Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a učitelství biologie CZ.1.07/2.2.00/15.0316
CHARAKTERISTIKA HUB
CO JSOU TO HOUBY A HOUBOVÉ ORGANISMY? Výživa: heterotrofní (chybí fotosyntéza), absorptivní způsob přijímaní potravy (zřídka ingescí), výjimečně fagocytóza. Stélka: Plasmodiální, amoeboidní nebo pseudoplasmodiální ; jednobuněčná nebo vláknitá (myceliální, s přepážkami nebo bez přepážek), vyskytují se pohyblivá (zoospory) i nepohyblivá stadia Buněčná stěna: Dobře definovaná, typicky chitinózní (celulóza převažuje u Oomycota), periplast (Myxomycota). Ploidie: Eukaryotické organismy, jednojaderné i mnohojaderné, mycelium může být homothalické i heterothalické, haploidní, dikaryotické nebo diploidní (omezeného trvání) Životní cyklus: Jednoduchý až komplexní Sexualita: Nepohlavní fáze nebo pohlavní fáze; homothalické nebo heterothalické. Plodnice: Mikroskopické nebo makroskopické, nebo mohou chybět, vykazují malou diferenciaci. Prostředí: Vyskytují se všude jako saprofyté, symbionti, parazité nebo hyperparazité Rozšíření: Kosmopolitní
SYSTÉM HUB Corliss, 1994; Cavalier-Smith 1995 ŘÍŠE: PROTOZOA Amoeboidní nebo plasmodiální organismy bez buněčné stěny (nahé) v trofické fázi, schopné fagocytózy, bičíky bez mastigonemat.
Oddělení: MYXOMYCOTA Vytváří pohyblivá stádia - myxomonády, myxaméby nebo plasmodia – nemají buněčnou stěnu, pouze periplast bílkovinného původu, Plodnice (sorokarpy, sporokarpy), které obsahují výtrusy; výživa holozoická – pohlcování bakterií.
Oddělení: PLASMODIOPHOROMYCOTA Obligátní parazité řas, oomycetů a cévnatých rostlin; vytváří paraplasmodium uvnitř hostitele, výživa osmotrofní, myxaméby chybí Nedochází k tvorbě sporokarpů. Fuligo septica Slizovka tříslová
ŘÍŠE: CHROMISTA (STRAMENOPILA) Jednobuněčné nebo vláknité organismy, buněčná stěna tvořena převážně celulózou, další biochemické znaky je přibližují rostlinám; bičíky (pokud jsou přítomny) mají alespoň jeden bičík s tuhými mastigonematy; výživa absorpcí
Oddělení: LABYRINTHULOMYCOTA Oddělení : OOMYCOTA Jednobuněčné nebo mnohobuněčné organismy; hyfy nepřehrádkované; coenocytická stélka; nepohlavní rozmnožování: 2 bičíkaté zoospory; pohlavní rozmnožování: fúzí antheridia a oogonia vedoucí ke vzniku tlustostěnné oospory.
Oddělení: HYPHOCHYTRIOMYCOTA
Pseudoperonospora cubensis plíseň okurková
ŘÍŠE: FUNGI Jednobuněčné nebo vláknité organismy s buněčnou stěnou obsahující chitin, bičíky (pouze u Chytridiomycota) nemají mastigonemata; výživa je pouze absorptivní
Oddělení: CHYTRIDIOMYCOTA Jednobuněčné stélky, nebo řetízek buněk, pohlavní rozmnožování fúzí pohyblivých gamet, ale i somatogamií; nepohlavní rozmnožování: sporangia s jednobičíkatými zoosporami.
Synchytrium endobioticum Rakovinovec bramborový
Oddělení: EUMYCOTA Hyfy nebo kvasinkové formy; absence pohyblivých spor
Pododdělení: Zygomycotina Nepřehrádkované hyfy, pohlavní rozmnožování fúzí pohlavních orgánů (gametangií) vedoucí ke vzniku tlustostěnné odpočívající zygospory; nepohlavní rozmnožování: sporangia s nepohyblivými sporami.
Rhizopus nigricans Kropidlovec černavý
Pododdělení: Ascomycotina Hyfy s přehrádkami (septy) nebo kvasinkové formy; pohlavní rozmnožování: fúzí samčího anteridia nebo spermacie (pohyblivá buňka) a samičího askogonu s trichogynem vedoucí ke vzniku vřecek s askosporami; nepohlavní rozmnožování: konidie na konidioforech. Morchella esculenta Smrž obecný
Boletus edulis Hřib smrkový
Pododdělení: Basidiomycotina Hyfy s doliporovým septem nebo kvasinkové formy; nepohlavní spory se vyskytují řídce; pohlavní rozmnožování: fúzí kompatibilních hyf, vedoucí k produkci basidiospor na basidích, často na makroskopických plodnicích.
Pododdělení: Deuteromycotina Hyfy s přepážkami nebo kvasinkové formy; pohlavní rozmnožování není známo nebo chybí; nepohlavní rozmnožování: konidie tvořené různými způsoby.
Septoria apii Septorióza celeru
EKOLOGICKÉ SKUPINY HUB Houby mohou být rozděleny na základě jejich nutričních požadavků na dvě hlavní ekologické skupiny: SAPROTROFOVÉ – získávají živiny z mrtvého materiálu SYMBIONTI - získávají živiny z živých organismů a mohou být zařazeni do 2 kategorií: MUTUALISTIČTÍ SYMBIONTI - existuje zde určitý prospěch i pro houbu i pro další organismus (lichenismus, mykorrhiza). PARAZITIČTÍ SYMBIONTI – není zde žádný prospěch pro jiný organismus
MODEL VZTAHŮ MEZI RŮZNÝMI ZPŮSOBY VÝŽIVY U HOUBOVÝCH ORGANISMŮ BIOTROFOVÉ – houby musí získávat živiny z živého materiálu (rostlin, živočichů, hub) NEKROTROFOVÉ houby se vyskytují na živém materiálu, ale zabíjejí živé buňky aby mohli získat živiny (toxiny) SAPROTROFOVÉ houby živící se na odumřelém materiálu
1. OBLIGÁTNÍ BIOTROFOVÉ
Invaginace plasmalemy a následná perforace. Intracelulární penetrace pomocí haustorií Jádro napadené buňky je živé Často reagují na napadení hypersenzitivní reakcí Ektoparazité (Erysiphales), endoparazité (Peronosporales) Častá je vysoká hostitelská specializace Velmi komplikovaná nebo úplně vyloučená možnost kultivace v axenické kultuře
Příklady: Plasmodiophora brassicae (Nádorovka kapustová, Plasmodiophoromycota), Synchytrium endobioticum (Rakovinovec bramborový, Chytridiomycota), Peronosporales (nepravá padlí, Oomycota), Erysiphales (Padlí, Ascomycotina), Taphrinales (palcatky, Ascomycotina), Pucciniales (rzi, Basidiomycotina), Ustilaginales, Tilletiales (sněti, Blumeria graminis, padlí Basidiomycotina) travní
2. HEMIBIOTROFOVÉ Forma výživy mezi biotrofií a nekrotrofií Velmi omezená možnost saprotrofní výživy Možná kultivace v axenické kultuře Příklady: Venturia inaequalis (strupovitost jabloní, Ascomycotina) Phytophthora infestans (plíseň bramborová, Oomycota)
Phytophthora infestans
Venturia inaequalis
3. FAKULTATIVNĚ SAPROTROFNÍ HEMIBIOTROFOVÉ Zpočátku biotrofní, pak přecházející na nekrotrofní způsob výživy a nakonec se může vyskytovat i saprotrofní fáze Je možné je kultivovat v axenické kultuře Vysoce specifičtí parazité Často se týká výskytu 2 různých forem patogena: monokaryotické mycelium (biotrofní fáze) a dikaryotické mycelium (saprotrofní fáze)
Crinipellis perniciosa (Basidiomycotina, obligátní parazit kakaa)
4. OBLIGÁTNÍ NEKROTROFOVÉ Nekrotrofní způsob výživy, rychlá destrukce hostitelských pletiv, nemožnost přežívat jako saprotrofové Mohou přežívat v mrtvých pletivech hostitele ve formě sklerocií, rhizomorf Široké spektrum hostitelů, způsobují choroby plodů, listů, stonků, kořenů Nejsou problémy s kultivací v axenické kultuře
Sclerotinia sp. Hlízenka
Armillaria mellea, Václavka obecná
5. FAKULTATIVNĚ SAPROTROFNÍ NEKROTROFOVÉ 6. FAKULTATIVNĚ NEKROTROFNÍ SAPROTROFOVÉ Jsou schopní saprotrofní i nekrotrofní výživy Saprotrofové při kontaktu s živým hostitelským pletivem se mění na nekrotrofy Nekrotrofové po vyčerpání živin jsou schopni dlouho přežívat v saprotrofní fázi Mají široké spektrum hostitelů Není problém s jejich kultivací v axenické kultuře Příklady: Aspergillus, Penicillium (Ascomycotina) Rhizopus (Zygomycotina) Rhizoctonia, Botrytis (Deuteromycotina)
Penicillium, Aspergillus
7. OBLIGÁTNÍ SAPROTROFOVÉ Žádná schopnost nekrotrofního nebo biotrofního způsobu výživy Mohou získávat živiny rozkladem jednoduchých cukrů, ale i složitějších látek (celulóza, chitin, keratin)
Onygena equina – kaziroh koňský
Panaeolus (kropenatec) na výkalu hovězího dobytka
8. FAKULTATIVNĚ BIOTROFNÍ SAPROTROFOVÉ 9. FAKULTATIVNĚ SAPROTROFNÍ BIOTROFOVÉ V části svého života jsou schopni biotrofního způsobu výživy a v části saprotrofního způsobu výživy Často se týká výskytu 2 různých forem patogena: monokaryotické mycelium (saprotrofní fáze) a dikaryotické mycelium (biotrofní fáze) Vysoce specifičtí parazité Příklady: Hemiascomycetes Taphrinales (palcatky, Ascomycotina),
Taphrina deformans Kadeřavost listů broskvoně
HOUBY POTŘEBUJÍ PRO SVŮJ RŮST: 1. Vhodné organické substance jako je zdroj uhlíku 2. Zdroj dusíku (organický, anorganický) 3. Určité anorganické ionty 4. Určité růstové faktory organického původu ve velmi malých koncentracích 5. Vodu
1. ZDROJE UHLÍKU Rozmanitost zdrojů uhlíku pro vláknité houby a kvasinky ZDROJ UHLÍKU POZNÁMKA HEXOZOVÉ CUKRY
Glukóza, fruktóza a mannóza jsou metabolizovány většinou kvasinek a vláknitých hub
PENTÓZOVÉ CUKRY
Některé houby jsou schopny prodýchávat pentózové cukry (arabinóza, xylóza, rhamnóza, xylulóza) lépe než glukózu
DISACHARIDY
Větší počet kvasinek využívá disacharidy (maltóza, laktóza trehalóza...). Obecně lze říct, že pokud kvasinky zkvašují maltózu, tak nezkvašují laktózu a obráceně.
TRISACHARIDY
Rafinóza je pouze částečně využívána některými kmeny Saccharomyces cerevisiae, ale úplně je využívána jinými druhy rodu Saccharomyces spp.
OLIGOSACHARID Metabolizovány amylolytickými kvasinkami, ne Y (NAPŘ. pivovarskými kvasnicemi. MALTODEXTRINY) POLYSACHARIDY
Zahrnuje škrob, inulin, celulózu, hemicelulózu (xylany, galaktany, mannany), chitin, pektinové látky (řetězce polygalakturonové kyseliny – tvoří střední lamelu). Mnoho vláknitých hub může využívat tyto komponenty v závislosti na extracelulární enzymové aktivitě. Kvasinky, které fermentují polysacharidy jsou vzácné.
ZDROJ UHLÍKU
POZNÁMKA
NIŽŠÍ ALIFATICKÉ ALKOHOLY (METHANOL, ETHANOL)
Jsou prodýchávány mnoha houbami.
CUKERNATÉ ALKOHOLY (NAPŘ. GLYCEROL)
Mohou být prodýchávány mnoha kvasinkami a houbami.
ORGANICKÉ KYSELINY (OCTOVÁ, CITRONOVÁ, MLÉČNÁ)
Mnoho kvasinek je může prodýchávat, ale jen pár je jich schopno zkvašovat.
MASTNÉ KYSELINY (OLEOVÁ, PALMITOVÁ)
Některé druhy kvasinek mohou používat mastné kyseliny jako zdroj uhlíku a energie, jako např. druh Aureobasidium pullulans
AMINOKYSELINY
Slouží jako zdroj uhlíku a dusíku, příliš dusíku není vhodné pro mnoho organismů.
VÍCEUHLÍKATÉ UHLOVODÍKY (C9)
Některé kvasinky (Candida) a vláknité h. jsou schopné růst na ropných produktech
AROMATICKÉ SLOUČENINY
Zahrnuje to fenol, krezol, benzoáty etc. Málo druhů kvasinek je může využívat.
LIGNIN – AROMATICKÝ POLYMER (obsahuje fenylpropany a alkoholy kumarylalkohol, koniferylalkohol, sinapylalkohol)
Může být rozkládán pouze tzv. houbami způsobujícími „ bílou hnilobu“. Určitá část energie je získávána okamžitě, ale hlavně činí dostupnými celulózu a hemicelulózu.
KERATIN – bílkovina tvořená aminokyselinami
Některé houby – ho rozkládají např. Onygenales,
ZDROJE UHLÍKU PRO VLÁKNITÉ HOUBY A KVASINKY
2. ZDROJE DUSÍKU Houby nemohou fixovat vzdušný dusík a potřebují přijímat sloučeniny obsahující dusík, buď v anorganické formě (amoniové soli) nebo v organické formě (aminokyseliny). ANORGANICKÉ ZDROJE DUSÍKU Síran amonný je běžně využíván jako zdroj dusíku. Dále je využíván amoniak, který se uvolňuje při rozkladu rostlinných nebo živočišných zbytků (nedokáží to např. Saprolegniales, tyto organismy potřebují substrát bohatý na proteiny, třeba i mrtvý hmyz) Mnoho hub také může růst na nitrátech (dusičnany)
ORGANICKÉ ZDROJE DUSÍKU Mnoho hub může asimilovat aminokyseliny (např. glutamová kyselina, asparagin), aminy (obsahující funkční skupinu -NH2) nebo amidy (obsahující funkční skupinu -CONH2) jako zdroje dusíku. Využívání močoviny (degradace na CO2 a amoniak pomocí ureázy) je běžné u hub a některých kvasinek ze skupiny Basidiomycotina, které jsou proto nazývány ureázo-pozitivní na rozdíl od ureázonegativních kvasinek. Organické sloučeniny jako např. peptony mohou sloužit jako zdroj obojího – dusíku i organického uhlíku pro potřeby výživy houby
3. ANORGANICKÉ SLOUČENINY Draslík, fosfor (jako fosfáty), hořčík a síra (jako sulfáty) jsou potřebné v určitém množství. Zdroji jsou zejména jejich soli jako např. MgSO4, K3PO4, vzácněji (jen některé) houby využívají Ca, Na (mořské ve formě NaCl) Ostatní anorganické sloučeniny jako železo, zinek, měď, mangan a molybden jsou potřeba v zlomkových množstvích. Jsou nutné jako složka esenciálních enzymů. 4. ORGANICKÉ RŮSTOVÉ FAKTORY Zahrnují hlavně vitamíny. Některé houby jsou kompletně soběstačné a nepotřebují žádné vitamíny. Jiné druhy potřebují vnější zdroje jednoho nebo více vitamínů. Mnoha houbám je třeba dodávat hlavně thiamin (vitamín B1 –závisí na něm metabolismus dusíku), biotin (B7), riboflavin (B2), pyridoxin (B6), nikotinovou kyselinu (B3) a jiné. Některé houby mají specifické nároky – např. Oomycota potřebují k růstu steroly.
DOSTUPNOST KYSLÍKU Na základě potřeb kyslíku pro růst se houby mohou rozdělovat na 4 kategorie OBLIGÁTNÍ AEROBOVÉ – rostou pouze v aerobních podmínkách FAKULTATIVNÍ AEROBOVÉ - rostou v aerobních podmínkách, ale dovedou růst také v podmínkách absence kyslíku, kdy jsou schopni fermentace cukrů (Fusarium oxysporum, Mucor hiemalis, Aspergillus fumigatus, některé kvasinky)
Mucor hiemalis – houba, která může způsobovat povrchové mykózy u lidí (vstupuje poraněními)
OBLIGÁTNĚ FERMENTATIVNÍ DRUHY - chybí jim mitochondrie, a tak i když mohou růst v prostředí s kyslíkem nebo bez kyslíku, tak vždy získávají energii fermentací (někteří zástupci vodních Oomycota nebo Chytridiomycota) OBLIGÁTNÍ ANAEROBOVÉ – jejich somatické buňky odumírají v prostředí, kde je kyslík (někteří zástupci Chytridiomycota, kteří rostou v trávicím traktu přežvýkavců)
Neocallimastix sp. rostoucí v trávicím traktu přežvýkavců
METABOLISMUS HUB Houby jsou heterotrofové, potřebují získávat energii rozkladem organických látek Hlavně pomocí RESPIRACE a FERMENTACE V první částí monosacharidy jsou přeměněny pomocí GLYKOLÝZY (v cytosolu, jedná se o anaerobní proces) většinou na KYS. PYROHROZNOVOU
TVORBA ACETYLKOENZYMU A KREBSŮV CYKLUS ELEKTRONOVÝ TRANSPORTNÍ ŘETĚZEC OXIDATIVNÍ FOSFORYLACE Kyslík je terminální akceptor vodíkových iontů
PRODUKCE ALKOHOLU NEBO KYSELINY MLÉČNÉ Organické molekuly jsou terminální akceptor vodíkových iontů
STRUKTURA A ORGANIZACE HOUBOVÉHO GENOMU Houbový genom má 4 komponenty - jaderná DNA, mitochondriální DNA, plasmidy a geny houbových virů JADERNÁ DNA Tvoří chromozómy – v různém počtu a různé ploidii (počet jednotlivých sádek chromozómů). Eukaryotické rostliny a živočichové jsou somatičtí diploidi. Vegetativní hyfy většiny hub jsou haploidní (všichni zástupci Zygomycotina, Ascomycotina a většina Deuteromycotina mají prodlouženou a dominantní vegetativní haplofázi). U Oomycota diploidie a polyploidie jsou běžné. Některé kvasinky jsou převážně diploidní. Několik hub může alternovat mezi haploidní a diploidní somatickou fází (Chytridiomycota, tzv. RODOZMĚNA) Část životního cyklu některých hub (Ascomycotina, Basidiomycotina) je dikaryotická – 2 kompatibilní jádra tvoří pár - dikaryon. To znamená, že karyogamie nenásleduje okamžitě po plasmogamii. Způsob života hub v jejich monokaryotické a dikaryotické fázi se může lišit (př. Taphrina)
RODOZMĚNA u rodu Allomyces
Životní cyklus Podosphaera leucotricha Ascomycotina VÝZNAM DIKARYOTICKÉ FÁZE: Dikaryon má selektivní výhodu před diploidy ve smyslu vzniku dikaryotické mozaiky. Tento jev zahrnuje přímou výměnu jednoho jádra dikaryonu s jádrem jiného dikaryonu pomocí fůze – dochází tak vytvoření nového dikaryonu jiného genotypu – tento způsob představuje velký zdroj variability.
Velikost jaderného genomu hub je velmi malá ve srovnání s ostatními eukaryoty (x 10 4 kbp – páru kilobází). Haploidní chromozomální počet u hub a houbových organismů Skupina/ druh
Počet chromozómů
HLENKY Dictyostelium discoideum
7
Physarum polycephalum
40
VČECKOVÝTRUSNÉ HOUBY Neurospora crassa
7
Aspergillus nidulans
8
Saccharomyces cerevisiae
16
STOPKOVÝTRUSNÉ HOUBY Schizophyllum commune
6
Ustilago maydis
20
MITOCHONDRIÁLNÍ DNA (mt DNA) Mitochondrie obsahují malou kruhovou molekulu DNA. Velikost mitochondriálního genomu je asi 19-121 kbp. Veškerá mitochondriální DNA kóduje podobné komponenty: komponenty elektronového transportního řetězce (podjednotky ATPazy), strukturální RNA a mitochondriální transferovou RNA. U některých hub (Neurospora) má velký význam – již jednoduchá mutace může vést ke zestárnutí celé kolonie a uhynutí.
Mitochondriální DNA v buňkách kvasinky Saccharomyces cerevisiae (barveno pomocí Green Fluorescent Protein (GFP)
PLASMIDY A TRANSPORTOVATELNÉ JEDNOTKY Plasmidy jsou do kruhu stočené molekuly DNA se schopností se autonomně replikovat v buňce. Plasmidy nebo plasmidům podobné části DNA jsou nacházeny u několika druhů hub. Není známá jejich pravá funkce, ale mají velké využití při sestavování vektorů pro klonování genů u kvasinek (Saccharomyces cerevisiae). Mnoho dalších plasmidů hub se nachází v mitochondriích (kruhové molekuly DNA s malou nebo žádnou homologií k genomu mitochondrií). Jejich funkce není známá.
VIRY A VIROVÉ GENY Houbové viry (a částice podobné virům) byly objeveny u několika druhů hub, zahrnující zástupce všech hlavních skupin hub Viry se skládají z dvouvláknové RNA a kapsidy obsahující jeden hlavní polypeptid. Přítomnost virů nebyla doposud spojována s nějakými zvláštními potížemi, takže jde říct, že většina houbových virů je bezpříznaková.
Příklady houbových virů Nejlépe prozkoumané jsou u komerčně pěstovaných druhů hub HLÍVA ÚSTŘIČNÁ
• •
Zdravá
oyster mushroom virus I oyster mushroom virus II
Virózní Virózní
ZDROJE GENETICKÉ VARIABILITY U HUB NEPOHLAVNÍ VARIABILITA: MUTACE Hlavní zdroj variability je mutace, což je spontánní dědičná změna genetické informace organismu (adice, delece, substituce, inverze..) Mutagenními činidly (UV a rentgenovým zářením, chemickými látkami) lze mutace záměrně přivodit tak, že se činidlo nechá působit na spory nebo protoplasty houby. Všechny průmyslově pěstované houby byly šlechtěny pomocí mutací (podařilo se získat mutantní kmen hlívy ústřičné, který neprodukuje spory, a tak se omezily alergie pracovníků pěstíren).
Hlíva ústřičná Pleurotus ostreatus
NEPOHLAVNÍ VARIABILITA: MUTACE Jakákoliv mutace může vést ke zvýšení fitnes nebo snížení fitnes. Mutace, které vzniknou v haploidním organismu se snadno dostávají do genotypu a hned se projeví. Přirozená selekce je tvrdší a okamžitě se projeví, narozdíl od diploidních organismů. Haploidní organismus nemůže akumulovat mutace, které nemají okamžitý význam: nemohou tak uchovávat variabilitu. Diploidní organismus: mutace jsou často recesivní u planých typů a tak nemusí být okamžitě projeveny, místo toho se akumulují a mohou být rekombinovány různými způsoby během sexuálního rozmnožování. Selekce (pozitivní, negativní) se uplatňuje ve stabilizaci mutací.
NEPOHLAVNÍ VARIABILITA: PARASEXUALITA PARASEXUALITA: alternace pohlavní rekombinace bez výsady sexuálního rozmnožování. Je typická u některých zástupců Deuteromycotina Parasexuální cyklus má 4 fáze: 1/ Fůze (vytváření anastomóz) u sousedních somatických hyf, výměna jader a USTANOVENÍ HETEROKARYONU. 2/ Fůze rozdílných jader ve vegetativní hyfě a vytvoření SOMATICKÉHO DIPLOIDA. 3/ Somatická rekombinace (mitotický crossing-over). Výsledek je vznik chromozómů, které jsou hybridy rodičovských chromozómů. 4/ Ne-meiotická redukce takového jádra za pomocí ANEUPLOIDIE (ztráta individuálních chromozómů) vedoucí ke vzniku haploidního stavu. CELÝ PROCES JE VELICE VZÁCNÝ A JE SPÍŠE VÝSLEDEK NAHODILÝCH ZMĚN Tato sekvence událostí je velice vzácná a proběhne v méně než 1 konidii / na milion, ale počet konidií, které jsou produkovány novou anamorfou je astronomický, a tak parasexualita má velký význam pro tvorbu genetické variability.
Jevy parasexuality a heterokaryózy jsou velmi časté u vláknitých mikroskopických hub (Penicillium, Aspergillus) a byly pozorovány i u homothalických Hymenomycetidae, jsou velmi důležité pro šlechtění na produkci účinných látek, jako např. antibiotik. Fáze parasexuálního cyklu: (1) Konjugace hyf (plasmogamie). (2) Heterokaryóza. (3) Fůze jader (karyogamie). (4) Mitotická rekombinace (mitotický crosssing-over). (5) Haploidizace a jaderná segregace vedoucí ke vzniku homokaryonu.
VÝZNAM PARASEXUALITY Význam v přírodě je doposud ne zcela znám. Není jasné, proč zástupci umělé skupiny Deuteromycotina opustili účinný sexuální mechanismus genetické rekombinace ve prospěch daleko více nahodilého a zdánlivě méně účinného procesu. Odpověď může znít, že k parasexualitě dochází v jakékoliv době během normálního somatického růstu a není potřeba žádných speciálních předpokladů jako je tomu u pohlavních fází. Každá z jednotlivých fází (nebo událostí parasexuálního cyklu) je relativně vzácná a nevytváří pravidelný cyklus jako je pohlavní cyklus včetně meióze.
POHLAVNÍ VARIABILITA Sexualita je hlavní mechanismus dávající vznik genetickým rekombinantům Párování rodičovských chromozómů během meiózy vede k mnohonásobnému crossing overu (tvorba překřížení). Nezávislé kompletování homologních chromozómů (segregace) od 2 různých rodičů má za výsledek, že jednotlivé dceřinné haploidní jádra mohou mít různé chromozómy od různých rodičů. HOMOTHALICKÉ druhy – může u jednoho jejich vlákna dojít k sexuální reprodukci; self-kompatibilní HETEROTHALICKÉ druhy - houby, které potřebují 2 geneticky odlišná, ale kompatibilní mycelia, která se musí setkat, aby mohlo dojít k sexuální reprodukci
ÚLOHA HUB V BIOTECHNOLOGIÍCH Kvasinky jsou používány k výrobě chleba a produkci alkoholických nápojů – piva, vína a lihovin. Některé vláknité houby se tradičně používají ke zlepšení chuti sýrů, nebo další k produkci Asijských potravin jako např. Tofu, tempeh a miso. Nověji se jedná o využití hub k produkci proteinů a enzymů. Jeden z nejnovějších a nejlépe známých houbových proteinů patří Quorn, produkt který se používá jako alternativní zdroj výživy - nízký obsah cholesterolu a energie. Nejvíce ekonomicky významná je produkce organických kyselin - citronová, fumarová, mléčná a itakonová a produkce giberelinů. Produkce přírodních a semisyntetických penicilínů Nové farmaceuticky významné preparáty – protinádorové látky, imunomodulátory jako např. Cyklosporiny. V zemědělství jsou houby využívány jako prostředky biologické ochrany (redukce poškození populacemi hmyzu, plevelů a fytopatogenních organismů). Podobně se využívá mykorhizy. Využití hub v bioremediaci (dekontaminaci) půd znečištěných pesticidy a dalšími chemickými látkami.
NĚKTERÉ BIOTECHNOLOGICKY DŮLEŽITÉ HOUBY Vláknité houby Penicillium sp. Druhy rodu Penicillium jsou celosvětově rozšíření Nejčastěji zelené nebo modré plísně; řád Eurotiales, Ascomycotina Používají se k výrobě sýrů (P. roquefortii, P. camembertii) Některé druhy jsou patogenní na citrusech a jablkách Některé druhy napadají kůži Nejvýznamnějším přínosem je produkce antibiotik penicilinu a griseofulvinu
Penicillium patulum Ascomycotina
Aspergillus sp. Je známo asi 200 druhů rodu Aspergillus, které se vyskytují na různých substrátech. Často jsou jejich spory ve vzduchu. Hodně druhů je schopno kontaminovat potravu. Aspergillus flavus vylučuje mykotoxin aflatoxin. V humánní medicíně je znám jako původce aspergilóz (nejčastěji A. fumigatus, A. terreus, A. flavus, A. niger) Druhy rodu Aspergillus produkují různé enzymy, které se využívají v biotechnologiích. A. niger se používá pro výrobu citrónové a glukonové kyseliny
Aspergillus flavus Ascomycotina
Trichoderma spp. Široce rozšířený rod půdních hub Nejčastější druh Trichoderma viride Efektivní antagonista růstu ostatních druhů hub Trichoderma je úspěšně používána v biokontrole
Trichoderma harzianum Deuteromycotina
Phanerochaete chrysosporium Zástupce pododdělení Basidiomycotina Způsobuje bílou hnilobu Produkuje nespecifické ligninázy, které se používají k odbourávání látek znečišťujících půdu
Phanerochaete chrysosporium
Kvasinky Hrají důležitou roli v biotechnologiích Náleží do skupiny Ascomycotina Mohou být dimorfické – kvasinkové i vláknité formy Kvasinky se množí pučením Nejčastěji používaným druhem je Saccharomyces cerevisiae - k výrobě chleba a alkoholu Kvasinky jsou také využívány k produkci single-celled proteinů a produkci alkoholů pro průmyslové účely V současnosti jsou používány v molekulární biologii
Saccharomyces cerevisiae
Průmyslové využití kvasinek Organismus Saccharomyces cerevisiae
Využití Vaření piva, pečení, topivo, alkohol, víno Saccharomyces uvarum Vaření piva, Ashbya gossypii, Eremothecium ashbyii Riboflavin Rhodotorula Karoten Hansenula, Pichia SCP skrze metanol Candida, Cryptococcus, Hansenula, SCP, lipázy Lipomyces, Rhodotorula Yarrowia lipolytica citronová kyselina Hansenula, Kloeckera, Pichia Prekursory steroidů Rhodotorula Saccharomycopsis, Aureobasidium D-glukonová kyselina Kluyveromyces fragilis Invertáza Saccharomyces diastaticus Glukoamyláza/vaření piva (ve vývoji) Yarrowia lipolytica, Torulopsis Biosurfaktant (liposan) bombicola glykolipidy
Rod Saccharomyces Rod Saccharomyces představuje nepochybně ekonomicky nejvýznamnější skupinu mikroorganismů používaných v průmyslu. Nejčastěji používanou kvasinkou je Saccharomyces cerevisiae. Tato kvasinka je využívána zejména pro svoji schopnost konvertovat cukry na etanol a oxid uhličitý. Pro rod Saccharomyces je charakteristický vegetativní způsob rozmnožování probíhající multilaterálním pučením, buňky jsou sférické, elipsoidní, cylindrické nebo protáhlé. Výjimečně je vytvářeno pseudomycelium, vegetativně rostoucí buňky jsou převážně diploidní, nebo polyploidní. Méně časté je pohlavní rozmnožování vedoucí k tvorbě askospor. Askospory jsou sférické, uložené v množství 1 – 4 v asku, aska po vyzrání nepraskají.
Tento rod je fermentativní a je schopen realizovat i respiraci. S. cerevisiae fermentuje glukosu, manosu, fruktosu, galaktosu, maltosu, sacharosu, maltotriosu a z jedné třetiny rafinosu. Velký počet kmenů je využíván pro výrobu alkoholických nápojů a fermentovaných potravin (líh, pivo, víno, cider (z jablečného moštu), kefír, pulque (z agave), sake), pro výrobu droždí, sterolů, enzymů a dalších produktů. Velmi významné je rovněž využití těchto kvasinek v genetickém výzkumu.
Cider značky Strongbow
Pulque
Příklady dalších kvasinek využívaných v biotechnologiích SACCHAROMYCOPSIS LIPOLYTICA (syn. Candida lipolytica, Yarrowia lipolytica), heterothalická askosporogenní kvasinka, která za podmínek vegetativního růstu může vytvářet pseudomycelium, případně i septované mycelium. Využívána zejména pro schopnost produkce extracelulárních enzymů (alkalické, neutrální a kyselé proteasy, lipasy). Utilizace n-alkanů otevírá možnost využití této kvasinky jako producenta mikrobní biomasy. HANSENULA POLYMORPHA, homothalická kvasinka, za určitých kultivačních podmínek schopná tvořit pseudomycelim, askosporogenní. Disponuje schopností využívat pro růst kromě běžných sacharidů (glukosa, galaktosa, sacharosa, maltosa, laktosa) též metanol. Zdrojem dusíku mohou být kromě amonných iontů též dusičnany. Využití této kvasinky spočívá především v produkci biomasy.
Příklady dalších kvasinek využívaných v biotechnologiích • KLUYVEROMYCES FRAGILIS (v imperfektním stadiu Candida pseudotropicalis) homothalická askosporogenní kvasinka. Je fermentativní, za anaerobních podmínek často tvoří pseudomycelium. Vzhledem ke schopnosti zkvašovat laktosu je využívána pro kvašení syrovátky, dále jako producent enzymů (polygalakturonidasa, invertasa, βgalaktosidasa). • CANDIDA UTILIS vegetativně rostoucí kvasinka, za podmínek anaerobního růstu vytváří pseudomycelium a někdy i pravé mycelium. Je častým kontaminantem v kultivačních technologiích využívajících kvasinky (výroba droždí). Růstově je nenáročná, využívá kromě běžných sacharidů též hydrolyzáty dřeva a sulfitové výluhy, dusík může být asimilován též ve formě dusitanů a dusičnanů. Pro svůj dobrý růst složí jako producent mikrobní biomasy.
Agaricus spp. V biotechnologiích jsou používány hlavně pro produkci hub, tzn. na proteiny bohaté potravy. Agaricus (pečárky) jsou saprofytní houby ze skupiny Basidiomycotina, které rostou na loukách a v lesích, kde rozkládají organické rostlinné zbytky. Komerční odrůdy většinou patří ke druhu Agaricus bisporus
Agaricus bisporus
Claviceps purpurea Claviceps purpurea je houba ze skupiny Ascomycotina, které produkují sklerocia, které se nazývají námel, z kterého se izoluje mnoho farmakologicky prospěšných alkaloidech Na jaře, sklerocia, která přezimují v půdě a jsou aktivovány mrazem, vyklíčí a vytvoří stromata, ve kterých se tvoří perithecia. Každé perithecium obsahuje okolo 100 vřecek, které uvolňují askospory, které infikují květy trav. Po infekci rychle rostoucí mycelium produkuje masu konidioforů , které uvolňují sladkou medovici. Tímto způsobem přitahují hmyz, který roznáší konidie houby dále. Semeníky květů trav se postupně přemění na černé sklerocium (námel). Ve středověku alkoloidy izolované z Claviceps purpurea způsobovaly epidemie.
Sklerocia a stromata s perithecii
