6种黏菌原生质团化学元素的特征1)

宋晓霞 王 琦 李 玉

(食药用菌教育部工程研究中心(吉林农业大学)，长春，130118)

6种黏菌原生质团化学元素的特征1)

宋晓霞 王 琦 李 玉

(食药用菌教育部工程研究中心(吉林农业大学)，长春，130118)

在对黏菌绒泡菌目淡黄绒泡菌、煤绒菌、针箍菌、大孢钙皮菌、鳞钙皮菌和暗孢钙皮菌6种原生质团形态特征进行观察的基础上，利用能量色散X射线分析(EDX)技术对其冻干粉末进行化学元素组成及质量分数分析。结果表明：6种黏菌原生质团的化学元素组成及质量分数与其形态特征有密切的联系。它们共同含有C、O、Na、Mg、P、S、K、Ca 8种元素，部分含有Al、Si和Cl元素；不同物种中各元素的质量分数不同，C、Na、P和Ca元素质量分数的变化规律与6种黏菌隶属的科分类阶元有关，O、S、K、Mg质量分数与6种原生质团在统一培养条件下爬行时偏好的形态特征有关。

黏菌；显型原生质团；形态特征；化学元素；能量色散X射线分析

黏菌是一类广泛分布在温带森林生态系统中的微生物，它的营养体——原生质团是一个内部包含许多细胞核的单细胞结构，通过与细菌、真菌、原生动物等生物之间的相互协作关系积极参与着森林生态系统中倒木、枯枝落叶等物质的降解、氮元素的固定等[1-3]。目前，黏菌原生质团主要分为：原始型原生质团、隐型原生质团、团毛型原生质团和显型原生质团4种类型[4]。其中，显型原生质团因其形态较大，不仅能经常在野外被观察到，而且很容易在实验室培养成功，已经被广泛作为生物学科研、教学，细胞衰老和癌症研究，生物趋食物性策略和选择机理研究的重要模式材料[5-7]。生物与其生境的相互选择是两者长期进化的结果，生境中的资源和约束条件塑造了生物的形态和生理，其中生物内部所含有的化学元素就是环境资源在生物体内遗留的印迹之一[8]。能量色散X射线分析(EDX)技术是一种能快速检测物体表面化学元素的技术，已经被广泛用于活生物体各结构表面的化学元素分析[9-10]。但目前在黏菌中，EDX技术只被用于子实体囊被和柄结构表面的化学元素分析[11-18]，尚无用于对淡黄绒泡菌(Physarummelleum)、煤绒菌(Fuligosepica)、针箍菌(Physarellaoblonga)、鳞钙皮菌(Didymiumsquamulosum)、大孢钙皮菌(Didymiummegalosporum)和暗孢钙皮菌(Didymiummelanospermum)6种显型原生质团的化学元素研究。因此，在比对分析6种黏菌原生质团形态特征的基础上，采用EDX技术对其化学元素特征进行分析，从而来探寻各种化学元素在原生质团形态和生理活动中的作用。

1 材料与方法

1.1 供试材料

6种黏菌采集信息见表1，物种鉴定详细过程参照朱鹤等[19]。

1.2 原生质团培养方法

原生质团的培养方法参照Liu Pu等[20]，所用培养基为3%燕麦琼脂培养基，20～25 ℃培养。

表1 黏菌采集信息

1.3 化学元素测定方法

用盖玻片水平切取6种成熟原生质团部分扇形前沿区域放入离心管中，用液氮速冻后经冻干机冻干，在离心管中用玻璃研磨棒将冻干的原生质团研碎备用。在体式显微镜下，将原生质团粉末均匀涂抹在样品台上的电用双面胶表面。用扫描电镜确定分析面后，用能量色散X射线自动记录各分析样面表面化学元素种类的分布图谱及质量分数(每个元素的质量所占总元素质量的比例)，加速电压为15 kV，测试时间为100 s，每个原生质团分别取3个分析样面进行测定和统计学分析。

2 结果与分析

2.1 6种黏菌原生质团形态特征

6种黏菌都为绒泡菌目物种，它们的原生质团都具有显型原生质团典型的伸展面扇形、后端网脉状的结构[4]，其中隶属于绒泡菌科的淡黄绒泡菌、煤绒菌、针箍菌都为淡黄色，隶属于钙皮菌科的大孢钙皮菌和暗孢钙皮菌都为黄绿色、鳞钙皮菌为白色(图1)。

A.淡黄绒泡菌；B.煤绒菌；C.针箍菌；D.大孢钙皮菌；E.暗孢钙皮菌；F.鳞钙皮菌。

显型原生质团可以通过内部细胞核的持续有丝分裂、与其它原生质团进行融合来不断改变原生质团的生物量；通过内部细胞质的节律性往返运动和重新分配来不断改变原生质团爬行形状和方向[21]。虽然在这一点上6种黏菌原生质团具有共性，但是在3%燕麦琼脂统一培养条件下，6种黏菌原生质团在爬行时呈现出对一些形态特征的偏好性，可分为两大类：一类是以煤绒菌原生质团为主；一类是以大孢钙皮菌原生质团为主。在爬行时，煤绒菌原生质团经常选择向不同方向独立伸出几个长主脉的方式向前移动(图2A)，即使伸展面为扇形结构时，其旁边也能经常观察到独立的一个分支(图1B)。一般伸展面为扇形结构的后端网孔都比较大，呈不规则状(图1B，图2A)。鳞钙皮菌原生质团也经常选择伸出一个长主脉的方式向前移动(图2B)，并且其前端的菌脉可完全断裂呈一个原生质不均匀分布的聚集区(图2C)。大孢钙皮菌原生质团经常以一个扇形结构整体向前移动，伸展面前沿的细胞质边缘明确(图1D)，而且可在菌脉的两侧同时伸出伪足，呈现一个近似无网孔的原生质团结构(图2E)。在这一点上，淡黄绒泡菌(图2F)和暗孢钙皮菌(图2G)与大孢钙皮菌一致。另外，针箍菌对这两类形态特征的偏好性无差异，能经常同时观察到这2种形态特征(图2D，图2H)。

2.2 原生质团化学元素特征

经EDX技术检测(表2)：6种黏菌原生质团共同含有C、O、Na、Mg、P、S、K、Ca 8种元素，它们是生命中的大量元素。其中，C元素质量分数最高(45%～66%)，其次是O元素(21%～45%)。这符合它们作为生命物质基本元素的特征，主要以有机态参与着生物组织、器官等结构的构建和各种生物大分子的组成，所以在形态特征上存在共性的6种原生质团中检测到了差异不大的C元素含量，其中3个钙皮菌科物种的质量分数比3个绒泡菌科物种略高。另外，除了有机态外，O元素还是生物生存所必需的无机态水分子中的最主要组成元素之一，这可能是6种原生质团中O元素含量差异较大的主要原因。由于冻干时会造成原生质团水分的散失，这样含水量较高的原生质团经冻干后O元素的含量最低，相反则最高。在爬行时偏好整体呈扇形结构的大孢钙皮菌、暗孢钙皮菌和淡黄绒泡菌原生质团的O元素质量分数为25.06%～33.73%，偏好延伸主脉的煤绒菌和鳞钙皮菌原生质团O元素质量分数在42%以上，爬行时2种形态特征都偏好的针箍菌原生质团O元素质量分数最低，为21.85%，说明原生质团爬行时偏好的形态特征与其内部的含水量有关。

A.煤绒菌；B-C.鳞钙皮菌；D、H.针箍菌；E.大孢钙皮菌；F.淡黄绒泡菌；G.暗孢钙皮菌。

表2 黏菌原生质团的化学元素种类及质量分数 %

Ca、Mg、K和Na元素主要以离子态参与着生物的各种生命活动，如细胞渗透平衡和营养物质运输等。在6个原生质团中，它们的质量分数分别为2.00%～15.00%，0.29%～0.76%，0.58%～10.00%、0.27～0.68%。已有研究证明显型原生质团——多头绒泡菌(Physarumpolycephalum)中含有Ca、Mg、K、Na 4种离子[22-23]，特别是前3种离子与原生质团运动有关，是原生质团收缩蛋白聚合和收缩时必需的元素[24-25]。研究表明原生质团不同部位存在的各元素离子态的浓度不同，Mg2+在胞内和胞外的浓度相差不大，Ca2+浓度在胞外较大[23]，而且在爬行中的原生质团前端平均浓度比后端高[26]。由于取样主要取的是每个原生质团的扇形前沿部分，直接检测冻干粉末，暂时还不能确定各种元素位于胞外还是胞内。但4种元素的质量分数在6种黏菌原生质团中的分布有规律性，与3个绒泡菌科物种相比，3个钙皮菌科物种具有较低的Ca元素质量分数、较高的Na元素质量分数；爬行时偏好2种形态特征的针箍菌原生质团具有较高的Mg和K元素质量分数，其次是偏好整体呈扇形结构的淡黄绒泡菌、大孢钙皮菌和暗孢钙皮菌，最后是偏好主脉延伸的煤绒菌和鳞钙皮菌。

P元素不仅是磷脂、核蛋白的主要组成成分，而且是许多酶、ATP的主要成分，它积极参与着原生质团的新陈代谢、内部原生质流的节律性往返运动等[27]，6种黏菌原生质团的P质量分数为0.8%～4.0%，其中3个钙皮菌科物种的P质量分数都高于3个绒泡菌科物种；S元素是蛋白质的重要组成成分之一，积极参与着许多酶和多糖等重要生命化合物的组成，在爬行时采用2种方式的针箍菌拥有最高的S元素质量分数，为9.09%；采用扇形结构的淡黄绒泡菌、大孢钙皮菌和暗孢钙皮菌质量分数为1.11%～3.65%；采用主脉延伸的煤绒菌和鳞钙皮菌质量分数为0.40%～0.58%。它还是产生黄色的主要元素之一，在6个原生质团中唯一不带黄色的鳞钙皮菌原生质团具有最低的S元素质量分数，仅0.4%。另外，Cl元素是天然淡水和海洋中的大量元素，而Al和Si主要是土壤中的大量元素，而显型原生质团在森林生态系统中偏爱的基物类型就是潮湿的与土壤接触的枯枝落叶或腐烂倒木等[4]，这可能是在部分原生质团中检测到该元素的原因，其中针箍菌原生质团拥有最高的3种元素质量分数，其次是暗孢钙皮菌，最后是淡黄绒泡菌(Al和Si元素)和煤绒菌(Cl)。

3 结论与讨论

6种黏菌原生质团在形态特征上存在共性而且易变，除颜色部分略有差异之外，很难从原生质团形态特征上来区别，而且它们在化学元素组成上也有共性，共同含有C、O、Na、Mg、P、S、K、Ca 8种元素，部分物种中检测到Al、Si和Cl元素。从这11种元素在6种原生质团所占的质量分数来看，与它们在生命细胞中所占比例的规律相似，明显与水、土壤、岩石、空气等无生命物体主要含有的化学元素不同。虽然暂时无法确定每个物种所含元素的具体质量，但是从各化学元素的相对质量分数来看，与隶属于绒泡菌科的淡黄绒泡菌、煤绒菌和针箍菌原生质团相比，隶属于钙皮菌科的大孢钙皮菌、鳞钙皮菌和暗孢钙皮菌拥有较高的C、Na和P元素质量分数，较低的Ca元素质量分数。

6种黏菌原生质团在同一培养条件下，爬行时偏好的形态特征不同：煤绒菌和鳞钙皮菌偏好延伸主脉，大孢钙皮菌、暗孢钙皮菌和淡黄绒泡菌偏好整体呈扇形结构，针箍菌2种形态特征都偏好。三者含有的相同化学元素相比，第三者含有最低的O元素质量分数，最高的S、K和Mg元素质量分数；第一者含有最高的O元素质量分数，最低的S、K和Mg元素质量分数；第二者位于两者之间。前面已经提到O元素质量分数的差异可能是原生质团内部含水量的不同所造成的，这样主要以离子态存在于生物体中的K和Mg元素质量分数与之相反，则成为可能。说明不同培养条件下生理条件的不同可能是原生质团形态特征易变的主要因素。

由于EDX技术无法明确各种化学元素在生物体内各存在形式的质量比例，但是基于各化学元素的原子结构，C、S、O和P元素主要以结合态存在于生物体内，Na、Ca、K和Mg元素主要以离子态存在于生物体内。对Ca元素来说，石灰质可能是其存在于绒泡菌目物种中的最主要形式，已有研究证明它广泛存在于绒泡菌目物种的原生质团和子实体中[11，17，28-29]。Schoknecht[11]利用EDX技术检测绒泡菌科和钙皮菌科物种子实体囊被表面的石灰质化学元素时就发现：检测的11种绒泡菌科物种中都含有Ca和P元素(包括针箍菌)；10种钙皮菌科物种中都含有Ca元素(包括鳞钙皮菌和暗孢钙皮菌)，其中仅有1种含有微量的P。说明各化学元素质量分数之间的差异除了生理条件的影响之外，可能还具有系统分类学的划分意义。

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Chemical Element Characteristics of Six Plasmodia in Myxomycetes/

Song Xiaoxia, Wang Qi, Li Yu(Engineering Research Center of Chinese Ministry of Education for Edible and Medicinal Fungi, Jilin Agricultural University, Changchun 130118, P. R. China)//Journal of Northeast Forestry University.-2014,42(1).-112～115，121

Myxomycetes; Phaneroplasmodium; Morphological characteristics; Chemical elements; Energy dispersive X-ray analysis (EDX)

1) 国家自然科学基金(31070012)；博士学科点专项科研基金(20102223110001)。

宋晓霞，女，1983年9月生，食药用菌教育部工程研究中心(吉林农业大学)，博士研究生。

王琦，食药用菌教育部工程研究中心(吉林农业大学)，教授。E-mail：qwang2003@hotmail.com。

2013年4月9日。

Q939

责任编辑：程 红。

The experiment was conducted to study the type and relative content of chemical element among freeze-dried powder of six plasmodia in Myxomycetes, involvingPhysarummelleum,Fuligoseptica,Physarellaoblonga,Didymiummegalosporum,DidymiumsquamulosumandDidymiummelanospermum, by Energy Dispersive X-ray analysis (EDX) based on their morphological characteristics. The characteristics of chemical element are closely relative to their morphological characteristics. Eight elements, including carbon, oxygen, sodium, magnesium, phosphorus, sulphur, potassium and calcium, are in all six plasmodia, and three elements, including aluminium, silicon and chlorine, are only in part of plasmodia. The relative content of chemical element is different in each plasmodium. The relative contents of carbon, sodium, phosphorus and calcium in each plasmodium are close to its belonged families, and those of oxygen, sulphur, potassium and magnesium are close to its preferred morphological characteristics under same cultured condition.