第三節(jié) 放線菌 放線菌是一大類形態(tài)極為多樣（桿狀到絲狀）、多數(shù)呈絲狀生長的原核微生物。它的細(xì)胞構(gòu)造、細(xì)胞壁的化學(xué)成分和對噬菌體的敏感性與細(xì)菌相同，但在菌絲的形成和以外生孢子繁殖等方面則類似于絲狀真菌。它以菌落呈放射狀而得名。
放線菌大多數(shù)為腐生菌，少數(shù)為寄生菌。它在自然界中分布極廣，主要習(xí)居于土壤之中。每克土壤中含有數(shù)萬乃至數(shù)百萬個(gè)放線菌的孢子，一般在中性或偏堿性的土壤中較多。土壤特有的腥味主要是由放線菌所產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物引起的。
放線菌是產(chǎn)生抗生素的主要微生物。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，到目前為止，已篩選出抗生素達(dá)9000種以上，每年還新增百余種。其中放線菌產(chǎn)生的抗生素占多數(shù)，而鏈霉菌產(chǎn)的抗生素又占放線菌總數(shù)的80％。因此，本節(jié)內(nèi)容側(cè)重于鏈霉菌屬。但近年來一個(gè)明顯趨勢是從稀有放線菌發(fā)現(xiàn)的新抗生素日益增多。
放線菌的產(chǎn)物在醫(yī)藥、衛(wèi)生、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、食品加工等方面已得到廣泛應(yīng)用，如由弗氏鏈霉菌產(chǎn)生的蛋白酶已在制革工業(yè)中用以脫毛，游動(dòng)放線菌產(chǎn)生的葡萄糖異構(gòu)酶已用于生產(chǎn)，還從灰色鏈霉菌的發(fā)酵液中提取維生素B12等。此外，在酶抑制劑、甾體轉(zhuǎn)化、烴類發(fā)酵、污水處理等方面也有所應(yīng)用。寄生性放線菌則能引起某些動(dòng)植物病害。
一、放線菌的形態(tài)和構(gòu)造 放線菌的形態(tài)較細(xì)菌復(fù)雜，大部分放線菌菌體由菌絲體構(gòu)成，但它仍屬單細(xì)胞，革蘭氏染色陽性。菌絲體分為基內(nèi)菌絲和氣生菌絲，氣生菌絲在無性繁殖中分化有孢子絲、孢囊和孢子等。
（一）菌絲及孢子絲
1．基內(nèi)菌絲
它是營養(yǎng)型一級菌絲，長在培養(yǎng)基內(nèi)或表面（圖2-46左）。其主要功能是吸收營養(yǎng)物，所以又稱營養(yǎng)菌絲。一般無橫隔膜（諾卡氏菌除外），直徑0.2～1.2μm，分枝繁茂，無色或產(chǎn)生水溶性或脂溶性色素而呈現(xiàn)黃、綠、橙、紅、紫、藍(lán)、褐、黑等各種顏色。
2．氣生菌絲
這是由基內(nèi)菌絲分枝向培養(yǎng)基上空伸展的二級菌絲，鏡檢觀察其顏色較深且較基內(nèi)菌絲粗，直徑為1～1.4μm，直形或彎曲狀，有分枝，有的產(chǎn)生色素（圖2-46右）。
圖2-46 鏈霉菌的基內(nèi)菌絲與氣生菌絲（孕育菌絲） 3.孢子絲及孢子
孢子絲是由氣生菌絲分枝部分分化的具有形成孢子作用的繁殖菌絲，有直、波曲、螺旋和輪生等形狀，鏈霉菌的常見孢子絲形態(tài)如圖2-47所示。
圖2-47 鏈霉菌的常見孢子絲形態(tài) 螺旋的數(shù)量、大小和疏密隨不同的種而異。孢子絲上形成成串的孢子。孢子有球形、橢圓形、桿形、柱形和瓜子形等。同一孢子絲上分化的孢子，其形狀、大小有時(shí)不一致。因此孢子的形狀和大小不能作為區(qū)分種的唯一依據(jù)，而必須結(jié)合孢子的表面來進(jìn)行區(qū)分。據(jù)目前的發(fā)現(xiàn)，孢子絲直或波曲者，其孢子表面光滑，尚未發(fā)現(xiàn)這類孢子有帶刺的或毛發(fā)狀；孢子絲為螺旋形者，其孢子表面則因種而異：有的光滑，有的刺狀，有的毛發(fā)狀。常見的鏈霉菌孢子絲形態(tài)見圖2-48（垂直型）、圖2-49（松螺旋型）、圖2-50（緊螺旋型）、圖2-51（單輪無螺旋型）、圖2-52（雙輪螺旋型）。
圖2-48 一種產(chǎn)生antimycin的鏈霉菌（垂直型）
圖2-49 一種產(chǎn)生ankinomycin的鏈霉菌（松螺旋型）
圖2-50 一種產(chǎn)生ε-poly–L-lysine的鏈霉菌（緊螺旋型）
圖2-51 一種產(chǎn)生leucomycin的鏈霉菌（單輪無螺旋型）
圖2-52 一種產(chǎn)生deoxylaidlomycin的鏈霉菌（雙輪螺旋型） 4．孢囊及孢囊孢子和游動(dòng)孢子
孢囊鏈霉菌（
Strptosporangium）孢囊發(fā)育于基內(nèi)菌絲或氣生菌絲，通常近似圓形。孢囊內(nèi)形成的孢子有球形、橢圓形或桿狀。具有鞭毛能游動(dòng)的稱為游動(dòng)孢子；沒有鞭毛不能游動(dòng)的稱為孢囊孢子。游動(dòng)孢子的鞭毛有一個(gè)單生，或兩個(gè)生在一起，或多數(shù)叢生，或周生（圖2-53）。
放線菌孢子常具有色素，呈白、灰、黃、橙黃、紅、藍(lán)、綠等顏色。成熟的孢子堆，其顏色在一定培養(yǎng)基與培養(yǎng)條件下比較穩(wěn)定。因此，顏色是鑒定此類菌種的重要依據(jù)之一。
圖2-53 孢囊鏈霉菌的孢囊及孢囊孢子 （二）菌落形態(tài)
由菌絲體組成的菌落一般為圓形，禿平或有許多皺褶和地衣狀。由于放線菌的氣生菌絲較細(xì)，生長緩慢，菌絲分枝相互交錯(cuò)纏繞，所以形成的菌落質(zhì)地致密，表面呈較緊密的絨狀，堅(jiān)實(shí)、干燥、多皺，菌落較小而不延伸。
菌落形成隨菌種而不同。一類是產(chǎn)生大量分枝的基內(nèi)菌絲和氣生菌絲的菌種，如鏈霉菌（
Streptomyces），基內(nèi)菌絲伸入基質(zhì)內(nèi)，菌落緊貼培養(yǎng)基表面，極堅(jiān)硬，若用接種鏟來挑取，可將整個(gè)菌落自表面挑起而不破裂。菌落表面起初光滑或如發(fā)狀纏結(jié)，其后在上面產(chǎn)生孢子，表面呈粉狀、顆粒狀或絮狀。氣生菌絲有時(shí)呈同心環(huán)（圖2-54）。
圖2-54 鏈霉菌菌落示例 另一類是不產(chǎn)生大量菌絲的菌種，如諾卡氏菌（
Nocardia）所形成的菌落。這類菌菌落的黏著力不如上述的強(qiáng)，結(jié)構(gòu)成粉質(zhì)，用針挑取則粉碎（圖2-55），所以放線菌菌落不同于細(xì)菌。
在放線菌菌落表面常產(chǎn)生聚集成點(diǎn)狀的白色或黃色菌絲，它們是次生菌絲，產(chǎn)生孢子。普通染色劑如次甲基藍(lán)、結(jié)晶紫和石炭酸品紅都可作為氣生菌絲、基內(nèi)菌絲和孢子的染料。
圖2-55 某種諾卡氏菌菌落與基內(nèi)菌絲
二、放線菌的繁殖 放線菌以無性方式繁殖，主要是形成孢子，也可通過菌絲斷片繁殖。
鏈霉菌生長到一定階段，一部分氣生菌絲分化為孢子絲，孢子絲成熟便形成許多孢子。其生活史見圖2-56。
以前人們認(rèn)為，形成孢子的形式有凝聚和橫隔分裂兩種。但從電子顯微鏡觀察超薄切片的結(jié)果表明，孢子絲形成孢子只有橫隔分裂而無凝聚過程。橫隔分裂有兩種方式。
1）胞質(zhì)膜內(nèi)陷，逐漸向內(nèi)收縮并合成橫隔膜，孢子絲分隔成許多孢子。
2）細(xì)胞壁和質(zhì)膜同時(shí)內(nèi)陷，向內(nèi)縊縮，孢子絲縊裂成連串的孢子。
圖2-57表示橫隔分裂形成孢子的過程。
另外有些放線菌可在菌絲上形成孢子囊，在孢囊內(nèi)形成孢囊孢子。孢囊成熟后釋放出大量孢囊孢子。
在液體培養(yǎng)中，放線菌主要靠菌絲斷裂片斷進(jìn)行繁殖。
圖2-56 鏈霉菌生活史
圖2-57 孢子絲分隔成孢子
三、放線菌的分類 放線菌菌體外貌雖像真菌而微細(xì)，但其細(xì)胞結(jié)構(gòu)屬于原核細(xì)胞型，與細(xì)菌同屬原核生物界,而以分核的絲狀菌體區(qū)別于細(xì)菌。
（一）放線菌目的分科檢索表
在分類上放線菌作為一個(gè)目。放線菌目的分類以形態(tài)學(xué)上的差異為依據(jù)?，F(xiàn)主要根據(jù)基內(nèi)菌絲的生長狀況以及孢子著生方式，將其中主要的8個(gè)科區(qū)分如下。
放線菌目分科檢索表
1．菌絲體向四面八方分裂、基內(nèi)菌絲頂端尖細(xì)，內(nèi)部絲橫分裂呈立體形細(xì)胞………………………………………………………………………………嗜皮菌科（Dermatcphiloceae）
2．菌絲體沿菌絲長軸作垂直方向分裂
（1）基內(nèi)菌絲體斷裂，無氣生菌絲，不產(chǎn)生孢子
A．雛形基內(nèi)菌絲斷裂為VY和T型細(xì)胞…………………放線菌科（Actinomycetaceae）
B．基內(nèi)菌絲有分枝，橫隔、迅速斷裂為桿狀、球狀…………諾卡氏菌科（Nocardiaceae）
（2）基內(nèi)菌絲體不斷裂
A.孢子生長在短梗上或孢子絲上
（A）孢子單個(gè)著生
a.單個(gè)孢子著生在基絲的短梗上，基絲纖細(xì)，0.2～0.6μm……………小單孢菌科（Micromonosporcrpceae）
b.單個(gè)孢子著生在氣絲和基絲的短梗上，在高溫中生長……………高溫放線菌科
(Thermoactinomycetaceae）
（B）2～20個(gè)孢子著生在氣絲和基絲的短孢子梗上………………………小多孢菌科（Micropolysporoceae）
（C）孢子在長鏈孢子絲上，氣絲豐茂，基絲無橫隔，直徑較粗………………鏈霉菌科
（Strepomycetaceae）
B.孢子形成于孢囊中，孢囊發(fā)生于氣絲或基絲上，孢子有鞭毛能游動(dòng)或無鞭毛不游動(dòng)……………………………………………………………游動(dòng)放線菌科（Actimoplanceae）
圖2-58、圖2-59和圖2-60分別顯示小單孢菌（
Micromonospora）、小雙孢菌（
Microbispora）和小四孢菌（
Microtetraspora）的形態(tài)。
圖2-60 小四孢菌 （二）放線菌屬和種的鑒定方法
放線菌的分類鑒定一向以形態(tài)和培養(yǎng)特征為主，生理生化和生態(tài)特征為輔。屬的鑒定常采用形態(tài)特征與細(xì)胞壁化學(xué)組分類型相結(jié)合的方法。
1.形態(tài)
首先將分離獲得的純菌種在光學(xué)顯微鏡及電子顯微鏡下鏡檢。將菌種接在葡萄糖天門冬素瓊脂或燕麥粉瓊脂上，進(jìn)行埋片或插蓋玻片法培養(yǎng)。分別在培養(yǎng)后的1天、3天、5天、7天、14天、20天取出載玻片或蓋玻片，用細(xì)胞壁染色法、鏡檢長在其表面的菌種在不同時(shí)間的發(fā)育情況?；驈纳L兩周左右的菌種斜面上挑取一小塊菌體，進(jìn)行壓片染色鏡檢。主要觀察基內(nèi)菌絲體有無橫隔和斷裂，了解氣絲生長的特點(diǎn)。另外要借助電子顯微鏡觀察孢子表面結(jié)構(gòu)和有無鞭毛等。
2．細(xì)胞壁化學(xué)組成
放線菌的細(xì)胞壁與細(xì)菌的一樣，其壁具有肽聚糖、胞壁酸、多糖等高分子物質(zhì)，但不同屬的成分和結(jié)構(gòu)并不相同。
此外，整個(gè)細(xì)胞含的糖類也不相同。用菌體水解液的上部清液蒸干后，將殘余物進(jìn)行紙層析點(diǎn)樣，另用標(biāo)準(zhǔn)糖或氨基酸作對照，顯色后，可以測定二庚基庚二酸和其他氨基酸，以及特征性糖，獲得的細(xì)胞壁化學(xué)組分型和全細(xì)胞糖類型作為屬的指標(biāo)。采用該法比以前以純形態(tài)特征劃分屬更加可靠。
（三）放線菌的形態(tài)系統(tǒng)
放線菌的形態(tài)系統(tǒng)如圖2-61所示。
圖2-61 放線菌的形態(tài)系統(tǒng) （四）放線菌分類工具書
1）中科院微生物研究所放線菌分類組，鏈霉菌鑒定手冊，北京：科學(xué)出版社，1975。
2）The Society for Actinomycetes Japan，Atlas of Actinomycetes，Asakura Publishing Co．，Ltd．，1997。
（五）放線菌主要屬的簡捷分類
主要通過菌落觀察及油鏡鏡檢（圖2-62）。
圖2-62 放線菌主要屬的簡捷分類
四、發(fā)酵工業(yè)中常用的放線菌 （一）發(fā)酵工業(yè)中常用的放線菌
1.鏈霉菌屬
基絲一般無橫隔，直徑0.5～0.8μm，氣生菌絲生長豐茂，通常比基絲粗1～2倍，孢子絲為長鏈，單生，呈直、波曲或螺旋狀，成熟時(shí)呈現(xiàn)各種顏色，多生長在含水量較低、通氣較好的土壤中。它們是抗生素工業(yè)所用放線菌中最重要的屬。已知鏈霉菌屬有1000多種。許多著名的常用抗生素都是由鏈霉菌產(chǎn)生的，如鏈霉素、土霉素、井岡霉素、絲裂霉素、博來霉素、制霉菌素和卡那霉素等。
2.諾卡氏菌屬
基絲較鏈霉菌纖細(xì)，直徑0.2～0.6μm，有橫隔裂斷，一般無氣生菌絲，基絲培養(yǎng)十幾個(gè)小時(shí)形成橫隔，并斷裂成桿狀或球狀孢子。菌落較小，其邊緣多呈樹根毛狀；主要分布于土壤中；有些種能產(chǎn)生抗生素（如利福霉素、蟻霉素等），也可用于石油脫蠟及污水凈化中脫氰等。
3.小單孢菌屬
孢子單個(gè)著生在短孢子梗上，基絲較細(xì)，直徑0.3～0.6μm，基絲不斷裂，一般無氣生菌絲，在基絲上長出孢子梗。菌落較小。不少種產(chǎn)生抗生素，如慶大霉素、利福霉素等。
4.孢囊鏈霉菌屬
孢囊孢子無鞭毛，氣生菌絲的孢子絲盤卷成球形孢囊。其孢囊有兩層壁，外壁較厚，內(nèi)壁系薄膜，孢囊里形成孢囊孢子。這類菌亦可產(chǎn)生不少抗生素，如可抑制細(xì)菌、病毒和腫瘤的多霉素等。
（二）放線菌與細(xì)菌的異同
放線菌與細(xì)菌的異同如表2-12所示。
表2-12 放線菌和細(xì)菌的異同
| 特征 | 細(xì)菌 | 放線菌 |
| 細(xì)胞形態(tài) | 單細(xì)胞呈球狀、桿狀或螺旋狀，直徑或?qū)挾纫话阈∮?μm | 單細(xì)胞菌絲體，有氣生菌絲和基內(nèi)菌絲之分，直徑與細(xì)菌相似，但菌體比細(xì)菌大 |
| 細(xì)胞結(jié)構(gòu) | 沒有完整的核，無線粒體等細(xì)胞器，屬原核生物 | 與細(xì)菌同 |
| 細(xì)胞壁 | 細(xì)胞壁含胞壁酸、二氨基庚二酸，不含纖維素和幾丁質(zhì) | 與細(xì)菌同 |
| 菌落形態(tài) | 長于培養(yǎng)基表面，有各種形狀，易挑起 | 菌落一般緊密而小，菌絲深入培養(yǎng)基內(nèi)，有皺褶，難挑起 |
| 繁殖方式 | 主要為裂殖 | 分生孢子、孢囊孢子和菌絲斷裂 |
| 生長pH值 | 中性或微堿性 | 與細(xì)菌同 與細(xì)菌同 陽性 |
| 對抗生素和噬菌體革蘭氏染色反應(yīng) | 除抗真菌抗生素外，一般敏感陽性或陰性 |
