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資優生口袋裡的摺疊刀-乖乖牌黴菌為什麼有致病基因?

本文由民視《科學再發現》贊助,泛科學獨立製作

Macro Mold

文 / Shoujer Kuo(芬蘭,赫爾辛基大學森林系)

俗話說,太陽底下沒有啥新鮮事,偏偏真菌就不喜歡生活在太陽底下。有著這麼黑暗的性格,當然生活型態也一樣批著謎一樣的色彩。不同的真菌族群有著不同的生活型態,這生活型態可以是與植物共生的共生菌、可以是在生態系統裡扮演著清道夫默默回收資源的腐生菌、也可以是讓植物或是動物生病或是死亡的致病菌。

這麼有黑暗特質的生物,在自然界裡,是不是就這麼安分守己的安於單一種身份?如果,有一天環境發生巨大的改變,真菌就這樣舉起雙手認輸給環境嗎?當然不。真菌反應外在環境改變的方式,就是轉換自己的生活型態;同一種真菌其實也可以隨著環境的改變而調整「活下去」所需要的生活型態。

150年來,一直被認為是絕對腐生的紅麵包黴(Neurospora crassa),在它的基因體序列被解開後,科學家注意到序列裡竟含有十幾個被證實與致病相關的基因。現在,問題來了:為何乖乖牌真菌卻攜帶了讓植物生病的致病基因?就像一個資優生口袋裡藏著摺疊刀。如果不想(不會)做壞事,為何帶著兇器?是甚麼原因讓乖乖牌一直乖乖的?又會是甚麼原因會讓乖乖牌哪一天變臉而成為壞人?

紅麵包黴長久以來被當作標準品,在絲狀真菌研究的各領域,包含遺傳學、生物化學、基因體學等被應用。紅麵包黴在野外的生活也很轟轟烈烈,通常只有在森林大火之後才會被發現長在燒焦的樹上或是草地。

五月份發表在《Scientific Reports》的一篇研究中,科學家發現:原因就在於環境-當環境改變,缺乏食物,遇到自然宿主的紅麵包黴,就會變得有侵略性,會感染自然宿主植物,進而轉變成與自然宿主共生的共生菌。當宿主植物因為環境不佳而變得虛弱,紅麵包黴就變成了致病菌,造成自然宿主的死亡。待自然宿主死亡後,紅麵包黴會再由致病菌轉變成腐生菌,然後消化宿主死亡後所遺留下的有機物質。

真菌與宿主的關係,一直處於一個動態平衡,當這個平衡出現傾斜(環境改變),真菌就會調整其生活型態,此時,備而不用的基因就會開始運作。這個能力,不是紅麵包黴的專利,在其他真菌上也能找到蛛絲馬跡。

目前,對於引發全面改變生活型態的機制,我們的了解仍顯不足。在未來,將朝向了解,是哪些環境感受(environmental sensing)基因的參與-例如,細胞膜上的蛋白;是哪些內在與外在因子造成宿主與真菌之前微妙平衡的改變?在核盘菌(Sclerotinia sclerotiorum)的研究,提供了一些想法與線索。核盘菌是一種植物病原真菌,其致病能力的增加,受到葡萄糖含量的提高與環腺苷酸(cAMP)的下降。反之,當葡萄糖含量下降,核盘菌就會轉變成腐生菌。這種以偵測葡萄糖含量高低來調整生活型態的轉變,很可能是因為「活」的宿主葡萄糖含量比「死」的宿主高。另外,其他環境因素,例如,溫度、濕度、光線也會是真菌評估所在環境重要的標的。

參考文獻:Kuo et al. 2014. Secret lifestyles of Neurospora crassa. Scientific Reports 4, 5135. doi:10.1038/srep05135.

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