高中生物学酵母菌拓展知识概述

高中生物学酵母菌拓展知识概述

如先古力·如斯台木

温宿县第一中学

摘要：细胞呼吸是高中生物学学习的重点与难点。受教材知识内容所限，部分学生将酵母菌认定为一类用于酿酒和发面的真菌。而实际上至今已报道的酵母菌约有1500个种，且其分类学特征和生物学功能各异。为此，现就酵母菌的研究与应用进行梳理，为酵母菌知识的学习提供系统资料。

关键词：高中生物学；酵母菌；拓展；概述

人教版高中生物学必修和选修教材中均提到酵母菌，其既可以进行有氧呼吸，也可以进行无氧呼吸。教材同时介绍酵母菌是一类单细胞真菌，常常用于酿酒和发面。如果不加以知识扩展，学生很容易认为酵母菌就是一类用于酿酒和发面的真菌。而实际上至今已报道的酵母菌有148个属，约1500个种[1]，这些酵母菌的分类学特征和生物学功能各异。其中，部分酵母菌已广泛应用于食品、药品、农业等领域；部分酵母菌还是人体、动物和植物的致病菌。为了完善学生的知识体系，笔者对酵母菌的研究与应用进行了梳理，总结整理出相关资料，帮助学生系统学习酵母菌的相关知识。

1酵母菌概况

酵母菌并非是系统分类单元。根据产生孢子的能力，可将酵母菌分成3类：形成孢子的子囊菌和担子菌，不形成孢子的半知菌[2]。自然界酵母菌广泛分布于水体、土壤、动植物体内。酵母菌细胞除了具有细胞壁、细胞膜、线粒体等细胞结构外，有些种还具有荚膜鞭毛等。其形态和细胞直径也因种而异，一般为2~6μm，长度为5~30μum，最长可达100μm，有球状、卵圆、椭圆、柱状和香肠状等，有些酵母与其子代细胞连在一起成链状，形成假菌丝。酵母菌的繁殖方式主要有无性繁殖和有性繁殖两类，且以无性繁殖为主。

2有益酵母菌概况

2.1应用于食品领域

基于酿酒酵母既能进行有氧呼吸也能进行无氧呼吸的原理，目前已大量用于酿造酒水饮料、生产乳品与面包。此外，酵母菌中使用较多的还包括用于酿酒的真贝酵母，用于生产乳品的乳酸克鲁维酵母，用于生产面包的克鲁斯假丝酵母等[3]。酿酒酵母细胞中含有高达40%~55%的粗蛋白、丰富的B族维生素和其他活性成分，其细胞壁中含有高达30%~60%的葡聚糖，有助于家畜抵抗病毒和病原菌，提高机体免疫力。因此，酿酒酵母被大量用作生产单细胞蛋白质，用于动物饲料、人食品添加剂及微生物培养基[4]。酿酒酵母、马克思克鲁维酵母等酵母能分泌多种酶类，能够将玉米秆、甘蔗渣等发酵成高质量的家畜、水产动物饲.料。马克思克鲁维酵母分泌的菊糖酶能水解菊粉生产酒精、果糖和低聚果糖，分泌的β-半乳糖苷酶能水解乳糖，生产半乳糖和葡萄糖，分泌的果胶酶能水解植物细胞壁的果胶，用于果汁和葡萄酒的生产马克思克鲁维酵母、酿酒酵母、产朊假丝酵母、乳酸克鲁维酵母和卡氏酵母具有抑制病原菌，治疗肠炎、腹泻，降胆固醇，提高机体免疫力等功能[5]，已被批准用于人类的保健食品。

2.2应用于生物医药领域

1996年，人类完成了首个真核生物酿酒酵母的基因组测序。酿酒酵母与高等真核生物具有诸多相同的生化代谢途径，因此借助酵母异源表达基因，深人研究基因功能、筛选特定靶标药物成为医药领域研究技术的首选。该技术先后用于抗登革热塞卡和新型冠状病毒，抗肿瘤，抗炎等多种药物的筛选。例如，通过在酿酒酵母中表达血矛线虫潜在的药物靶标，筛选出9万个抗寄生虫的化合物；通过在酵母中表达自杀性基因，筛选出了人磷脂酰肌醇3-激酶和p38x激酶抑制剂；通过建立红、黄、青荧光蛋白酵母高通量筛选平台，筛选出了潜在的丙酮酸激酶1、周期蛋白依赖性蛋白激酶1、腺苷酸激酶1和RIO1/RIO2激酶的抑制剂'5。同时该方法还用于研究这些筛选药物的可能作用机制。

2.3应用于农业领域

某些酵母菌能介导植物诱导系统抗性和获得性系统抗性，进而提升作物抗病性和产量，因而在农业领域将其当作生物肥料。例如，锁掷孢酵母、热带假丝酵母等可以分泌吲哚乙酸、细胞分裂素等激素物质促进作物生长；异常毕赤酵母、粘红酵母等能促进磷、钾溶解性而提高作物产量，也可以分泌蛋白酶和嗜铁素等抑制植物病原菌的生长。此外，酵母菌具有可寄生、分泌裂解酶、与病原菌竞争养分与生存空间等特性，可以有效抑制蔬菜和水果表面的病原菌，进而延长其保质期，因此在蔬菜、水果保藏中大量应用。如季也蒙假丝酵母可以抑制西红柿和桃表面的灰霉病[6]。

2.4应用于生物工程领域

酵母菌具有调控严谨、表达强度高、易于高密度发酵和能进行蛋白后修饰等优点，在代谢工程、合成生物学中的作用明显。作为底盘细胞，将其相关基因编辑后，成功建立的甲基营养型酵母和非甲基营养型酵母表达系统已大量用于外源蛋白质的真核表达和活性物质的生产。甲基营养型酵母包括巴斯德毕赤酵母、多型汉逊氏酵母等5种，非甲基营养型酵母表达系统包括酿酒酵母、乳酸克鲁维酵母等9种。目前包括乙肝表面抗原表皮生长因子、干扰素、植酸酶、甘露聚糖酶等5000多种蛋白在酵母系统中得到成功表达，部分实现了产业化规模的生产。阿片类药物和青蒿素前体等小分子化合物也通过酵母成功生产

[7]。

2.5应用于土壤改良和化工领域

土壤中生活着大量的酵母菌，在矿化有机质、分解碳、溶磷促进氮硫循环等关键生态过程中作用明显[8]。胶红酵母、红冬孢酵母可以将土壤中的甲苯、苯和二甲苯转化为植物生长可用的碳。酿酒酵母分泌的纤维=二糖水解酶、纤维素酶和β-葡糖苷酶能够分解作物秸秆，提高土壤的有机质。油脂酵母能同化土壤中与几丁质、蛋白质等形成不溶性多聚化合物的氮形成咪唑、嘧啶等杂环化合物。马克思克鲁维酵母和产朊假丝酵母的一些株系可以通过主动或被动吸收的方式去除土壤中的重金属原子。此外，油脂酵母菌属、隐球菌属的一些酵母菌能够生产生物质燃料[9]。

3有害酵母菌概况

3.1引起人、动物病害

假丝酵母菌引发的疾病较为常见，特别是免疫功能低下的人群更容易被感染。假丝酵母菌属酵母也是目前报道的引发疾病最多的酵母类群，其可引发皮肤、黏膜、血液和内脏疾病，现已成为美国医院获得性血液感染病的第4大主因。在人体中能引发疾病的假丝酵母菌包括白色念珠菌，光滑念珠菌，耳念珠菌，热带念珠菌等。也有诸如白色念珠菌和新型隐球菌等酵母菌作为机会病原菌能感染多种器官，但大多数情况下不会引|起严重感染的报道[10]。。

3.2引起食品变质、腐败

在乳品、果蔬汁等原材料进行加工、运输、储藏的过程中会被酵母菌污染，将会改变食品原有的外观、口感以及质地。在乳品加工中，酿酒酵母、马克思克鲁维酵母和毕赤酵母属的许多种会产生乙醇及二氧化碳，破坏酸奶口感及风味，破坏酸奶外观、引发胀气现象。在糖浆、果酱、果汁等高糖食品中，耐渗透的拜尔结合酵母、粟酒裂殖酵母等容易引起变质。酒香酵母能引发葡萄酒变质。盔形毕赤酵母能降低黄瓜腌制溶液的pH，引发嗜酸菌的生长，引起后续的二次发酵，影响腌制黄瓜的口感。果蔬汁、牛奶中掺杂酵母菌后，其味道变酸、变臭也是一种普遍现象。

结语

本文从酵母菌概况、有益酵母菌概况、有害酵母菌概况三方面入手研究，随着更多酵母菌的发现和酵母菌相应基因功能的解析，酵母菌与人类的生活将更加密切，特别是在合成生物学、系统生物学等领域的作用将更加强大。

参考文献：

[1]张瑞元,朱翊凡,曾杜文等.利用酵母菌生产有机酸的研究进展[J].生物工程学报,2023,39(06):2231-2247.

[2]孙妩娟,王琴婷,王历历等.热带假丝酵母菌对含油污泥的修复潜力研究[J].石油与天然气化工,2022,51(04):113-118.

[3]白华,郑美芬.利用微课培养学生的生物学科核心素养——以“酵母菌和霉菌”一课为例[J].教育实践与研究(B),2022(06):57-59.

[4]李腾龙. 酵母菌对锡石、方解石、石英浮选特性研究[D].广西大学,2022.

[5]赵剑雷. 发酵蓝莓酒中不同酵母菌间相互作用机制初步研究[D].贵州大学,2022.

[6]郝小康,王宇鹤,徐世林等.不同培养基对白假丝酵母菌生物膜芽管形成的影响[J].中国微生态学杂志,2021,33(11):1269-1271.

[7]和平安,杨旭,吕梅等.白假丝酵母菌生物膜的研究进展[J].中国微生态学杂志,2020,32(10):1238-1241.

[8]杜静,吕乐.高中生物“探究酵母菌种群数量的变化”实验方案改进[J].科教导刊(下旬刊),2020(21):150-151+160.

[9]王希越,王洪伟,王月等.酵母菌为原料制备生物柴油工艺研究[J].应用化工,2020, 49(09):2199-2201.

[10]俞心怡. 酵母菌提升污水厂污泥脱水性能研究[D].宁波大学,2020.