Дрожжи и мицелиальные формы: разнообразие организации и диморфизм

В пиве плавают круглые клетки размером с эритроцит, а на стене погреба растёт пушистая плесень, нити которой можно вытянуть на метры. В лесной подстилке ползут белые шнуры опёнка толщиной с карандаш, а на камнях Антарктиды сидят чёрные комочки, похожие на угольную пыль. Всё это грибы, и чаще всего — близкие родственники: дрожжи и плесени нередко принадлежат одному семейству, а некоторые виды умеют быть и тем и другим, переключаясь по сигналу тепла, углекислого газа или хозяина. Именно это умение — диморфизм — превращает безобидную почвенную плесень в возбудителя смертельной болезни лёгких: в земле гриб растёт нитями, а в теле человека становится дрожжами, которых не может переварить иммунная клетка. Форма тела у грибов — не постоянная черта вида, как у животного, а инструмент, который гриб выбирает под задачу.

В конце — что нужно знать к ЕГЭ, раздел для олимпиадников и 16 заданий с разбором. О клетке и верхушке гифы — в статье «Строение грибной клетки», о фазах жизненного цикла — в статье «Жизненные циклы грибов», о признаках царства — в статье «Что объединяет грибы», о склероциях, ризоморфах и плодовых телах — в статье «Специализированные структуры грибов».

• Как изучали дрожжи, мицелий и диморфизм
• Как может быть устроено тело гриба
• Мицелий: сеть, которая растёт по экспоненте
• Ложные ткани: тяжи, склероции, стромы
• Что такое дрожжи
• Кто разносит дрожжи
• Где на древе возникали дрожжи
• Почка и верхушка гифы: один механизм
• Третья форма: клетка, растущая к партнёру
• Псевдомицелий: дрожжи, вытянутые в нить
• Дрожжи вместе: хлопья, плёнки, биоплёнки
• Дрожжи-снежинки: многоклеточность в пробирке
• Чёрные дрожжи и меристематические грибы
• Что такое диморфизм
• Термически диморфные патогены
• Кандида: три формы одного гриба
• Мукор: дрожжи без кислорода
• Диморфизм, связанный с фазой цикла
• Почему одни грибы — дрожжи, а другие — нити
• Форма гриба в биотехнологии
• Как отличить формы под микроскопом
• Частые вопросы
• Что нужно знать к ЕГЭ
• Для олимпиад
• Задания с разбором
• Литература

Как изучали дрожжи, мицелий и диморфизм

Дрожжи — первые микроорганизмы, которые человек увидел, сам того не понимая. В 1680 году Антони ван Левенгук описал в письме Лондонскому королевскому обществу мелкие шарики в бродящем пиве, но счёл их частицами крахмала. Полтора века спустя, в 1837 году, три исследователя независимо — Шарль Каньяр-Латур во Франции, Теодор Шванн и Фридрих Кютцинг в Германии — показали, что эти шарики живые: они размножаются почкованием, и брожение идёт там, где они растут. Химики во главе с Либихом высмеивали эту идею двадцать лет, пока Луи Пастер в 1857–1860 годах не доказал, что спиртовое брожение — работа живых дрожжевых клеток [1].

Следующий шаг сделали пивовары. В 1883 году Эмиль Кристиан Хансен в лаборатории пивоваренного завода «Карлсберг» в Копенгагене выделил культуру дрожжей из одной клетки и показал, что «болезни пива» — привкусы и муть — вызывают посторонние дикие дрожжи. С тех пор пиво варят на чистых культурах, а дрожжи стали первым одомашненным микробом науки [1].

Медицина узнала о диморфизме, приняв грибы за простейших. В 1892 году аргентинский студент-медик Алехандро Посадас нашёл в коже солдата круглые тельца, полные мелких клеток, — их назвали кокцидиоидесом, «похожим на кокцидий», паразитических простейших. В 1906 году Сэмюэл Дарлинг в Панаме увидел в клетках умершего рабочего мелкие округлые тельца с прозрачным ободком и назвал возбудителя Histoplasma capsulatum — «капсулированная плазма», тоже считая его простейшим. Лишь потом, посеяв материал на питательные среды, исследователи с удивлением получили обычную пушистую плесень: в теле человека гриб был дрожжами или сферулами, на агаре при комнатной температуре — мицелием [2, 3].

Молекулярные механизмы стали понятны в последние тридцать лет. В 1992 году группа Джеральда Финка обнаружила, что даже пекарские дрожжи при голодании переходят к нитчатому росту [4]. В 2006 году Брюс Кляйн с соавторами нашёл ген DRK1 — киназу, которая переключает плесень в дрожжи у нескольких опасных патогенов сразу [5]. В 2014 году сравнение почти шестидесяти геномов показало, что дрожжевая форма возникала в царстве грибов многократно, каждый раз из одного и того же древнего набора генов [6].

Как может быть устроено тело гриба

Ботаники называют тело гриба талломом — телом без органов и настоящих тканей. По устройству таллома грибы делятся на несколько типов, и границы между ними не совпадают с границами групп системы [7, 8].

Одноклеточные грибы — это прежде всего дрожжи и хитридиевые. У хитридиевых клетка сидит на субстрате и выпускает в него тонкие ризоиды — нити без ядер, всасывающие пищу; потом вся клетка превращается в зооспорангий. Это одноклеточный, но не дрожжевой таллом: он не почкуется. Нитчатые грибы — это мицелий из гиф, с перегородками или без них, и промежуточный псевдомицелий из вытянутых почек. Сложные структуры — тяжи, склероции, стромы, плодовые тела — строятся из сплетённых гиф, но остаются мицелием, только организованным.

Важно, что один вид может проходить через несколько форм. Хитридиевый гриб — одноклеточный таллом и подвижная зооспора; кандида — дрожжи, псевдогифы и гифы; головня — дрожжеподобные споридии и мицелий; опёнок — мицелий в почве, ризоморфы под корой и плодовые тела. Форма — функция места и задачи, а не систематики.

Мицелий: сеть, которая растёт по экспоненте

Мицелий — совокупность гиф одного гриба. Отдельная гифа растёт только верхушкой, с постоянной скоростью — у нейроспоры до 40 мкм в минуту, у большинства грибов 1–10 мкм в минуту. Казалось бы, мицелий должен расти линейно. Но гифы ветвятся, и каждая новая веточка — новая растущая верхушка. Энтони Тринчи в 1974 году показал, что у мицелия есть постоянная величина — единица роста гифы: средняя длина гифы, приходящаяся на одну верхушку. Когда общая длина мицелия делённая на число верхушек превышает эту величину, гифа ветвится. Поэтому общая длина гиф растёт экспоненциально, как число клеток дрожжей, — с удельной скоростью, равной скорости роста верхушки, делённой на единицу роста гифы [9].

Колония плесени на чашке при этом расширяется линейно: её радиус увеличивается на одно и то же число миллиметров в сутки. Это не противоречие: внутри колонии гифы густеют экспоненциально, а край продвигается со скоростью растущих верхушек периферийной зоны. Позади края питание кончается, гифы перестают расти и переходят к спороношению — отсюда концентрические кольца на колонии и «ведьмины кольца» шляпочных грибов в лесу, где плодовые тела растут на краю расширяющегося на десятки сантиметров в год мицелия.

Мицелий — не набор отдельных нитей, а сеть. Гифы одного мицелия сливаются там, где встречаются (анастомозы), и цитоплазма, ядра, питательные вещества текут по сети в обе стороны. Если перерезать одну гифу, вещество обойдёт разрыв по соседним путям. Опыты с мицелием, выращенным между кусочками древесины, показали, что гриб усиливает «дороги» между богатыми источниками пищи и прореживает остальные, — решая задачу оптимальной транспортной сети, которую инженеры решают для железных дорог. На этом основана и устойчивость мицелия: его невозможно убить, отрезав часть.

Ложные ткани: тяжи, склероции, стромы

Из гиф грибы строят крупные структуры, но эти структуры — не ткани в растительном смысле. Ткань растения возникает делением клеток в разных плоскостях; у гриба гифа делится только поперёк, и всё, что толще одной нити, — это сплетение многих гиф, плектенхима, или ложная ткань. Если гифы в ней остаются вытянутыми и различимыми, это прозенхима; если клетки округляются и плотно смыкаются, как в паренхиме растения, — псевдопаренхима [7, 10].

Тяжи и ризоморфы — шнуры из параллельных гиф для дальнего транспорта. Домовый гриб, разрушающий древесину в зданиях, протягивает тяжи по кирпичу и штукатурке на метры, перенося воду и азот к новой балке. Ризоморфы опёнка устроены сложнее: у них есть растущая верхушка, похожая на кончик корня, тёмная защитная кора из меланизированных клеток и полая сердцевина, по которой, по-видимому, идёт газообмен. Ризоморфы ползут в почве и под корой деревьев, находят новые корни и заражают их; ночью некоторые из них слабо светятся.

Склероции — плотные клубки гиф с запасами и тёмной коркой, способные лежать в почве годами. Рожки спорыньи в колосе ржи — склероции; склеротиния, гниль подсолнечника и моркови, образует чёрные склероции размером с горошину. Стромы — плотные тела, в которые погружены плодовые тела: чёрные «рожки» ксилярии на пнях, оранжевые булавы кордицепса, вырастающие из куколок насекомых, головки спорыньи на проросшем склероции. Плодовые тела базидиомицетов и аскомицетов — шляпочные, копытообразные, кораллообразные, шаровидные — самая сложная плектенхима: в шляпке подосиновика различают кожицу, мякоть, трубчатый слой, и всё это — сплетения гиф одного дикариона.

Трутовики показывают, на что способна ложная ткань: многолетнее плодовое тело трутовика настоящего наращивает каждый год новый слой трубочек и живёт десятилетиями, а его волокнистая мякоть настолько прочна, что из неё делали трут и одежду. Мицелий, выращенный на опилках и соломе, сегодня прессуют в упаковку и строительные плиты — это та же плектенхима, только сплетённая по форме, которую задал человек.

Что такое дрожжи

Дрожжи — грибы, которые большую часть жизни или всю жизнь существуют в виде одиночных клеток, размножающихся почкованием или делением. Это определение формы, а не группы: дрожжи есть среди аскомицетов и базидиомицетов, и даже у мукоровых встречается дрожжевой рост. В справочнике «Дрожжи: таксономическое исследование» 2011 года описано около 1500 видов, и с тех пор их число быстро растёт благодаря секвенированию [11].

Способы деления у дрожжей разные. Почкование — на материнской клетке выдувается почка, получает ядро и отделяется; у пекарских дрожжей почка растёт в одной точке, у других — в разных местах («многополюсное почкование»), у некоторых — только на полюсах вытянутой клетки. Деление пополам, перегородкой посередине, — у делящихся дрожжей, которых поэтому долго сравнивали с бактериями. Баллистоспоры — у «зеркальных» дрожжей спороболомицеса: клетка выстреливает спору с помощью капли Буллера, как шляпочный гриб, и если поставить чашку с колонией вверх дном, на крышке через сутки появится её зеркальное отражение из выстреленных спор [11, 7].

Живут дрожжи там, где есть растворённые сахара и где жидкость или влажная поверхность: в нектаре цветов, на плодах и в их соке, в истечениях деревьев, в кишечнике насекомых, на коже и слизистых животных. Насекомые — главные переносчики дрожжей: осы зимуют с пекарскими дрожжами в кишечнике и весной заносят их на виноград, а пчёлы и шмели переносят нектарных дрожжей с цветка на цветок. Есть дрожжи почвенные и морские, дрожжи ледников и антарктических озёр, растущие при минусовой температуре, и дрожжи кожи — малассезия, питающаяся кожным салом всех теплокровных и единственный гриб, которого всегда много на коже здорового человека.

Кто разносит дрожжи

Дрожжевая клетка не умеет ни летать, как конидия, ни плавать, как зооспора, ни прорастать в новое место, как гифа. Её путь от одного сладкого места к другому почти всегда проходит через животное, и связи дрожжей с насекомыми оказались древними и тесными.

Осы. Откуда на винограде каждый год берутся пекарские дрожжи, если зимой ягод нет? В 2012 году Ирене Стефанини и Дуччо Кавальери показали, что их переносят общественные осы. Самки-основательницы шершней и ос-полистов зимуют с дрожжами в кишечнике, весной передают их личинкам, а летом и осенью, прокусывая ягоды, «засевают» виноград. Штаммы из ос оказались родственны местным винным и природным штаммам: осы, по-видимому, хранят и разносят генетическое разнообразие дрожжей региона, а в их кишечнике разные штаммы даже скрещиваются между собой [12].

Дрозофилы. Плодовые мушки летят не на фрукт, а на запах дрожжей, бродящих в нём: эфиры и спирты, которые выделяют дрожжи, — главная приманка. Личинки мух питаются дрожжами, а мухи переносят их на новые плоды. Опыты показали, что дрожжи, у которых выключены гены синтеза ароматных эфиров, привлекают мух гораздо слабее и хуже распространяются. Аромат фруктового вина — побочный продукт этой старой сделки дрожжей с насекомыми.

Опылители. В нектаре цветов живут особые дрожжи, прежде всего из рода Metschnikowia. Их приносят на хоботках пчёлы, шмели, колибри; дрожжи сбраживают часть сахара, подогревают нектар и меняют его запах, а это, в свою очередь, меняет поведение опылителей. Цветок, нектар которого «заселили» дрожжи, может посещаться чаще или реже, — так дрожжи оказываются третьим участником в отношениях растения и опылителя.

Жуки и термиты. В кишечнике жуков-древоточцев и в их ходах живут дрожжи, сбраживающие ксилозу из древесины, — именно оттуда выделяют штаммы для производства биотоплива из соломы и опилок. Пчелиные личинки получают дрожжи с пергой, а у муравьёв-листорезов дрожжи живут в грибном саду рядом с культивируемым грибом. Дрожжи кожи — малассезия — переходят от матери к младенцу при первом контакте.

Где на древе возникали дрожжи

Если отметить на древе грибов все группы, где есть дрожжи, видно, что они рассыпаны по всему царству [6, 11].

Сравнение геномов, проведённое Ласло Надем и соавторами в 2014 году, показало удивительную вещь. Способность к дрожжевому росту, по-видимому, есть у грибов давно, с основания древа, но в большинстве линий она «спит», проявляясь лишь кратко, а в нескольких независимо стала главной формой жизни. И каждый раз за переключение отвечает одно и то же семейство регуляторов — белки с цинковыми кластерами, есть только у грибов. Авторы назвали это «скрытой гомологией»: дрожжи не родственны друг другу как группа, но построены из одного древнего набора деталей, которым разные линии воспользовались независимо [6].

История самых знаменитых дрожжей связана с цветковыми растениями. Около 100 млн лет назад у предка пекарских дрожжей удвоился весь геном — так установил в 1997 году Кеннет Вулф, найдя в геноме дрожжей сотни пар генов-близнецов [13]. Многие удвоенные гены — ферменты гликолиза и брожения, — и именно потомки этого предка умеют сбраживать сахар в спирт даже при избытке кислорода (эффект Кребтри). Тогда же распространились цветковые растения с сочными плодами. Стратегия «быстро съесть сахар и отравить конкурентов спиртом, а потом доесть спирт» оказалась выигрышной на гниющих фруктах, и человек унаследовал её в виде пива, вина и хлеба.

Почка и верхушка гифы: один механизм

Почкование дрожжей и рост гифы выглядят непохоже, но управляются одними и теми же белками. Различие — в том, как долго работает полярный рост и как он связан с клеточным циклом [14, 15].

У дрожжей в начале цикла белок Cdc42 отмечает точку на поверхности клетки, туда собирается полярисома с формином, который строит актиновые нити, и по ним в будущую почку идут пузырьки с материалом стенки. Почка растёт сначала верхушкой, как маленькая гифа, но через некоторое время клетка переключает рост на изотропный — по всей поверхности почки, — и почка округляется. Затем ядро делится на шейке, септиновое кольцо собирает перегородку, и дочерняя клетка отделяется. Весь процесс подчинён циклу: одна почка — одно деление ядра.

У гифы полярный рост не выключается. Полярисома и шпиценкёрпер держатся на верхушке постоянно, ядра делятся независимо от роста, септы врастают позади верхушки, но клетки не разделяются. Переход дрожжи → гифа сводится, по сути, к тому, чтобы не переключаться на изотропный рост и не разделять клетки. Именно поэтому у кандиды гифа и почка различаются тем, где ставится первая перегородка: у почки — на шейке, у ростковой трубки гифы — уже внутри трубки, на расстоянии от материнской клетки.

Третья форма: клетка, растущая к партнёру

У дрожжей есть ещё одна форма, которую легко пропустить, — клетка, готовая к спариванию. Гаплоидная клетка пекарских дрожжей, уловив феромон партнёра противоположного типа, останавливает цикл, перестаёт почковаться и вытягивает в сторону источника феромона выступ — так называемый «шму», по имени грушевидного персонажа американского комикса. По сути, это короткая гифа: полярисома и актин перенаправляются в точку, где феромона больше, и клетка растёт туда верхушкой, пока не встретит выступ партнёра; затем стенки на кончиках растворяются, и клетки сливаются [16]. У делящихся дрожжей при голодании по азоту клетки разных типов тоже выпускают навстречу друг другу выросты и сливаются ими [17].

Эта «брачная» форма показывает, что дрожжевая клетка в любой момент может включить верхушечный рост: механизм гифы в ней не утрачен, а лишь выключен до нужного случая. Голодание включает его как псевдомицелий, феромон — как выступ к партнёру, температура тела у патогенов — как гифу. Дрожжи — гриб, который держит программу гифы про запас.

Псевдомицелий: дрожжи, вытянутые в нить

Между дрожжами и гифами есть промежуточная форма — псевдомицелий: цепочка вытянутых клеток, каждая из которых почковалась на конце предыдущей и не отделилась. В отличие от настоящей гифы, в местах соединения клеток видны перетяжки, а не ровные перегородки, клетки вытянуты, но различимы, и каждая отпочковалась в своём цикле.

В 1992 году группа Джеральда Финка показала, что псевдомицелий образуют даже пекарские дрожжи. Диплоидные клетки, голодающие по азоту, меняют порядок почкования: вместо того чтобы почковаться на обоих полюсах, они почкуются только на полюсе, противоположном материнской клетке, почки вытягиваются и не отделяются — и колония выпускает нити, которые врастают в агар [4]. Смысл понятен: неподвижная колония дрожжей «посылает разведчиков» туда, где может быть пища. Этот переход управляется той же системой сигналов, что и у кандиды, — киназами и белком Ras, — и пекарские дрожжи стали моделью для изучения нитчатого роста патогенов.

Дрожжи вместе: хлопья, плёнки, биоплёнки

Одиночная клетка — не единственный способ жизни дрожжей. Многие из них умеют собираться в группы, и для этого у них есть особые белки-«липучки» — флокулины и адгезины, торчащие из стенки, — которые и делают из взвеси клеток что-то вроде организма.

Флокуляция. К концу брожения пивные дрожжи слипаются в хлопья и оседают на дно чана — пивовар сливает чистое пиво и собирает дрожжи для следующей варки. Хлопья держатся на белках семейства Flo, которые одним концом сидят в стенке, а другим цепляются за маннаны соседних клеток. У лагерных дрожжей флокуляция сильная, и они оседают на дно («дрожжи низового брожения»); элевые дрожжи всплывают с пеной («верхового»). Флокуляция — защита: внутри хлопьев клетки переживают спирт и голод лучше, чем поодиночке, а клетки, не несущие гена флокулина, в хлопья не берутся — «обманщики» исключаются из выгодного коллектива.

Плёнка хереса. При выдержке хереса в бочках поверхность вина покрывается белой плёнкой — «флором» — из особых дрожжей. Мутации в регуляторной области гена адгезина FLO11 делают клетки липкими и гидрофобными, в них накапливаются пузырьки углекислого газа, и клетки всплывают, образуя на поверхности вина живой ковёр. Там дрожжи дышат, окисляя спирт до ацетальдегида, который и даёт хересу его характерный ореховый вкус; плёнка же защищает вино от кислорода и бактерий.

Биоплёнки. На катетерах, протезах, зубных протезах кандида образует биоплёнки — многослойные сообщества из дрожжей, псевдогиф и гиф, заключённых в матрикс из полисахаридов и белков. Внутри биоплёнки грибы в сотни раз устойчивее к противогрибковым лекарствам, чем в виде взвеси: матрикс связывает лекарство, а часть клеток в глубине почти не делится. Биоплёнки — главная причина того, почему кандидоз, связанный с медицинскими устройствами, часто лечат только удалением катетера.

Чайный гриб и закваска. Студенистый «чайный гриб» — не гриб в единственном числе, а сообщество дрожжей и уксуснокислых бактерий в плёнке целлюлозы, которую выделяют бактерии. Хлебная закваска — устойчивое сообщество дрожжей и молочнокислых бактерий, в котором каждый вид живёт на продуктах другого. Дрожжевая клетка, оставаясь одиночной, редко живёт одна.

Дрожжи-снежинки: многоклеточность в пробирке

Как одиночные клетки становятся многоклеточным организмом? В 2012 году Уильям Рэтклифф и Майкл Трависано поставили на пекарских дрожжах эксперимент, ставший классическим. Каждый день они встряхивали пробирки с дрожжами, давали им несколько минут осесть и пересевали только нижнюю часть — те клетки, что опустились быстрее. Крупные скопления оседают быстрее одиночных клеток, и за 60 пересевов во всех линиях появились «снежинки» — ветвистые кластеры, в которых дочерние клетки остаются прикреплёнными к материнским [18].

Причина оказалась простой: мутация в гене ACE2, который включает фермент, растворяющий перегородку между материнской клеткой и почкой. Почка отпочковывается, но не отделяется, — точно так же, как в псевдомицелии. Снежинка растёт как ветвящееся дерево клеток, и все клетки в ней — клоны. Когда кластер становится слишком большим, напряжение внутри разрывает его на части — так снежинки «размножаются» отделившимися ветвями. В них даже появилось разделение труда: часть клеток гибнет, превращаясь в «слабые звенья», по которым кластер разламывается, — первая примитивная специализация.

Продолжение оказалось ещё удивительнее. В 2023 году Гёкхан Озан Боздаг и Рэтклифф сообщили, что за 600 дней отбора на размер снежинки, лишённые кислорода, выросли в 20 тысяч раз — до миллиметра, видимых глазом. Клетки в них вытянулись, ветви переплелись, как нити, и кластер стал прочным, как материал. Без кислорода рост был возможен, потому что внутренним клеткам не нужно дышать; дышащие линии остались микроскопическими [19]. Дрожжи, которые у природы уже сотни миллионов лет живут одиночными клетками, в пробирке за пару лет прошли первые шаги к многоклеточности, — и сделали это, вспомнив тот же приём, которым их предки строили гифы: не отделять дочерние клетки и тянуть их в длину.

Чёрные дрожжи и меристематические грибы

Отдельный мир — чёрные дрожжи: аскомицеты с толстой стенкой, насыщенной меланином, которые растут то почкующимися клетками, то короткими гифами, то плотными комками толстостенных клеток, делящихся во всех направлениях, — так называемыми меристематическими колониями. Они живут там, где больше никто не может: на голых камнях пустынь и Антарктиды, на мраморе памятников, в солеварнях при насыщенной соли, в посудомоечных машинах и сауне, в топливных баках самолётов [20].

Меланин защищает их от ультрафиолета и высыхания, толстая стенка — от соли и перепадов температуры, а медленный рост комками позволяет выживать на поверхности, где влага бывает часами за год. Один из них, Hortaea werneckii, живёт в солёных лагунах и кожуре рыбы, засоленной для хранения; другие разрушают мрамор старинных зданий, проникая между кристаллами. Некоторые чёрные дрожжи — возбудители хромобластомикоза, хронической болезни кожи в тропиках: в ткани они образуют толстостенные «склероциальные тельца», делящиеся перегородками в двух направлениях, — ещё одна форма, которой нет в культуре.

Что такое диморфизм

Диморфизм — способность одного вида гриба расти в двух формах — дрожжевой и мицелиальной — в зависимости от условий. Если форм больше двух (дрожжи, псевдогифы, гифы, хламидоспоры, сферулы), говорят о полиморфизме. Диморфизм не связан с родством: он есть у аскомицетов, базидиомицетов и мукоровых, и возникал много раз [21, 3].

По сигналу, который включает переключение, диморфизм делят на несколько типов.

• Термический — сигнал температура: при 25 °C мицелий, при 37 °C дрожжи. Так у возбудителей системных микозов человека — гистоплазмы, бластомицеса, паракокцидиоидеса, таларомицеса, споротрикса.
• Газовый — сигнал кислород и углекислый газ: мукор в отсутствие кислорода и при избытке CO₂ растёт почкующимися клетками.
• Пищевой и химический — сигнал источник азота, сыворотка, pH, плотность клеток: кандида, голодающие пекарские дрожжи.
• Фазовый — форма связана с фазой жизненного цикла: у головни и тафрины гаплоид — дрожжи, дикарион — мицелий.

Общее во всех случаях: дрожжевая форма удобна для жизни в жидкости и внутри хозяина, мицелиальная — для проникновения в твёрдый субстрат и поиска пищи. Переключение позволяет одному организму занимать обе ниши.

Термически диморфные патогены

Самые опасные грибы для здорового человека — не плесени и не дрожжи, а те, кто умеет быть и тем и другим. Все возбудители эндемичных системных микозов — термически диморфные аскомицеты, большинство из них — из порядка онигеновых [21, 3].

Почему в теле дрожжи? Мелкая почкующаяся клетка удобна для жизни внутри макрофага: она помещается в фагосому, а гистоплазма ещё и прячет β-глюканы своей стенки под слоем α-глюкана, так что рецепторы иммунных клеток её не узнают, и макрофаг становится её убежищем и транспортом по телу. Дрожжи легко разносятся кровью и лимфой. В почве же нужна гифа — проникнуть в субстрат, найти пищу, вынести конидии в воздух. Кокцидиоидес решает задачу иначе: в лёгких его артроконидия разрастается в сферулу диаметром до 100 мкм, слишком крупную для фагоцита, и делится внутри на сотни эндоспор, которые разлетаются при её разрыве [2].

В 2006 году группа Брюса Кляйна нашла главный переключатель. Мутанты бластомицеса без гена DRK1 — гибридной гистидинкиназы, похожей на сенсоры бактерий и растений, — при 37 °C оставались плесенью, не включали гены дрожжевой фазы и не вызывали болезни у мышей; тот же ген оказался переключателем у гистоплазмы, а затем у паракокцидиоидеса и споротрикса [5]. Гистидинкиназы у животных отсутствуют, и это делает их привлекательной мишенью для будущих лекарств.

Термический диморфизм, по-видимому, древнее медицины: эти грибы живут в почве и заражают диких животных — летучих мышей, грызунов, броненосцев, — для которых 37 °C тоже «температура хозяина». Человек для них — случайная мишень. Но потепление климата расширяет их ареалы: «лихорадка долины» в последние десятилетия распространяется на север, в штаты, где её раньше не знали.

Кандида: три формы одного гриба

Кандида — самый изученный полиморфный гриб и самый частый грибковый патоген человека. Она живёт на слизистых рта, кишечника, половых путей почти у каждого человека, а при ослаблении иммунитета или нарушении микрофлоры вызывает молочницу и смертельный кандидоз крови [22, 14].

У кандиды три основные формы. Дрожжи — круглые почкующиеся клетки; они разносятся током крови и колонизируют поверхности. Псевдогифы — цепочки вытянутых почек. Настоящие гифы — с параллельными стенками, без перетяжек; они растут в ткани, пробивают эпителий, проникают в сосуды. Кроме них, кандида образует толстостенные хламидоспоры, особые «матовые» клетки, способные к спариванию, и вытянутые клетки, приспособленные к кишечнику. Гифы включаются комбинацией сигналов, соответствующих телу человека: 37 °C, сыворотка крови, N-ацетилглюкозамин, повышенный CO₂, нейтральный или щелочной pH. Подавляет их фарнезол, который кандида выделяет при высокой плотности, — грибное «чувство кворума».

Гифы — главное оружие кандиды. В 2016 году группа Джулиана Наглика показала, что гифы выделяют пептид кандидализин — первый открытый токсин грибного патогена человека. Это кусок длинного белка Ece1, ген которого включается именно в гифах; пептид встраивается в мембрану клеток эпителия и пробивает в ней поры. Мутанты без кандидализина нормально образуют гифы, но не повреждают эпителий и не вызывают болезни слизистых у мышей [23]. Получается, гифа — не просто форма, а «шприц»: она проникает в ткань и впрыскивает в неё яд.

Но и дрожжи нужны. Мутанты, запертые в гифальной форме, тоже плохо вызывают болезнь: без дрожжей кандида не может распространиться по крови. Болезнетворность определяется не формой, а способностью переключаться — поэтому лекарства, блокирующие переход в гифы, рассматривают как перспективные. В лаборатории на этом основан быстрый тест: если клетки, внесённые в сыворотку и выдержанные 2–3 часа при 37 °C, выпускают ростковые трубки, то это, скорее всего, Candida albicans.

Мукор: дрожжи без кислорода

Мукоровые обычно растут несептированным мицелием, но Mucor circinelloides и некоторые его родственники в отсутствие кислорода и при высоком содержании CO₂ переходят к росту многопочкующимися дрожжевыми клетками, сбраживая сахар в спирт. Это древнейший известный случай диморфизма — им занимался ещё Пастер, видевший «дрожжи мукора» в бродящих жидкостях [7].

Мукоровые — возбудители мукормикоза, тяжёлой инфекции у людей с диабетом и ослабленным иммунитетом. В 2013 году группа Джозефа Хайтмана показала, что мутанты мукора без кальциневрина — сигнального белка — растут только дрожжами даже на воздухе и гораздо слабее вызывают болезнь у модельных животных, чем мицелиальный дикий тип [24]. Здесь, в отличие от гистоплазмы, опасна именно гифа: в тканях она прорастает в стенки сосудов, вызывает тромбы и гибель тканей. Блокаторы кальциневрина — иммунодепрессанты такролимус и циклоспорин — подавляют у мукора переход к гифам, и их рассматривают как дополнение к лечению.

Диморфизм, связанный с фазой цикла

У некоторых грибов форма переключается не по сигналу среды, а вместе с ядерной фазой — о таких циклах подробно рассказано в статье «Жизненные циклы грибов».

• Головня кукурузы. Гаплоидные споридии — почкующиеся дрожжи, безвредные сапротрофы на листьях. Слияние двух совместимых споридий даёт двуядерную гифу, и только она заражает растение. Переключение формы и включение паразитизма запускаются одним регулятором — белковым комплексом локуса b [25].
• Тафрина. Аскоспоры почкуются как дрожжи на коре и почках; заражает лист только двуядерный мицелий [26].
• Криптококк. Гаплоидные дрожжи с полисахаридной капсулой; при спаривании образуют дикариотические гифы с пряжками и базидии. В лёгких человека, напротив, превращаются в титанические клетки — гигантские полиплоидные дрожжи, которых не может поглотить макрофаг [27].
• Дрожалки. Студенистые плодовые тела на ветвях — дикарион, а гаплоидная фаза — дрожжи; «серебряное ухо» китайской кухни в лаборатории растёт как обычные дрожжи.

Почему одни грибы — дрожжи, а другие — нити

Если форма — инструмент, то каждая хороша для своей задачи. Сравним их как инженерные решения [28, 6].

Отсюда экология: дрожжи живут там, где пища уже растворена — нектар, сок плодов, кишечник, слизистые, — и где их разносит жидкость или животное. Мицелиальные грибы живут там, где пища — твёрдый нерастворимый полимер, который нужно разрушить и пройти насквозь: древесина, опад, почва, ткани растения. Многократное независимое появление дрожжей в разных ветвях грибов показывает, что «уйти в жидкость» — очень выгодный ход, а сохранение у большинства грибов способности к нитчатому росту — что от твёрдого субстрата отказаться трудно.

Иногда мицелий решает и неожиданные задачи. Хищный почвенный гриб артроботрис, почуяв нематод, строит на гифах ловчие кольца из трёх клеток, которые за десятую долю секунды раздуваются и зажимают червя. Мицелий здесь не только «корень» для всасывания, но и охотничья снасть.

Форма гриба в биотехнологии

В промышленности форма гриба определяет, как устроен весь процесс. Дрожжи — идеальный объект ферментёра: взвесь клеток жидкая, легко перемешивается и насыщается воздухом, рост быстрый, масштаб от колбы до тысячекубового чана меняется предсказуемо. Мицелиальные грибы капризнее: их гифы делают среду вязкой, как каша, и одна и та же культура может расти рассеянным мицелием или плотными шариками-пеллетами, давая разный выход продукта [29].

Технологи научились управлять формой. Для лимонной кислоты Aspergillus niger выращивают мелкими пеллетами, ограничивая марганец в среде, — иначе гифы ветвятся слишком густо и выход падает. Для ферментов, выделяемых с верхушек гиф, нужно много верхушек, и выгоден ветвистый мицелий. Для микопротеина — белкового продукта из гриба Fusarium venenatum, который продают в Великобритании с 1985 года под маркой «Куорн», — важна длина гиф: именно сплетение длинных нитей даёт продукту волокнистую текстуру, похожую на мясо [30]. Мицелиальные материалы — упаковка, плиты, «кожа» — требуют обратного: плотной плектенхимы, растущей на твёрдом субстрате.

Традиционная кухня использует обе формы. Хлеб, пиво и вино — дрожжи в жидкости или тесте. Темпе, соевый соус, саке, сыры с плесенью — мицелий, проросший сквозь твёрдую массу: ризопус скрепляет соевые бобы в пирог, аспергилл прорастает зёрна риса и выделяет в них амилазы, пеницилл растёт в воздушных ходах рокфора.

Как отличить формы под микроскопом

В клинической и пищевой лаборатории форму определяют под микроскопом, и по ней делают первый вывод о том, какой это гриб [31, 22].

Различие широких несептированных лент мукоровых и узких септированных гиф аспергилла в биопсии — вопрос жизни: мукормикоз и аспергиллёз лечат разными препаратами, и врач по форме гиф выбирает лекарство ещё до того, как гриб вырастет в культуре.

Частые вопросы

Дрожжи — это одноклеточные грибы особой группы? Нет, это форма роста, возникавшая в разных группах грибов независимо. Пекарские дрожжи — аскомицет, криптококк и малассезия — базидиомицеты, у мукора дрожжевой рост включается без кислорода.

Можно ли из пекарских дрожжей получить плесень? Нитей, как у плесени, — нет, но при голодании по азоту диплоидные пекарские дрожжи образуют псевдомицелий и врастают в агар. Настоящих гиф у них нет.

Почему плесень на хлебе растёт кругами? Мицелий разрастается от места, куда упала спора, во все стороны с одинаковой скоростью; в центре, где пища кончилась раньше, гриб переходит к спороношению, и кольца отражают историю роста.

Плодовое тело гриба — это ткань? Ложная: сплетение гиф (плектенхима). Настоящая ткань возникает делением клеток в разных плоскостях, а гифа делится только поперёк.

Почему опасные грибы в теле становятся дрожжами? Мелкая клетка помещается в макрофаг и живёт внутри него, разносится кровью и лимфой, а некоторые, как гистоплазма, маскируют поверхность от иммунных рецепторов. Нити в теле крупнее и заметнее, хотя лучше проникают в ткани — поэтому кандиде нужны обе формы.

Растут ли гифы у дрожжей в тесте? Нет: в тесте много сахара и мало азота лишь в конце брожения, и пекарские дрожжи остаются почкующимися клетками.

Что нужно знать к ЕГЭ

• тело большинства грибов — мицелий (грибница) из тонких ветвящихся нитей — гиф; мицелий бывает неклеточным (мукор) и многоклеточным (пеницилл, шляпочные грибы);
• дрожжи — одноклеточные грибы, размножаются почкованием; используются в хлебопечении, виноделии, пивоварении (спиртовое брожение: глюкоза → этанол + углекислый газ);
• плодовое тело шляпочного гриба образовано плотно переплетёнными гифами; шляпка и ножка; трубчатый или пластинчатый слой со спорами;
• грибница способна к неограниченному росту, всасывает воду и растворённые вещества всей поверхностью;
• кандида — дрожжеподобный гриб, вызывает кандидоз (молочницу) при ослаблении иммунитета или после лечения антибиотиками;
• спорынья образует на колосьях ржи склероции («рожки») — покоящиеся плотные сплетения гиф, ядовитые для человека.

Для олимпиад

Единица роста гифы. Если каждая верхушка удлиняется со скоростью E, а на одну верхушку приходится в среднем G длины мицелия (единица роста гифы), то общая длина L растёт по закону dL/dt = E · (L/G), то есть экспоненциально с удельной скоростью μ = E/G. При E = 60 мкм/ч и G = 150 мкм: μ = 0,4 ч⁻¹, время удвоения длины ln2/μ ≈ 1,7 ч — сопоставимо с удвоением дрожжей.

Линейный рост колонии. Колония расширяется со скоростью K_r = w · μ, где w — ширина периферийной растущей зоны (у плесеней — миллиметры). Отсюда радиус увеличивается на постоянную величину в сутки, хотя биомасса внутри растёт экспоненциально, пока не исчерпается пища.

Дрожжи в пиве. При удвоении за 90 минут за сутки проходит 24 · 60 / 90 = 16 поколений, и одна клетка даёт 2¹⁶ = 65 536 клеток. На практике пивовары вносят около 10 млн клеток на миллилитр сусла, и за брожение их число вырастает лишь в несколько раз: рост останавливает недостаток кислорода и азота, а не сахара.

Сферула кокцидиоидеса. Сфера диаметром 80 мкм имеет объём около 2,7·10⁵ мкм³; эндоспора диаметром 3 мкм — около 14 мкм³; по объёму в сферуле поместились бы тысячи эндоспор, а наблюдают сотни: часть объёма занимают стенка, цитоплазма и перегородки. Макрофаг диаметром 20 мкм поглотить её не может, а эндоспоры — может, но они рассеиваются сотнями.

Гистидинкиназы. DRK1 — гибридная гистидинкиназа двухкомпонентной системы, типичной для бактерий и растений; у животных таких белков нет. Поэтому она привлекательна как мишень: вещество, блокирующее DRK1, оставило бы патоген в безвредной мицелиальной форме при 37 °C, не задевая белков человека.

Задания с разбором

Задание 1

Перечислите основные формы тела грибов и приведите по два примера каждой. Почему форма тела не является систематическим признаком?

Задание 2

Почему общая длина гиф мицелия растёт экспоненциально, хотя каждая верхушка растёт с постоянной скоростью? Почему колония на чашке расширяется линейно?

Задание 3

Что такое плектенхима? Чем прозенхима отличается от псевдопаренхимы и почему ткани грибов называют ложными?

Задание 4

Как устроены ризоморфы опёнка и тяжи домового гриба? Какую функцию они выполняют?

Задание 5

Дайте определение дрожжей. Назовите три способа деления дрожжевых клеток и приведите примеры.

Задание 6

Что показало сравнение геномов о происхождении дрожжей? Что такое «скрытая гомология»?

Задание 7

Как связано удвоение генома предка пекарских дрожжей с их способностью к брожению? При чём тут цветковые растения?

Задание 8

Чем отличаются почкование дрожжей и рост гифы на клеточном уровне? Что нужно изменить в дрожжевой клетке, чтобы она росла гифой?

Задание 9

Что такое псевдомицелий и чем он отличается от настоящего мицелия? Что открыла группа Финка в 1992 году?

Задание 10

Что такое диморфизм? Назовите четыре типа диморфизма по сигналу переключения и приведите примеры.

Задание 11

Почему возбудители системных микозов в почве растут мицелием, а в теле человека — дрожжами? Чем отличается стратегия кокцидиоидеса?

Задание 12

Какую роль играет киназа DRK1? Почему её считают перспективной мишенью для лекарств?

Задание 13

Какие формы образует кандида и какие сигналы включают переход к гифам? Почему мутанты, запертые в одной форме, слабо болезнетворны?

Задание 14

Как мукор переходит к дрожжевому росту и что показали мутанты без кальциневрина? Чем мукор отличается от гистоплазмы по роли форм в болезни?

Задание 15 (олимпиадное)

Верхушки гиф растут со скоростью 60 мкм/ч, единица роста гифы равна 150 мкм. Найдите удельную скорость роста общей длины мицелия и время её удвоения. Во сколько раз увеличится общая длина за 10 часов экспоненциального роста?

Задание 16 (олимпиадное)

Сферула кокцидиоидеса имеет диаметр 80 мкм, эндоспора — 3 мкм. Оцените, сколько эндоспор могло бы поместиться в сферуле, если эндоспоры занимают 60 % её объёма. Сравните сферулу с макрофагом диаметром 20 мкм по объёму.

Литература

1. Barnett J. A. Beginnings of microbiology and biochemistry: the contribution of yeast research // Microbiology. 2003. Vol. 149. P. 557–567.
2. Nguyen C., Barker B. M., Hoover S. et al. Recent advances in our understanding of the environmental, epidemiological, immunological, and clinical dimensions of coccidioidomycosis // Clinical Microbiology Reviews. 2013. Vol. 26. P. 505–525.
3. Klein B. S., Tebbets B. Dimorphism and virulence in fungi // Current Opinion in Microbiology. 2007. Vol. 10. P. 314–319.
4. Gimeno C. J., Ljungdahl P. O., Styles C. A., Fink G. R. Unipolar cell divisions in the yeast S. cerevisiae lead to filamentous growth: regulation by starvation and RAS // Cell. 1992. Vol. 68. P. 1077–1090.
5. Nemecek J. C., Wüthrich M., Klein B. S. Global control of dimorphism and virulence in fungi // Science. 2006. Vol. 312. P. 583–588.
6. Nagy L. G., Ohm R. A., Kovács G. M. et al. Latent homology and convergent regulatory evolution underlies the repeated emergence of yeasts // Nature Communications. 2014. Vol. 5. Art. 4471.
7. Webster J., Weber R. W. S. Introduction to Fungi. 3rd ed. Cambridge: Cambridge University Press, 2007.
8. Гарибова Л. В., Лекомцева С. Н. Основы микологии: морфология и систематика грибов и грибоподобных организмов. М.: Товарищество научных изданий КМК, 2005.
9. Trinci A. P. J. A study of the kinetics of hyphal extension and branch initiation of fungal mycelia // Journal of General Microbiology. 1974. Vol. 81. P. 225–236.
10. Alexopoulos C. J., Mims C. W., Blackwell M. Introductory Mycology. 4th ed. New York: John Wiley & Sons, 1996.
11. Kurtzman C. P., Fell J. W., Boekhout T. (eds.) The Yeasts: A Taxonomic Study. 5th ed. Amsterdam: Elsevier, 2011.
12. Stefanini I., Dapporto L., Legras J.-L. et al. Role of social wasps in Saccharomyces cerevisiae ecology and evolution // Proceedings of the National Academy of Sciences USA. 2012. Vol. 109. P. 13398–13403.
13. Wolfe K. H., Shields D. C. Molecular evidence for an ancient duplication of the entire yeast genome // Nature. 1997. Vol. 387. P. 708–713.
14. Sudbery P. E. Growth of Candida albicans hyphae // Nature Reviews Microbiology. 2011. Vol. 9. P. 737–748.
15. Steinberg G., Peñalva M. A., Riquelme M., Wösten H. A., Harris S. D. Cell biology of hyphal growth // Microbiology Spectrum. 2017. Vol. 5. FUNK-0034-2016.
16. Herskowitz I. Life cycle of the budding yeast Saccharomyces cerevisiae // Microbiological Reviews. 1988. Vol. 52. P. 536–553.
17. Egel R. (ed.) The Molecular Biology of Schizosaccharomyces pombe. Berlin: Springer, 2004.
18. Ratcliff W. C., Denison R. F., Borrello M., Travisano M. Experimental evolution of multicellularity // Proceedings of the National Academy of Sciences USA. 2012. Vol. 109. P. 1595–1600.
19. Bozdag G. O., Zamani-Dahaj S. A., Day T. C. et al. De novo evolution of macroscopic multicellularity // Nature. 2023. Vol. 617. P. 747–754.
20. Sterflinger K. Black yeasts and meristematic fungi: ecology, diversity and identification // Biodiversity and Ecophysiology of Yeasts / Ed. C. Rosa, G. Péter. Berlin: Springer, 2006. P. 501–514.
21. Gauthier G. M. Dimorphism in fungal pathogens of mammals, plants, and insects // PLoS Pathogens. 2015. Vol. 11. e1004608.
22. Sudbery P., Gow N., Berman J. The distinct morphogenic states of Candida albicans // Trends in Microbiology. 2004. Vol. 12. P. 317–324.
23. Moyes D. L., Wilson D., Richardson J. P. et al. Candidalysin is a fungal peptide toxin critical for mucosal infection // Nature. 2016. Vol. 532. P. 64–68.
24. Lee S. C., Li A., Calo S., Heitman J. Calcineurin plays key roles in the dimorphic transition and virulence of the human pathogenic zygomycete Mucor circinelloides // PLoS Pathogens. 2013. Vol. 9. e1003625.
25. Brefort T., Doehlemann G., Mendoza-Mendoza A. et al. Ustilago maydis as a pathogen // Annual Review of Phytopathology. 2009. Vol. 47. P. 423–445.
26. Mix A. J. A monograph of the genus Taphrina // University of Kansas Science Bulletin. 1949. Vol. 33. P. 3–167.
27. Gerstein A. C., Fu M. S., Mukaremera L. et al. Polyploid titan cells produce haploid and aneuploid progeny to promote stress adaptation // mBio. 2015. Vol. 6. e01340-15.
28. Deacon J. W. Fungal Biology. 4th ed. Malden: Blackwell Publishing, 2006.
29. Papagianni M. Fungal morphology and metabolite production in submerged mycelial processes // Biotechnology Advances. 2004. Vol. 22. P. 189–259.
30. Wiebe M. G. Myco-protein from Fusarium venenatum: a well-established product for human consumption // Applied Microbiology and Biotechnology. 2002. Vol. 58. P. 421–427.
31. Latgé J.-P. Aspergillus fumigatus and aspergillosis // Clinical Microbiology Reviews. 1999. Vol. 12. P. 310–350.