全 文 ：生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
第22卷 第9期
2010年9月
Vol. 22, No. 9
Sep., 2010
文章编号 ：1004-0374(2010)09-0878-08
收稿日期：2010-02-11；修回日期：2010-03-11
基金项目：国家自然科学基金项目(30860010) ；广西
科学基金项目(桂科回0832006)；广西科研院所基本科
研业务费资助项目(08YJ16WL01)
*通讯作者：黄庶识，E-mail: hshushi@yahoo.com.cn；
陈丽梅，E-mail: chenlimeikm@yahoo.com.cn；Tel:
0771-2503990
芽孢杆菌孢子萌发机理的研究进展
程　琴1,2，黄庶识1*,2，陈丽梅1*
(1 昆明理工大学生物工程技术研究中心，昆明 650224；2 广西科学院生物物理实验室，南宁 530007)
摘 要：芽孢杆菌休眠孢子的萌发是孢子恢复到营养生长的第一个决定性步骤。孢子被营养性萌发剂和
各种非营养信号诱导而萌发恢复到营养细胞状态。芽孢萌发后就丧失了对外界胁迫的抵抗力。该文主要
从芽孢萌发信号传导、营养萌发受体、萌发中的离子通道、皮层溶解酶的功能、非营养诱导萌发和
萌发途径等方面阐述芽孢杆菌孢子萌发机理的进展，并对其前景作了简要评述。
关键词：芽孢杆菌；孢子萌发；机理
中图分类号：Q 9 3 5；Q 9 3 7　　文献标识码：A
Research advances on the germination mechanism of Bacillus spores
CHENG Qin1,2, HUANG Shu-shi1*,2, CHEN Li-mei1*
(1 Biotechnology Research Center, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650224, China; 2 Labora-
tory of Biophysics, Guangxi Academy of Sciences, Nanning 530007, China)
Abstract: The germination of Bacillus spores is the first step to return the vegetative growth, and is induced by
nutrients and a variety of non-nutrient agents, and spores completely lose resistance to outer stress after
germination. This paper introduced the signal transduction of spores germination, receptors of nutrient
germinants, ion fluxes in germination, the role of cortex lytic enzymes, nonphysiological germination and the
latest research progress of spores germination pathway.
Key words: Bacillus; spores germination; mechanism
芽孢杆菌的芽孢(内生孢子或称孢子)是芽孢杆
菌营养细胞受到营养缺乏或代谢产物积累，或温度
变化等外部环境因子的触发而形成的休眠体。产生
芽孢的杆状细菌主要有芽孢杆菌属、梭状芽孢杆菌
属和芽孢乳杆菌属。芽孢对辐射、热、干燥、极
端 pH 值、静水压和一些有毒化学物品等有很强的
抵抗能力[1]；在一定条件下，芽孢在休眠状态下可
以保持活力数年至数十年之久。芽孢对外界环境甚
为敏感，一旦其探测到外部存在适宜萌发的条件，
芽孢就开始萌发、出芽生长，恢复到营养细胞状态[2]。
芽孢的萌发是芽孢杆菌从芽孢成长为营养体的第一
步，芽孢萌发后就丧失了对外界胁迫的抵抗力。
自然界中的芽孢能对一些称之为萌发剂(germ-
inants)的营养性物质产生响应而萌发。通常，这些
营养性物质包括单氨基酸、糖类、嘌呤核苷等，但
也有一些化学混合物也可以触发芽孢的萌发，如用
天门冬氨酸、葡萄糖、果糖和氯化钾配成的混合剂
(AGFK)可以用来作为枯草杆菌(Bacillus subtilis)芽孢
萌发的萌发剂[2]。芽孢和促进萌发的萌发剂混合后
数秒钟之内，萌发剂快速跨过芽孢衣和皮层到达芽
孢内膜的表面，与位于芽孢内膜上的受体蛋白
(receptors，如GerA、GerB、GerK receptors等)相
互作用，有可能通过称之为GerC-type、GerD-type
879第9期 程　琴，等：芽孢杆菌孢子萌发机理的研究进展
等蛋白质传导芽孢萌发的信号，激发芽孢进入萌发
状态，接着启动一连串萌发事件，之后的萌发过程
不会因移走萌发剂而停止。
除了营养萌发剂外，孢子在其他因子，如溶
菌酶、盐、高压、2,6 吡啶二羧酸钙(Ca2+-DPA)以
及阳离子表面活性剂，如十二烷胺等作用下也会触
发其萌发[3]。这些非营养性因子触发孢子萌发是非
生理性的，但它们所触发孢子的萌发途径和营养性
萌发剂触发的萌发途径是关联的。另外，从一个孢
子释放出来的Ca2+-DPA 可能刺激其他相邻孢子的萌
发。Setlow[4]研究报道，除了营养性萌发剂与孢子
内膜蛋白受体作用触发杆菌孢子的萌发外，细胞壁
肽聚糖通过与内膜蛋白激酶结合也能引起孢子的萌
发。
芽孢萌发最早的事件牵涉到芽孢膜透性的变
化，意味着芽孢膜流动性增加，随后的萌发过程经
历以下两个阶段(图1)。第一阶段：(1) H+、单价
阳离子(K+、Na+)和 Zn2+ 释放到芽孢外面，释放H+
使芽孢核内的pH值从6.5提高到7.7[5]，该pH值对
于满足芽孢核内酶活动所需的含水量是必要的；(2)
占芽孢干重 5%~15% 的 Ca2+-DPA 的释放，芽孢折
光性逐渐消失；(3) 芽孢核内Ca2+-DPA 被水置换，
含水量增加，导致芽孢抵抗湿热能力降低[6,7]。第
二阶段：(1) 芽孢皮层内肽聚糖的水解，有可能是
从芽孢核内释放的Ca2+-DPA 激活细胞溶解酶(CWLJ
和 SLeB)来水解肽聚糖；(2) 芽孢核进一步摄取水分
而膨胀，胞壁也跟着肿胀[6]，随着芽孢核水合化程
度的提高，芽孢核内蛋白质恢复流动性，酶的活性
也得到恢复，这时芽孢失去其休眠特性。在第二阶
段完成后，相关酶的活力得到恢复，启动芽孢后续
的系列代谢活动，随后是细胞大分子物质，如RNA、
蛋白质、D N A 等的合成，芽孢转到细胞的生长阶
段(spore outgrowth)，逐渐生长成一个新的营养细
胞。在芽孢萌发过程中没有发现营养性萌发剂的大
规模跨膜运输和萌发剂被代谢的证据，也没有发现
有能量代谢的实验证据，芽孢萌发过程牵涉到膜透
性和酶活性的变化，本质上是一个生物物理的过程[8]。
近 3 0 年来，随着现代生物技术的广泛应用，
以枯草芽孢杆菌为模式菌株对芽孢的萌发机制开展
了大量而深入的研究[10]，有关芽孢萌发的研究也成
为了研究热点，本文主要从芽孢萌发信号转导、营
养萌发受体、萌发中的离子通道、皮层溶解酶和非
营养性萌发等方面阐述芽孢杆菌孢子萌发机理的进
展。
1　萌发剂触发孢子萌发的早期事件——信号
转导过程
芽孢萌发过程包括化学萌发剂和特定的受体在
孢子内的相互作用，以某种方式进行信号的转导，
但孢子萌发的信号转导分子机制还不清楚。根据已
有的实验证据，营养性萌发剂首先穿过孢子外层
(可能是特殊的微孔，被GerP蛋白促进)与内膜的受
体蛋白如 GerA、GerB、GerK 等相互作用。这种
相互作用可能包括附近离子的转移，刺激相关膜的
图1 芽孢萌发过程示意图[9]
880 生命科学 第22卷
变化和大批离子的运动。水进入芽孢核内，一个未
知信号被传输到孢子外层，激活细胞溶解酶(CWLJ
和 SLeB)来水解皮层的肽聚糖；皮层水解逐渐补充
孢子核内的水分，芽孢恢复酶活力，启动大分子合
成的系列代谢活动，孢子生长成一个营养细胞。
最早解释萌发过程信号转导以及相关变化的一
个假说是认为在孢子萌发的早期，膜通透性发生变
化，导致孢子内离子和水的重新分配。因此，激
活皮层溶解酶的活性从而水解皮层的肽聚糖，导致
孢子萌发，当用离子通道阻滞剂处理孢子，孢子萌
发受到抑制[11]，说明孢子萌发过程涉及膜透性变化
及离子的移动，并且可能是与位于孢子膜上gerA基
因所编码的产物相关[12]。孢子去掉芽孢衣后对溶解
酶是可通透的，因此用溶菌酶消化皮层，孢子就会
萌发[13]。所以，皮层溶菌酶被激活是触发萌发的最
早步骤[14]。在皮层肽聚糖水解之前，自由氨基酸、
Ca2+-DPA 和其他小分子物质会从孢子内释放出来，
但腺嘌呤核苷3-磷酸不会被释放，这些结果表明，
在萌发早期，孢子内膜对一些物质渗透性改变是有
选择性的[15]。
然而，最近几年的许多独立的实验证据证明孢
子萌发的早期事件包括耐热性的缺失、离子的运动
和部分的核内再水合，并不是完全依赖皮层肽聚糖
的水解。在 cwlD 突变体中，孢子肽聚糖缺少正常
的胞壁酸δ-内酰胺，皮层溶解酶不能识别皮层的肽
聚糖而将其降解，尽管孢子皮层不被水解，孢子还
是能完成孢子萌发的早期事件，即失去耐热性、离
子释放和部分的核内再水合[13]。当然，皮层的降解
对于孢子完全萌发及其后续整个原生质体从原结构
包裹中释放出来是很重要的。像sleB和cwlJ的双突
变体不能把皮层水解到一定的程度，孢子在完成其
早期萌发事件即失去耐热性和释放完DPA后，孢子
后续的萌发会被抑制[16]，说明没有降解皮层可以阻
碍孢子后续萌发的完成。目前，枯草芽孢杆菌的皮
层溶菌酶SleB和 CwlJ已经被鉴定[17]。
2　芽孢营养性萌发剂与特殊受体的相互作用
营养性萌发剂在与其受体作用之前，首先要渗
透穿过孢子衣(spore coat)和皮层。孢子衣可以影响
萌发剂的通透性，蜡样芽孢杆菌(B. cereus)gerP突
变体如果不去除孢衣，其孢子萌发很慢，孢子萌发
后菌落形成能力降低了20%，表明gerP编码的蛋白
在孢子衣的形成方面起重要作用[18]。
营养性萌发剂是通过与位于孢子内膜的受体结
合而起作用的。最早对枯草杆菌中两个条件性萌发
突变体模型研究发现[19]，孢子能正常的响应某种营
养性萌发剂，但对另外一种没有响应，这表明只有
特异性萌发剂才能与受体连接，其中某种关键性的
受体分子在信号转导中起作用。gerA和gerB操纵子
是第一个被克隆和描述的萌发剂受体操纵子[20,21]，
所有能形成孢子的细菌的基因组中至少包含其中的
一个操纵子，但在通常的情况下细菌的基因组有多
个受体操纵子，所以这些能形成孢子的细菌往往通
过多种受体响应不同类型的萌发剂，有时候不只一
个受体应对单个或多种萌发剂[22-24]。实际上编码这
些受体的基因簇与原来共同祖先的基因差异越来越
大。
枯草芽孢杆菌中gerA是产芽孢细菌类相关操纵
子大家族中第一个被描述的操纵子，其三个同源基
因编码孢子膜上三个相关的蛋白：GerAA、GerAB
和 GerAC(图2)。GerAA蛋白不仅参与疏水结构域还
参与亲水结构域的组成，有五或六个跨膜结构域和
一个N 末端亲水结构域；GerAB 蛋白类似于膜整合
蛋白有十个横跨膜螺旋；Ger A C 是亲水性基因产
物。其中GerAA、GerAB可能是单组分amino acid/
po1yamine/organocation (APC)转运超家族的膜整合蛋
白，GerAC 可能是含有前脂蛋白信号序列的脂蛋
白[20,25,26]。由gerA操纵子编码的这三个蛋白在芽孢
中相互作用并且形成一个受体复合物，任何一个组
分的失活都会影响整个受体的功能。GerA 是 L- 丙
氨酸的受体，gerB 和 gerK 编码的GerB 和 GerK 是
AGFK 和葡萄糖的受体。gerA 的转录起始于细菌开
始形成芽孢后 2.5~3 h[27]。蜡状芽孢杆菌 ATCC
14579的基因组包含七个可能的ger操纵子，它们分
别为gerG、gerK、gerI、gerL、gerS、gerQ和gerR
[25]，其中gerL编码的GerL受体参与L-丙氨酸诱导
的萌发；gerQ 编码的GerQ 受体参与肌苷诱导的萌
发，而gerI和gerR编码的GerI、GerR受体既参与
L-丙氨酸诱导的萌发也参与肌苷诱导的萌发[25]。
3　芽孢萌发过程中的离子通道
在芽孢萌发早期，孢子膜透过性增加[28,29]，首
先是孢子核的阳离子包括H+、K+ 和 Na+ 等释放到孢
子外面，紧接着是 Ca2+ 等二价阳离子和 DPA 的释
放，随后 K + 依赖能量再次被吸收。这表明当萌发
剂与受体结合后，一个或多个孢子内膜上的离子通
道被打开。目前，我们对离子转运或代谢性离子的
通道知之甚少。Ca 2+-DPA 是孢子的重要组分，占
881第9期 程　琴，等：芽孢杆菌孢子萌发机理的研究进展
整个孢子干重的5%~10%[30]；在孢子形成期间，肯
定存在一种机制使得DPA从母细胞合成部位被摄入
进前芽孢内，这种高浓度DPA的积累显然是需要能
量的。但是没有证据证明在芽孢萌发过程中DPA和
阳离子的释放需要能量。
应用单细胞光镊拉曼光谱技术研究单个芽孢萌
发过程发现[31,32]，不管是用营养性萌发剂或是用非
营养性萌发剂处理芽孢，芽孢DPA的释放明显分两
个阶段：第一阶段是一个缓慢的过程，持续时间从
几分钟到一个多小时不等，大部分需要30~40 min，
释放的DPA 不超过总量的30%；第二阶段是一个快
速的过程，一般3 min 内就可以将余下的大约70%
的 DPA 释放完毕，表明在这个阶段所有 DPA 通道
是瞬间打开的。最近的研究发现，spo V A 编码的
SpoVA 蛋白在孢子形成时与DPA摄取有关[33]，似乎
涉及到孢子萌发过程中营养剂与受体的结合引起的
DPA的释放[34]，可能是营养萌发受体和SpoVA 蛋白
相互作用，推测是孢子萌发的一个信号转导途径。
但是否与孢子萌发过程中DPA和阳离子释放完全有
关还没有完全清楚。
一种在蜡样芽孢杆菌中称之为GerN的 Na+/H+-
K+ 反向蛋白已经被鉴定，涉及到蜡样芽孢杆菌次黄
嘌呤核苷触发的萌发[35,36]；蜡样芽孢杆菌gerN突变
体的生长以及孢子的形成没有受到影响，但在次黄
嘌呤核苷诱导萌发过程中孢子的萌发能力显著降
低，在丙氨酸中其萌发能力次之，在 Ca2+-DPA 中
其萌发能力完全没有受到影响，这种萌发剂缺陷型
的特异性表明，GerN 起到连接受体的作用，而不
是一般的离子转运功能。gerN基因是巨大芽孢杆菌
(B. megaterium)grmA基因的同源基因，巨大芽孢杆
菌grmA 突变体在营养性萌发剂里不能萌发，说明
grmA 编码的GrmA 蛋白对所有营养性萌发剂响应是
必需的；枯草芽孢杆菌没有 GerN 相近的同族体，
它的受体是类似于蜡样芽孢杆菌中的丙氨酸受体，
枯草芽孢杆菌同族体的突变体似乎对孢子的萌发没
有影响[36]。Southworth 等[35]推测，如果萌发剂受
体在信号转导过程移动离子，则有助于恢复离子或
改变局部的电荷平衡；次黄嘌呤核苷对离子异常敏
感，被K+ 抑制，一般能刺激其他菌种孢子的萌发。
蜡样芽孢杆菌的次黄嘌呤核苷受体蛋白GerIA 在 N
端有很长的富含谷氨酰胺连接区域，它可能增强与
其他组分相互作用的潜在性[37]。
产气荚膜梭状芽孢杆菌(Clostridium perfringens)
的基因gerO和gerQ编码两种蛋白GerO和GerQ，它
们对单价阳离子的转运功能表明，它们在某些杆菌
孢子萌发中起作用[38]。GerO 和 GerQ 在大肠杆菌中
能转运单价阳离子(K+ 和 /或 Na+)，GerO 和 GerQ仅
在产气荚膜梭状芽孢杆菌孢子形成的母细胞中表
图2 枯草芽孢杆菌孢子营养性萌发剂受体在内膜定位[26]
882 生命科学 第22卷
达。缺少 GerO，产气荚膜梭状芽孢杆菌即使在富
含KCl、L- 天门冬酰胺和Ca2+-DPA 的培养基上培
养，孢子萌发也会受到影响，这种影响是在 Ca2+-
DPA释放之前。野生型gerO的异源表达能补充gerO
孢子的所有缺陷；相对 GerO 的缺失，GerQ 的缺
少对孢子萌发的影响小很多。
4　芽孢萌发过程中皮层溶解酶的作用
孢子核心外包裹一层薄薄的、营养细胞类型的
肽聚糖，这层相当于细菌的细胞壁，往外由更厚一
层皮层包裹，皮层含有芽孢特有的肽聚糖[17]，皮层
外是芽孢衣，经化学处理后有通透性，溶解酶可以
通过它进入皮层并水解皮层。一些孢子萌发模型研
究表明[39]，孢子萌发过程中热抗性的丧失是激活皮
层溶解酶的一个直接结果。
枯草芽孢杆菌孢子萌发中的两个关键皮层溶解
酶是CwlJ和SleB。cwlD突变体的菌株孢子缺少SleB
和 CwlJ，除非皮层被外源溶解酶水解，否则孢子
在琼脂培养基上不能生长或形成菌落[40,41]。CwlJ是
芽孢形成过程中在母细胞中合成的，位于芽孢的外
层；而SLeB 则在前芽孢中合成，位于芽孢内膜和
外层[41,42]。在休眠芽孢里，CwlJ和 SleB 都需要另
外的蛋白质给其定位，CwlJ 的定位需要外衣蛋白
YwdL(GerQ)，SleB需要跨膜蛋白YpeB[40]。枯草芽
孢杆菌的SleB蛋白是转糖基型溶菌酶，我们不知道
芽孢萌发过程中信号如何传导给它以及它是如何被
激活的，有人认为是营养性萌发剂和受体蛋白结合
或胁迫皮层肽聚糖而活化它的[43]；在芽孢内，SleB
的活性与抗热性有关。同样，我们不知道 CwlJ 确
切的功能，但知道它可以被外源Ca2+-DPA 所诱导。
在正常的芽孢萌发过程中，CwlJ极有可能也被从芽
孢核内释放的Ca2+-DPA 所激活。由于CwlJ 和 SleB
是在芽孢形成前合成的，一定有一种机理使它们在
休眠芽孢里保持不活泼状态[44-46]，目前这种机制不
清楚。
在有其他因子激活孢子萌发受体的情况下，
CwlJ 或 SleB 的缺少不会阻碍孢子萌发的完成，但
CwlJ 的缺少会减慢DPA 释放。在KBr 刺激的萌发
中，两种皮层溶解酶的缺少也不会阻碍DPA和谷氨
酸盐的释放，但孢子生存能力降低，不能完成萌
发。CwlJ和SleB的缺少不影响十二烷基刺激孢子萌
发中DPA的释放。巨大芽孢杆菌和枯草芽孢杆菌孢
子萌发中皮层溶解酶的作用相似，所以，CwlJ 和
SleB在巨大芽孢杆菌孢子萌发皮层降解中也起着非
常重要的作用[47]。
5　芽孢的非营养性萌发及其途径
除了上述提到营养性萌发剂以外，芽孢也会被
其他非营养性化学试剂或物理因素激发而萌发，包
括溶解酶、盐类、压力、Ca2+-DPA 和癸胺类阳离
子表面活性剂，说明这些非营养性物质可以迂回绕
过营养性萌发途径的受体触发芽孢的萌发[9]。
图 3是营养性和非营养性枯草杆菌芽孢萌发模
型图。如图所示，芽孢被营养性或非营养性化学试
剂或物理因素激发而产生的萌发是有多条途径的。
(1)营养性萌发剂和受体结合，诱使孢子核内离子以
及Ca2+-DPA 的释放，Ca2+-DPA 随后激活CwlJ，或
部分孢子内核的水合化和皮层的降解激活SleB，水
解皮层的肽聚糖，随后是孢子内核的水合化，最后
完成孢子的萌发。SleB作用要么是萌发受体与营养
剂结合的激活触发，要么是萌发第一阶段孢子内核
水解导致的孢子皮层压力的改变。也许营养性萌发
剂与萌发受体的结合激活了孢子内膜的SleB，而皮
层压力激活了内膜的SleB，也激活了部分位于芽孢
衣上的SleB。然后SleB和(或)CwlJ催化皮层水解，
它是萌发第II阶段细胞壁扩张所必需的。(2)除了
营养性萌发剂外，非营养性外源Ca2+-DPA 也是一种
优良的芽孢萌发剂，缺乏营养性受体蛋白的芽孢在
外源Ca2+-DPA 的作用下可以正常萌发。CwlJ 酶被
外源 Ca2+-DPA 激活后，水解位于芽孢皮层的肽聚
糖，引起内源 Ca2+-DPA 的释放，最终导致芽孢的
萌发。外源Ca2+-DPA 激活CwlJ，然后导致皮层水
解，这个过程随着内源Ca2+-DPA 的释放会被放大。
(3)许多品种的芽孢能够在100~600 MPa的高压下萌
发。用100~200 MPa 低压处理，芽孢的受体蛋白
被活化而萌发；用500~600 MPa 的高压处理，可
以部分打开Ca2+-DPA通道，最终导致孢子的萌发[48]，
但其机理不详。枯草芽孢杆菌中压力刺激的萌发导致
许多小分子包括DPA 的释放。SpoVA 涉及DPA 释放
可能是因为SpoVA 是孢子内膜DPA 通道的组分[49]。
(4)烷基胺诱导Ca2+-DPA的释放直接或间接被孢子内
膜影响，但对于盐类和表面活性剂如何诱导芽孢萌
发的过程和机理，目前人们对此知之甚少。(5)溶
菌酶处理也会导致皮层水解，而这反过来在某种程
度上又导致 Ca2+-DPA 的释放。
6　展望
在过去十年里我们对孢子萌发的认识显著提
883第9期 程　琴，等：芽孢杆菌孢子萌发机理的研究进展
高，几乎所有孢子前体的基因组都被测序，包括萌
发受体操纵子的多拷贝和双重拷贝，我们对皮层溶
解酶也有了更多的认识，但我们还不知道位于膜脂
环境中的萌发剂受体蛋白的详细功能[28]，也不知道
位于内膜和和外层的SleB皮层溶解酶是如何被激活
的以及SleB和 CwlJ是如何作用于皮层的。虽然我
们已经知道在萌发过程中芽孢衣部分降解，但我们
全然不知芽孢衣在萌发中是怎样降解的，这可能是
今后孢子萌发研究中的一个焦点。在不久的将来，
梭状芽孢杆菌和其他杆菌的基因组研究的进展将有
助于在分子水平上对孢子萌芽机制的了解。
[参　考　文　献]
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