第三节　真菌的遗传变异

真菌与藻类的主要区别在于真菌不能进行光合作用，所有真菌都是有机营养型的，而藻类则是无机营养型的光合生物；真菌与原生动物的主要区别在于真菌的细胞有细胞壁，而原生动物的细胞则没有细胞壁。从个体形态、群体形态、营养吸收、代谢类型、代谢产物、遗传特性和生态分布等方面，真菌都表现出了它的多样性。

一、真菌的繁殖

真菌在生长和发育的过程中，不仅有多种多样的营养体，还有多种多样由营养体转变而成（或产生）的繁殖体。真菌通过营养阶段之后，便进入繁殖阶段，经过繁殖产生许多新个体。真菌的繁殖方式通常分为有性繁殖和无性繁殖两类。有性繁殖以细胞核的结合为特征，无性繁殖以营养繁殖为特征。大部分真菌都能进行无性与有性繁殖，并且以无性繁殖为主。有的菌种缺少无性繁殖阶段，而另一些菌种则缺少有性繁殖阶段。

（一）真菌的无性繁殖

无性繁殖（asexual reproduction），指不经过两个异性细胞融合，只是营养细胞的分裂或营养菌丝的分化或切割而形成新个体的过程，其特点是简单、快速、产生新个体多。

1.无性繁殖的类型

真菌的无性繁殖方式主要可概括为如下四种：

（1）菌丝体的断裂：

由断裂的片段产生新个体，大多数真菌都能进行这种无性繁殖，实验室“转管”接种便是利用这一特点来繁殖菌种的；

（2）裂殖（fission）：

少数酵母菌可以像细菌一样借细胞横膈分裂而繁殖；

（3）出芽繁殖（budding）：

是真菌无性繁殖的主要方式，由母细胞出“芽”，每个“芽”发育成为新个体，酵母菌属的无性繁殖就属此类；

（4）产生无性孢子：

由孢子萌发为新个体。

2.无性孢子的类型

同一生物的两个不同来源的体细胞融合由此产生的孢子为无性孢子，它可导致低频率的基因重组。大多数病原性真菌都是通过无性孢子进行繁殖的。无性孢子主要包括：叶状孢子（包括芽生孢子、厚膜孢子、关节孢子）、分生孢子和孢子囊孢子。无性孢子的形状、颜色、细胞数目、排列方式和产生方式等都有种的特异性，因而可作为鉴定菌种的依据。一般真菌生长到一定阶段会先产生无性孢子，繁殖后期在同一菌丝体上会出现有性孢子，开始有性繁殖。

（二）真菌的有性繁殖

有性繁殖（sexual reproduction），是指两个有性细胞结合而产生新个体的过程。

1.有性繁殖的过程

有性繁殖以细胞核的结合为特征，这种核的结合是通过能动或不能动的配子、配偶囊、菌体之间的结合来实现的。有性繁殖过程一般包括下列三个阶段：

（1）质配（plasmogamy）：

首先是两个细胞的原生质进行配合。

（2）核配（karyogamy）：

两个细胞里的核进行配合。真菌从质配到核配之间的时间有长有短，这段时间称双核期，即每个细胞里有两个没有结合的核。这是真菌特有的现象。核配形成的双倍体可单独存在，因为双倍体的酵母菌生活力强，所以工业生产上的酵母菌一般为二倍体。

（3）减数分裂（meiosis）：

核配后或迟或早将继之以减数分裂，减数分裂使染色体数目减为单倍。真菌的有性生殖一般是通过性细胞的结合，产生一定形态的有性孢子来实现的。真菌形成有性孢子有两种不同方式：①真菌经过核配以后，含有双倍体细胞核的细胞直接发育形成有性孢子，这种孢子的细胞核处于双倍体阶段，在它萌发时才进行减数分裂。卵菌和接合菌的有性孢子就是这种方式，处于双倍体阶段。②在核配以后，双倍体的细胞核进行减数分裂，然后再形成有性孢子，所以这种有性孢子的细胞核是处于单倍体阶段。子囊菌和担子菌的有性孢子属于这种方式。

2.有性孢子类型

雌雄两种性别的细胞结合后产生的孢子为有性孢子，有性孢子在减数分裂过程中可发生基因重组，产生具有新的遗传型的后代，是真菌发生变异的重要环节。真菌有性生殖产生的孢子包括：子囊孢子、接合孢子、卵孢子和担子孢子。人类病原性真菌一般不产生此类孢子。

二、真菌的遗传特性

真菌在DNA转移和重组的许多方面不同于原核生物，其基因组复杂并具有复杂的调控机制。对于真菌遗传的模式研究，主要使用容易培养、应用广泛的酿酒酵母和丝状真菌。酿酒酵母因本身的商业价值、结构特性，是目前遗传特性最明确的真菌。

（一）酵母的遗传特性

1.接合型遗传

酿酒酵母具有单倍体和二倍体两种形式，单倍体即为a和α接合型细胞，a和α接合型细胞融合产生二倍体细胞（a/α）。MAT活性区对a和α型别的决定具有重要的调控作用。酵母基因组中的a和α基因是不表达的沉默基因，只用做发生接合型转变时的插入基因来源。当转变发生时，MAT座位受MAT启动子调控可以插入a或α基因，当插入a基因则形成接合型a细胞；反之则形成接合型α细胞。

2.质粒遗传

大多数酵母菌含有一种6kb左右，高拷贝（60～100拷贝/单倍体基因组）的质粒，因周长约2µm而被称为2µm质粒。该质粒携带与复制和重组有关的4个蛋白质基因（REP1、REP2、REP3和FLP），不赋予宿主任何遗传表型，目前广泛应用于分子克隆及基因工程研究中。

3.线粒体遗传

线粒体遗传发生于核外及有丝分裂、减数分裂过程以外，是一种细胞质遗传，也被称为非孟德尔遗传（non Mendelian inheritance）。酿酒酵母的mtDNA是双链环状分子，约75kb，只编码少数几种线粒体成分，如细胞色素b、细胞色素c氧化酶、ATPase等。

（二）丝状真菌的遗传特性

丝状真菌的遗传研究主要以粗糙脉孢菌和构巢曲霉为模式菌，借助有性生殖及准性生殖进行的，其中准性生殖是丝状真菌特有的遗传现象。准性生殖是真菌不经过减数分裂就能导致基因重组的过程，在此过程中，染色体的交换和减少是不规律、不协调的。准性生殖现象首先在构巢曲霉中发现，两种不同的构巢曲霉营养缺陷型菌株大量混合接种于基本培养基表面，往往可以培养得到原养型菌株，这一过程包括异核体形成、二倍体形成、染色体单体化和体细胞交换。

1.异核体（heterocaryon）形成

构巢曲霉的两个缺陷型菌株A和B的分生孢子混合接种在基本培养基上，形成的菌丝相互接触并连接起来，细胞质和细胞核混合，有的菌丝连接处长出的菌丝细胞中便含有来自两个菌丝体的细胞质和细胞核，形成异核体菌株（AB+和A+B）以及单倍重组体A+B+和二倍体A+B/AB+。异核体具有生长优势，类似于高等植物的杂种优势；并且可以储存隐性突变，这可以使异核体具有更好的适应潜力。

2.二倍体形成

将大量异核体孢子接种于纯净的基础培养基，可以获得少数二倍体（A+B/AB+）孢子，二倍体可以稳定的产生二倍体分生孢子，但这种遗传上的稳定是相对的。

3.染色体单体化和体细胞交换

大量的二倍体孢子中可以出现单倍体和重组体。在这里，产生单倍体的过程称为单倍体化，通常是有丝分裂中一再发生的染色体不离开行为的结果；产生重组体的过程称为体细胞交换，通常由有丝分裂中同源染色体交换导致的部分基因的纯合化。

在构巢曲霉中，对氟苯丙氨酸抗性基因呈隐性，杂合的二倍体Pr/Ps对氟苯丙氨酸敏感；杂合的二倍体可以形成抗药的单倍体Pr和纯合重组体Pr/Pr。

三、真菌的遗传变异与耐药性

临床主要使用唑类（三唑等）、多烯类（两性霉素等）、棘球白素及氟胞嘧啶等药物治疗念珠菌及隐球菌等常见真菌感染，也可对免疫低下患者进行预防性治疗。但以上药物除了有不可避免的副作用以外，还易产生耐药性。

据报道法国Pasteur医院和其他几个研究中心1994年分离自艾滋病患者的假丝酵母菌株10%对氟康唑耐药。而新近的统计资料显示，在艾滋病患者口咽感染假丝酵母菌中，33%以上是耐药菌株，对氟康唑的最小抑菌浓度（MIC）＞12.5µg/ml（敏感菌株MIC值一般＜4µg/ml）。

菌株的耐药性可以遗传给子代，也可以通过变异产生新的耐药菌株。以假丝酵母菌为例，简单介绍如下：

（一）对唑类的耐药性

应用氟康唑时，部分假丝酵母菌株可非整倍体化（aneuploidy）而表达大量ERG11基因，合成大量的细胞色素P450和麦角甾醇以保护细胞，耐受氟康唑的杀伤作用；当氟康唑浓度降低后，非整倍体化可还原，ERG11基因表达水平回复，耐药性消失。ABC转运蛋白CDR1和CDR2，及主要辅助转运蛋白MDR1的变异，可增加唑类外排，使菌株获得对唑类药物的耐药性，但这种变异不能影响假丝酵母菌对两性霉素及棘球白素的敏感性。

（二）对多烯类的耐药性

部分假丝酵母菌（C.lusitania，C.guilliermondii和C.glabrata等）细胞膜上的固醇与其他真菌不同，因此对两性霉素等多烯类抗真菌药天然耐受。

（三）对棘球白素的耐药性

棘球白素通过抑制由FSK1基因编码的β-1，3-葡聚糖合成酶，使真菌细胞壁渗透性改变从而导致细胞溶解死亡。假丝酵母菌FKS1基因如发生点突变即可提高细胞对棘球白素的耐受性。

（四）对氟胞嘧啶的耐药性

氟胞嘧啶进入细胞后，被降解成三磷酸尿苷，可进入RNA合成过程，使RNA合成终止；同时，氟胞嘧啶还可抑制胸苷酸合成酶，从而抑制DNA的合成。对氟胞嘧啶的耐药性主要与胞嘧啶透酶基因FCY2和胞嘧啶脱氨酶基因FCY1的变异有关。含有FCY1或FCY2变异的杂合体菌株不能完全耐受氟胞嘧啶，当环境中持续存在氟胞嘧啶时，杂合体菌株将快速进一步变异至完全耐受氟胞嘧啶；因此，氟胞嘧啶通常与两性霉素B联合使用，以减少耐药性菌株的生成。

此外，还有许多变异可以导致真菌耐药及治疗无效，我们需要深入研究真菌的耐药机制，并继续开发新药以治疗感染。因此还需严格控制现有药物的合理应用，以尽量减少或控制耐药菌株的产生。

抗真菌，任重而道远。

（刘欣　王晓丽）