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【2013回顧】PNAS 十個細菌小故事(下)

這篇其實有個上集,也是五個過去一年發表的細菌故事。

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圖片是長大後的玉米根蟲。來自維基百科

肚子裡細菌的魔法

現在的農業大規模種植同一種作物,讓病原們有了個容易大展身手的舞台。輪作有很多已知的好處,其中一項是讓病菌害蟲失去原本的宿主而沒有辦法建立穩定而龐大的族群,用生物性的方法控制了病害的發生。不過為了生存,這些病菌害蟲也會用盡方法要打破人類的限制來求生存。

這個研究的主角是玉米根蟲(Western corn rootworm, Diabrotica virgifera)。它的幼蟲會啃食玉米的根,當然就影響了玉米的生長。在美國大規模推行的玉米和大豆輪作可以抑制病害的大發生,因為黃豆的組織裡有對抗食的秘密武器. 大豆組織裡含有一種蛋白酵素抑制素( cysteine protease inhibitors)可以讓玉米根蟲沒辦法消化吃下去的蛋白質而無法生存。看起來這方法不錯,但是實行一陳子後還是出現了可以生存下來的玉米根蟲

這篇研究想找出是什麼原因讓玉米根蟲也能在靠大豆裡生活。研究團隊先是發現具抗輪作能力的根蟲有特殊的腸道細菌組成,懷疑細菌跟這能力有關。接著他們用抗生素先除掉根蟲腸道裡原有的細菌,再把它們放在大豆葉子上。結果發現具抗輪作能力的根蟲在少了腸道菌的幫助後,變得無法對抗大豆葉子帶來的毒性。原來生物可以利用腸子裡細菌朋友的幫忙,來找出活下去的新契機,而不一定要慢慢痛苦地等突變了。

研究原文

Chu CC, Spencer JL, Curzi MJ, Zavala JA, Seufferheld MJ. Gut bacteria facilitate adaptation to crop rotation in the western corn rootworm. Proc Natl Acad Sci U S A. 2013 Jul 16;110(29):11917-22. doi: 10.1073/pnas.1301886110.

 

飽暖生蛀牙

蛀牙跟食物有很大的關係。在人類文明裡一直到開始農耕生活,有了充足的富含碳水化合物的食物,才讓口腔裡的細菌有機會使用這些化合物發酵產酸,進而引起蛀牙。哺乳類以吃東西能力好打天下,牙齒隨年紀逐漸磨損,不少哺乳類壽命上限都跟沒有堪用的牙齒有很大的關係。如果針對引起蛀牙的細菌 Streptococcus mutans 的 DNA 序列進行分析,也可以看到它們族群大擴張的黃金時期剛好就在人類進入農耕生活之後。

故事轉到摩洛哥境內的 Grotte des Pigeons 遺址。這個地區在 1995 被聯合國教科文組織(UNESCO)指定為世界遺產,埋藏著過去近兩萬年來的人類歷史。從找到的很多人類遺骸裡可以看出在當時成人的蛀牙狀況非常嚴重,可以高到51.2%,跟現代人有一樣的問題了。奇怪的是,在這時期的人類還以在原野裡採集食物為生,沒有農耕技術。難道過去認定的蛀牙與農耕間的關係是錯的嗎?

研究人員同時也發現當地一萬五千年前的植物化石,證實在當地有不少可食植物,提供包括橡實及松子等高品質食物。雖然當時的人們還是以採集為生,但是食物供應充足,導致牙齒壞光光。過年期間大家也會過著食物充足的日子,請把這篇研究的教訓謹記在心,記得刷牙,不要留給細菌太多好處。

研究原文

Humphrey LT, De Groote I, Morales J, Barton N, Collcutt S, Bronk Ramsey C, Bouzouggar A. Earliest evidence for caries and exploitation of starchy plant foods in Pleistocene hunter-gatherers from Morocco. Proc Natl Acad Sci U S A. 2014 Jan 21;111(3):954-9. doi: 10.1073/pnas.1318176111

 

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圖片是長大後的科羅拉多金花蟲。來自維基百科

聲東擊西的金花蟲

植物其實也有免疫系統可以攻擊外來的病原。當植物被咬了一口,組織裡的茉莉酸(jasmonic acid)會上升,啟動植物的免疫系統進行防衛,就像動物受傷了會腫會發炎一樣。一旦免疫系統啟動了,這些啃植物的蟲兒就慘了。

為了要能持續保有好吃的食物,這些蟲兒必須有更厲害的步數。這篇研究發現科羅拉多金花蟲(Colorado potato beetle, Leptinotarsa decemlineata)的幼蟲可以分泌某種東西抑制茉莉酸的出現,以及植物免疫系統的啟動。進一步檢驗後他們發現這種神奇物質可能是分泌物裡的細菌。幼蟲在經過抗生素處理後失去這項能力,追加細菌後又重獲這能力。他們逐一測試分離出來的細菌,發現屬於 StenotrophomonasPseudomonas, Enterobacter 三個屬的細菌真的可以抑制植物植物免疫系統的啟動。細菌到底有什麼魔力可以關掉植物的防守?其實應該這樣說,植物在碰到蟲咬時會啟動茉莉酸為首的防衛機制,碰到微生物進攻時則改用水楊酸(salicyclic acid)開頭的機制應戰。科羅拉多金花蟲很巧妙利用細菌騙過植物,讓植物進入對付微生物攻擊的模式,植物的免疫攻擊就對它不管用囉。

研究原文

Chung SH, Rosa C, Scully ED, Peiffer M, Tooker JF, Hoover K, Luthe DS, Felton GW. Herbivore exploits orally secreted bacteria to suppress plant defenses. Proc Natl Acad Sci U S A. 2013 Sep 24;110(39):15728-33. doi: 10.1073/pnas.1308867110.

 

slime

小改變,好友變晚餐!

過年是靜下來回顧這一年來得失的日子。有的人前一秒是友,下一秒成敵,有時這關鍵只因一個小小的轉換,利益總是最大考量。自然界裡原本緊密的共生關係也有這樣因為小事而大翻盤的例子,例如會種細菌來吃的黏菌。

養細菌的變形蟲是怎麼回事?這裡的主角 Dictyostelium discoideum 是一種黏菌(slime mold),它是單細胞的真核生物,平常以變形蟲的長相在環境中生活。當環境變差的時候會展現出它們的社會行為,大家聚在一起變成一個大群體,決定分工,長出子實體(fruiting body)產生孢子來延續族群的生命。過去有一篇在 2011 年的研究指出這種黏菌會在孢子上攜帶自己愛吃的細菌,走到哪種到哪,食物不缺乏,可以被當做是在演化上最早出現的農夫了。

在今天談的這篇研究裡,研究人員從這些黏菌上分離出兩株螢光假單胞菌(Pseudomonas fluorescens) 菌株。雖然都是同一種細菌,但是特性不一樣,就像你能區分台灣人跟白種人間有差別。這兩株細菌的命運大不相同,一個是食物,另一個則是黏菌的好伙伴,能分泌毒素對抗真菌(這毒素叫 pyrrolnitrin),以及分泌一種能促進黏菌產生更多孢子的 chromene 類分子。研究人員很好奇,為什麼它們明明是同一種細菌卻可以出現這麼大的特性差異,導致它們由朋友身份變成食物,於是對它們做了基因體定序,來解讀所有的 DNA 密碼。比對兩株菌的 DNA 後他們很驚訝地發現這一切的改變都源自一個 gacA 基因上的點突變。這個突變導致 gacA 失效,連帶著所有受這個蛋白質調控的基因全部停擺,於是這隻細菌對黏菌不再能提供保護,就被打入食物界當養份了。這個故事告訴我們,新的一年還是要認命地被利用才不會被吃掉(咦?)。

研究原文

Stallforth P, Brock DA, Cantley AM, Tian X, Queller DC, Strassmann JE, Clardy J. A bacterial symbiont is converted from an inedible producer of beneficial molecules into food by a single mutation in the gacA gene. Proc Natl Acad Sci U S A. 2013 Sep 3;110(36):14528-33. doi: 10.1073/pnas.1308199110.

 

在高空中旅行的細菌

搭飛機時你一定有這個經驗:飛機起飛後加足馬力往上衝,先要奮力衝過上下晃動的雲層,才進入舒適平穩的高空,接著期待的餐點才會出現。那段上下晃動的地方就是對流層(troposphere),所有的雲啊霧啊都在那混亂的一層,地面上感受到的晴雨也都看這層的狀況決定。細菌跟這些雲霧也能扯上關係,為什麼?在這樣高度,氣温低,也沒什麼養份,過去不認為這裡會有多少活著的微生物的。 不過這些年的研究發現大氣裡的細菌可能有機會影響天氣,因為連在數千公尺的高空,細菌都被證實可以幫助冰晶形成,幫助凝結水滴來形成雲。

這群研究人員為了研究這些離地面幾公里遠的細菌,跟美國航空與太空總署(NASA)借了架 DC-8 四引擎研究機(這機型是可以載兩百人的大飛機啊),在美國本土,加勒比海和大西洋上空採樣。他們的目標是對流層中上層,分別在颱風前後進行採樣,希望知道颱風對空氣裡微生物組成的影響。研究結果發現空氣裡有相當多的細菌,估計每立方公尺約有 15 萬隻,而且樣本裡的細菌 60%-100% 是活著的。細菌大小約在 0.25-1.00 um左右,佔空氣中這種大小顆粒數的 20%。這些搭順風車的細菌來自何方?經過 DNA 分析後,發現這些細菌來自各種環境,但主要還是來自海洋,這跟颱風是打海洋端生出來的有關。颱風後細菌的數量增加,而且颱風過後空氣裡開始出現來自人類糞便的菌種,顯然颱風捲起了不少下面人類世界的微生物同行。那有沒有那種細菌是適合做這種長途飛行的呢?他們發現普遍出現在所有樣本裡的細菌種類有限,多半能利用含一個碳或兩個碳的有機物,而這些化合物恰好在雲裡都不少,看來細菌要能吃天上的食物才可能在雲端安居。如果天上有這麼多細菌,那以後學大氣科學的人是不是該修一下微生物學,或者也有機會讓我這細菌人坐飛機上去做做大研究啊?這個拿來當做新年新希望來努力夢好了。

研究原文

DeLeon-Rodriguez N, Lathem TL, Rodriguez-R LM, Barazesh JM, Anderson BE, Beyersdorf AJ, Ziemba LD, Bergin M, Nenes A, Konstantinidis KT. Microbiome of the upper troposphere: species composition and prevalence, effects of tropical storms, and atmospheric implications. Proc Natl Acad Sci U S A. 2013 Feb 12;110(7):2575-80. doi: 10.1073/pnas.1212089110.

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關於作者

陳俊堯

慈濟大學生命科學系的教書匠。對肉眼看不見的微米世界特別有興趣,每天都在探聽細菌間的愛恨情仇。希望藉由長時間的發酵,培養出又香又醇的細菌人。