Growth cycles of filamentous Escherichia coli: I. Filamentous mutants

Abstract

Growth cycles of four filamentous mutants of Escherichia coli are described. Strains 10-5, 32-17, and 43-7 are conditional division mutants: cell division of these strains is derepressed under starvation or growth-limiting conditions. Batch cultures exhibit growth cycles, characterized by a filamentous phase and a proliferation phase in which the bacterial filaments undergo gradual fragmentation into short rods and coccoid cells. Fragmentation of filamentous cells occurs in cultures which are entering the stationary phase of growth. Comparable morphological changes also take place in ageing cultures on agar media. Fragmentation can be induced in young, rapidly growing cultures by transferring the filaments to media without a carbon or a nitrogen source. Two of the strains reverted to the rod-like morphology, when grown at a slow rate in a glucose-salt medium. Filaments of the strain 21-28 do not divide at the end of active growth, and fragmentation is not induced in carbon- or nitrogen-free media. The growth cycles of filamentous mutants are compared with life cycles of some naturally occurring filamentous prokaryotes, and adaptations pre-requisite for the evolution of filamentous forms are discussed. Wachstumszyklen vierfilamentöser Mutanten von Escherichia coli in Batch-Kulturen wurden studiert. Wachstumszyklen dreier dieser Mutanten (Stämme 10-5, 32-17 und 43-7) bestehen aus einer filamentösen und einer Vermehrungsphase, in der Kurzstäbchen und Cocci durch eine allmähliche Fragmentation der filamentösen Zellen gebildet werden. Filamentteilung und Fragmentation findet am Anfang der stationären Phase statt. Dieselben morphologischen Veränderungen konnten auch in älteren Agarkulturen beobachtet werden. Man kann die Filamentfragmentation in logarithmisch wachsenden Kulturen induzieren, indem man die filamentösen Zellen aus diesen Kulturen in ein Stickstoff- oder Kohlenstoff-Mangelmedium überträgt. Im Glucose-Salzmedium, in dem das Wachstum der Mutanten verlangsamt wird, bilden zwei Stämme (10-5 und 43-7) nur Kurzstäbchen auch in der logarithmischen Phase. Zellteilung und Fragmentation konnte in den Filamenten der Mutante 21-18 weder dureh Eintritt der stationären Wachstumsphase noch durch Stickstoff oder Kohlenstoffmangel induziert werden. Die Wachstumszyklen der filamentösen Mutanten werden mit den Lebenszyklen höherer filamentöser Prokaryonten verglichen und die für filamentöse Lebensform erforderlichen Preadaptationen erwogen.