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微生物学Microbiology

崔恒林江苏大学食品与生物工程学院

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第四章 非细胞型生物

Acellular microorganism

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4.1 概述

1892 年俄国植物病理学家 D.Ivanovsky 研究了烟草花叶病的病原，认为它是能通过细菌滤器的“细菌毒素”或极小的“细菌”。

1898 年荷兰学者 M.W.Beijerinck 独立进行了烟草花叶病病原的研究，首次提出其病原是一种“传染性的活性液体”或称“病毒”。

1935 年美国的 Stanley 首次提纯并结晶了烟草花叶病毒（ tobacco mosaic virus, TMV ）。

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非细胞型生物包括

1. 病毒 (euvirus)

2. 亚病毒 (subvirus) ：类病毒、拟病毒、朊

病毒。

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4.2 病毒（ Virus ）

6Cow pea chlorotic mosaic virus (CCMV) ×42,900

Herpes simplex virus (HSV6, DNA virus) on a peripheral blood

lymphocyte ×25,120

Mature virus and budding release of HIV in human lymph tissue ×14,555

Influenza A virus (RNA virus, Orthomyxoviridae Family) ×31,710

Rhabdovirus infecting a fish epithelial cell (RNA virus, Rhabdoviridae Family)

×6,315

Herpes simplex virus (HSV6, DNA virus) in cellular vacuoles and cytoplasm of peripheral blood lymphocyte ×7,685

动物病毒

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植物病毒 & 微生物病毒

Tobacco mosaic virus (TMV, RNA virus) ×49,500

Tobacco mosaic virus (TMV, RNA virus) ×27,300

T4 bacteriophage (DNA virus) ×55,065

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4.2.1 病毒特征

病毒是既有生活特性又具有非生活特性（ living and nonliving characteristics ）的感染因子。

能够感染动物、植物、甚至其他的微生物。 只感染细菌的病毒称为噬菌体（ bacteriophages ）； 只感染真菌的病毒叫真菌噬菌体（ mycophages ）。

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1 、病毒的生活特征

它们在活的宿主细胞内以极快的速度增殖。 能变异。

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2 、病毒的非生活特征

没有完整的细胞结构（ acellular ）。 不能独自进行新陈代谢，必须依赖宿主细胞的新

陈代谢机制。它们不能生长和分裂，新的病毒组件必须在已感染的宿主细胞内组装。

它们具有 DNA 或 RNA ，不能兼而有之 。

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3 、病毒的判定标准

只 拥 有 一 种 类 型 的 核 酸 （ nucleic acid ） 即 DNA 或 RNA, 不能兼而有之 。

必须在活的宿主细胞内增殖，是严格的非细胞寄生物。

新的病毒组件必须在已感染的宿主细胞内组装成完整的病毒粒子（ virions ）后才能感染其他宿主细胞。

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4 、病毒的实验室培养

由于病毒缺乏新陈代谢机制，它们完全依靠宿主细胞进行复制。病毒不能在合成培养基上生长。动物病毒在动物体、无菌卵（ embryonated eggs ）、或细胞内增殖。而合成细胞必须在合成培养基内生长。

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4.2.2 病毒的形态和大小

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1 、病毒的大小（ Size ）

病 毒 常 常 比 细 菌 小 ， 它 们 属 于 亚 显 微 结 构（ submicroscopic ）。

绝大多数病毒的大小在 5~300 nm (nanometers)

副粘病毒（ Paramyxoviruses ）能达到 14,000 nm 。

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Sizes and Shapes of Viruses (Animal RNA Viruses)

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Sizes and Shapes of Viruses (Animal DNA Viruses)

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Sizes and Shapes of Viruses (Bacteriophages)

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2 、病毒的形态（ shapes ）

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①螺旋型病毒（ Helical viruses ）

由螺旋状的中空蛋白圆柱体——衣壳包围着核酸。

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Helical viruses

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②多面体病毒（ Polyhedral viruses ） 由多面体或多边（ many-sided ）的壳——衣壳

包 围 着 核 酸 。 常 常 是 呈 二 十 面 体 （ icosahedron ）。

Transmission Electron Micrograph of Adenovirus

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③有包膜病毒（ Enveloped viruses ）

具有由螺旋型或多面体型的蛋白质外壳包围的核酸核心。在其外有包膜（ envelope ）包围。

Viral Structure (Enveloped Helical Virus)

Transmission Electron Micrograph of Coronavirus

Viral Structure (Enveloped Polyhedral Virus)

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④复合病毒（ Complex viruses ）

既非非螺旋型又多面体型，属于复合型或不规则型。 （ pleomorphic ， irregular shaped or complex structures ）。

A T-even bacteriophage consisting of a head, sheath, and tail

T4 bacteriophage (DNA virus) ×55,065

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4.2.3 病毒的分类 病毒分类的指标包括： 基因组核酸； 衣壳（ capsid ）的形状； 是否有包膜（ envelope ）。 病毒能够将遗传信息储存在六种不同类型的核酸中，

然后转录为 病毒 mRNA ，再结合到宿主细胞核糖体（ ribosome ）上翻译成病毒蛋白质（ viral proteins ）。

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Transcription of Viral Nucleic Acid into Viral mRNA

A (+) RNA can be translated into viral protein. (+) and (-) strands are complementary.

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病毒的核酸类型 1. (+/-) double-stranded DNA. The (-) DNA strand is directly

transcribed into viral mRNA. Most bacteriophages, Papovaviruses, Adenoviruses, Herpesviruses.

2. (+) DNA or (-) DNA. Once inside the host cell, its converted into dsDNA and the (-) DNA strand is transcribed into viral mRNA. Phage M13, Parvoviruses.

3. (+) RNA. A (+) RNA is copied into (-) RNA that is transcribed into viral mRNA. Picornaviruses, Togaviruses, Coronaviruses.

4. (-) RNA. The (-) RNA is copied into a (+) RNA which functions as viral mRNA. Orthomyxoviruses, Paramyxoviruses, Rhabdoviruses.

5. (+/-) double-stranded RNA. The (+) of the (+/-) RNA functions as viral mRNA. Reoviruses.

6. (+) RNA. The (+) RNA is reverse transcribed into (-) DNA that makes a complementary copy to become (+/-) DNA. The (-) DNA is transcribed into viral mRNA. Retroviruses.

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4.3 亚病毒

Subvirus

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亚 病 毒

类病毒

拟病毒

朊病毒

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4.3.1 类病毒 类病毒（ viroids ） 比病毒更简单。它们是小的、

环状闭合的、缺乏蛋白质外壳的感染性的单链RNA 分子。

引起的植物疾病： 马铃薯纺锤形块茎病（ potato spindle-tuber diseas

e ） 黄瓜白果病（ cucumber pale fruit ） 柑橘皱皮病（ citrus exocortis disease ） 椰子死亡病（ cadang-cadang——coconuts ）

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马铃薯纺锤形块茎病 Potato spindle tuber viroid gets its name because of

the oblong tubers produced from infected plants. Potato spindle tuber viroid causes a stiff and upright

growth habit on infected potatoes.

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Potato tuber spindle viroid

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4.3.2 拟病毒

拟病毒（ Virusoid ） - 类类病毒（ viroid-like ）、壳内类病毒或病毒卫星（ satellite ） , 是一类包裹在真病毒粒中的有缺陷的类病毒。

拟病毒极小，一般仅由裸露的 RNA （ 300~400nt ）或 DNA 组成。

被拟病毒“寄生”的真病毒——辅助病毒（ helper virus ） , 拟病毒成为其 “卫星”。

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Hepatitis D virus

HDV is a defective single-stranded RNA virus that requires the helper function of HBV to replicate.

HDV requires HBV for synthesis of envelope protein composed of HBsAg, which is used to encapsulate the HDV genome.

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4.3.3 朊病毒 朊病毒（ prions ）是感染性的蛋白颗粒

（ infectious protein particles ），可能引起一系列的传染性的或遗传性的致死性中枢神经疾病（ transmissible and/or inherited neurodegenerative diseases ）。例如， 人的Creutzfeldt-Jakob disease 、 Kuru 、 Gerstmann-Straussler- syndrome 以及羊瘙痒症（ scrapie ）。

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羊瘙痒症（ scrapie ） Scrapie is a chronic disease of sheep which is

transmitted by a filterable particle that is resistant to heat and formalin fixation.

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Kuru

congestion of blood vessels

spongy appearance

spikeball

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Creutzfeldt-Jakob Disease

spongy appearance

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Prion

Creutzfeldt-Jakob Disease

brain showing

immunohistochemical

staining of prion plaque at

1:200 dilution in formalin-

fixed, paraffin-embedded

section of cerebral cortex.

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朊病毒诱导正常蛋白质改变

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Stanley B. Prusiner

The Nobel Assembly at the

Karolinska Institute in

Stockholm, Sweden, has

awarded the Nobel Prize in

Physiology or Medicine for

1997 to Stanley B. Prusiner,

for his discovery of "prions

- a new biological principle

of infection".

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4.4 病毒的生活史

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4.4.1 动物病毒的生活史

感染动物的病毒通过生产性生活史（ productive life cycle ）复制。

一些病毒如， HIV 和 the herpes viruses 能够在某些类型的细胞中处于潜伏状态（ latent ）。一些病毒能够增加肿瘤的发生。

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4.4.1.1 动物病毒的生产性生活史 虽然动物病毒存在较大差异，但基本的病毒生产性生

活史（ generalized productive life cycle ）包括以下步骤：

1 、附着活或吸附 （ Attachment or adsorption ） 2 、侵入 （ Penetration ） 3 、脱壳 （ Uncoating ） 4 、复制 （ Replication ） 5 、成熟 （ Maturation ） 6 、释放 （ Release ） 7 、再感染 （ Reinfection ）

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The productive life cycle of a naked virus

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Adsorption of a Naked Virus to a Susceptible Host Cell

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Penetration of a Naked Virus by Endocytosis

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Uncoating of a Naked Virus Entering by Endocytosis

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Viral Replication

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Maturation of a Naked Virus

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Release of Naked Virus by Host Cell Disintegration

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Life Cycle of a Naked Virus Entering by Endocytosis

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The productive life cycle of a enveloped virus

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Adsorption of an Enveloped Virus to a Susceptible Host Cell

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Penetration of an Enveloped Virus by Endocytosis

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Uncoating of an Enveloped Virus Entering by Endocytosis

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Viral Replication

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Maturation of an Enveloped Virus

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Release of an Enveloped Virus by Budding

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Life Cycle of an Enveloped Virus Entering by Endocytosis and Exiting by Budding

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4.4.2 噬菌体的生活史

噬菌体（ bacteriophages ）是一类只感染细菌的病毒。存在两种基本类型的噬菌体，——裂解噬菌体（ lytic bacteriophages ） 和 温 和 噬 菌 体（ temperate bacteriophages ）

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T4 bacteriophage (DNA virus) ×55,065

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4.4.2.1 裂解性噬菌体的裂解生活史

噬菌体是只感染细菌的病毒。进行裂解性生活史（ the lytic life cycle ）的噬菌体称为裂解噬菌体（ lytic bacteriophages ）。

在实验室中，用裂解噬菌体感染细菌后，在平板上 （ the petri plates ） 可见噬菌斑（ plaques ）。

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Plaques

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裂解性噬菌体的裂解生活史 裂解性生活史在某种程度上类似于动物病毒的生

产性生活史包括以下步骤： 1 、吸附（ Adsorption ） 2 、侵入（ Penetration ） 3 、复制（ Replication ） 4 、成熟（ Maturation ） 5 、释放（ Release ） 6 、再感染（ Reinfection ）

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The lytic life cycle of a lytic bacteriophage such as coliphage T4

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Adsorption

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Penetration

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Early Replication

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Late Replication

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Maturation

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Release

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Animation of the Lytic Life Cycle of a Bacteriophage

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4.4.2.2 温和噬菌体的溶源性生活史

能进行溶源性生活史（ a lysogenic life cycle ）的噬菌体称为温和噬菌体（ temperate phage ）或溶源噬菌体（ lysogenic phage ）。

当温和噬菌体感染细菌后，它可以通过裂解性生活史来增殖并导致宿主细菌的裂解。同时，它也能将自身的 DNA 整合（ incorporate ）到细菌DNA 中成为非感染性的（ noninfectious ）前噬菌体（ prophage ）。

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The Lysogenic Life Cycle of Temperate Bacteriophages

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Adsorption

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Penetration

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Prophage Formation

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Maintaining the Prophage

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Spontaneous Induction of a Prophage

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Early Replication

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Late Replication

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Maturation

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Release

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Animation of the Lysogenic Life Cycle of a Temperate Bacteriophage

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温和噬菌体的特点

1 、核酸的类型都是 dsDNA ；

2 、具有整合能力；

3 、具有同步复制能力。

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温和噬菌体的存在形式

1 、游离态：已成熟释放并有侵染性的游离噬菌体粒子。

2 、整合态：整合在宿主核染色体上处于前噬菌体的状态。

3 、营养态：前噬菌体经外界理化因子诱导后，脱离宿主核基因组而处于积极复制和装配的状态。

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温和噬菌体的种类

1 、 E.coli 的 λ 、 Mu-1 、 P1 和 P2噬菌体。 2 、 Salmonella typhimurium （鼠伤寒沙门氏菌）

的 P22噬菌体。

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溶源菌

溶源菌（ lysogen or lysogenic bacteria ）：在核染色体组上整合有前噬菌体并能正常生长繁殖而不被裂解的细菌或其他微生物。

种类有： E.coli 、 Bacillus 、 Salmonella 和Streptomyces等。

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溶源菌的特性

1 、自发裂解：在其分裂过程中有 10-2~10-5个细胞会发生自发裂解（ spontaneous lysis ）。

2 、诱导（ induction ）：紫外线、 X射线或 DNA 合成抑制剂（丝裂霉素 C 、氮芥等）等理化因子的作用。

3 、免疫性（ immunity ）：任何溶源菌对已感染的噬菌体以外的其他噬菌体即超感染噬菌体都具有抵制能力即免疫性，也称超感染免疫性（ superinfection immunity ）、前噬菌体免疫性（ prophage immunity ）、溶源性免疫性（ lysogenic immunity ）。

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4 、复愈：在溶源性细菌群体的增殖过程中，一般有 10-5 的个体丧失前噬菌体，并成为非溶源性细菌即复愈或非溶源化。复愈后的细胞其免疫性也随之丧失。

5 、溶源转变（ lysogenic conversion ）：少数溶源菌由于整合了温和噬菌体的前噬菌体而使自己产生了除免疫性以外的新表型的现象。如Corynebacterium diphtheriae （白喉棒杆菌）不产白喉毒素的菌株，在被 β 温和噬菌体感染而发生溶源化时，就会变成产毒的致病菌株。

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溶源菌的检验方法 将少量溶源菌与大量的敏感性指示菌（遇到溶源菌裂解后所释放的温和噬菌体会发生裂解性生活周期者）相混合，然后加至琼脂培养基中倒一平板。培养一段时间后，溶源菌就长成菌落。

由于在溶源菌分裂过程中有极少数个体会发生自发裂解，其释放的噬菌体可不断侵染溶源菌菌落周围的指示菌菌苔，所以会产生一个个中央有溶源菌小菌落、四周有透明圈的特殊嗜菌斑。

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病毒的群体形态 1 、包涵体（ inclusion body ） 2 、嗜菌斑（ plaque ） 3 、空斑和病斑 4 、枯斑

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噬菌体效价的测定

效价（ titre,titer ）：每 ml试样中所含有的侵染性的噬菌体粒子数，即嗜菌斑形成单位（ pfu,plaque-forming unit ）数或感染中心（ infective center ）数。

1 、斑点试验法 2 、液体稀释管法 3 、双层平板法 4 、单层平板法 5 、玻片快速法

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一步生长曲线

一步生长曲线（ one-step growth curve ）：定量描述烈性噬菌体生长规律的实验曲线。

潜伏期（ latent phase ）：隐晦期（ eclipse phase ）、胞内累积期（ intracelluar accumulation phase ）或潜伏后期。

裂解期（ rise phase ）平稳期（ plateau ）

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One-step growth curve