生新的细胞。本短片将给大家介绍酵母细胞周期以及酿酒酵母不同生殖方式。

首先快速重温一下关于细胞周期的知识。细胞周期由分裂间期和有丝分裂期,也称M期构成。分裂间期可进一步细分为G1期,S期和 G2期。众所周知,有丝分裂是细胞分裂的重要环节。酵母除了能进行有丝分裂外,还能通过其特有的无性生殖进行不对称地分裂, 也称芽殖。

在G1期,细胞通过起始点准备进入细胞周期。芽体出现在S期,并在接下来的包括有丝分裂期的细胞周期中不断生长。当胞质分裂完成后,因为胞质的不对称分裂会产生一个较小的子细胞。完成出芽的母细胞在其细胞分裂的部位会出现明显的疤痕。这个特征可用于科学研究, 通过荧光标记酵母细胞壁的成分几丁质,科学家可以来鉴定酵母细胞出芽的方式以及估算酵母细胞分裂了多少代数。

在营养充足的条件下,新生成的细胞会在G1期持续生长,直到条件成熟, 达到细胞周期检查点,也称起始点。一旦细胞通过起始点他们将进入细胞周期剩下的环节并再次进行分裂。若没有达到检查点, 酵母则通过减数分裂和有性生殖繁殖后代。

为什么像酵母这样的单细胞真核生物需要有性生殖呢?

正如大家已经知道的,有性生殖可以提高种群的多样性,有利于种群的繁衍。

发生交配的酵母是单倍体,和卵细胞或精子细胞一样,只有单拷贝的基因组。单倍体酵母有两种交配型, a型和α型,他们和二倍体一样也可出芽和进行无性繁殖。

不同交配型细胞分泌不同的交配因子。a 细胞分泌a 因子,α细胞分泌α因子。交配因子被相反交配型的细胞捕捉到后,会刺激这些酵母单倍体伸长变形而进入被称为shmoo的交配前期的特定形态。

在这个阶段,两个单倍体朝彼此继续伸长靠近,直到发生细胞接触。然后是细胞质融合,细胞核融合,形成接合子。新生的接合子然后重新进入有丝分裂细胞周期,产生其第一代的二倍芽体。接合子呈哑铃形,有的带芽,有的不带芽。

你也许会奇怪单倍体是从哪里来的。答案很简单:减数分裂。你可能已经知道:在染色体复制后,减数分裂生成的子细胞将携带母体一半的染色体。当酵母在承受环境压力的时候,会发生一种叫做产孢的减数分裂。

在产孢过程中,每种交配型细胞产生的单倍体孢子都被包裹在一个叫囊的硬膜结构中,如这里的黄色圆圈所示。当环境条件改善时,孢子从囊中释放。然后他们进一步发育成交配型a或交配型α 单倍体细胞,并再次进入有性生殖周期。

现在你们熟悉了酵母的繁殖方式,接下来让我们看一下酵母的这些特性怎样被运用到研究中去。

对酵母繁殖的了解在很多遗传实验中都很关键,如构建含多个突变的酵母菌株。在这个视频中,你们看到的是将两种不同交配型的单倍体菌株,a型和α型,混合涂板到琼脂平板上,并继续孵育使得它们交配生成二倍体。然后影印平板到只允许二倍体生长的选择性培养基上。获得的二倍体在营养缺陷的培养基中发生产孢,用显微操作分离得到单倍体孢子,将获得的单倍体孢子排列接种到琼脂平板上。单倍体的基因型可以通过PCR或选择性培养基来确认。

酵母细胞的复制寿命可以用来研究衰老。复制寿命是细胞在其生命周期中经历的出芽次数。一个酵母细胞一生可以产生30个左右的芽。这里你们看到的是用显微操作仪将子细胞从母细胞分离,用于分析酵母细胞的寿命。复制寿命实验的原始数据是一组含不同年龄点的母细胞所产生的子细胞数目的列表。

芽殖酵母还可用于研究细胞形态变化在细胞进程中的作用,如对蛋白质浓度的影响。这里你们看到的是如何准备细胞在显微镜下观察特定的表型缺陷。在这段延时视频中观察到多芽体的出现,说明细胞不能彼此分开,提示了在细胞分裂中出现了缺陷。

您刚观看的是JoVE关于酿酒酵母繁殖的简介。在这个短片中,我们讨论了酵母细胞周期以及它的无性和有性生殖生命周期。 感谢观看,不要忘了告诉您的伙伴!

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