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尿騷味讓真菌變身為帥氣牛仔

2015/02/01 | |

 

真菌對很多生物來說是美食。我們烤肉時總要準備鮮香菇杏鮑菇金針菇,切葉蟻也像人類用太空包種香菇一樣,會搬些葉子回到巢裡的農場,種真菌來當做食物。不過真菌可不是永遠都是被吃的一方。來看看下面的故事。

真菌牛仔耍套環

Arthrobotrys 節叢孢菌屬是一群真菌獵人,捕捉會動來動去的線蟲當食物。這一屬的真菌在土壤裡原本和一般真菌一樣是腐生,但是在有線蟲可捕的環境裡會改變形態和生活方式,成為心狠手辣的獵人。這些變身的真菌會長出像牛仔使用的套索那樣的環狀菌絲,靜靜等候獵物。哪隻倒楣的線蟲鑽進套環時,真菌瞬間會把套環快速縮緊,抓住這隻獵物,就像跟獵人在獸徑上設陷阱捕捉野生動物一樣。你可以在下面的影片裡看到微生物如何絞殺一隻多細胞動物。

線蟲與細菌的戰爭

這被獵殺的線蟲,自己在土壤生態系裡也是個重要的獵人。線蟲大量吞食住在土壤裡的各種細菌。這些被吞入的細菌在線蟲的咽部被磨碎分屍,再向後送入消化道進行消化釋出養份。為了存活下去,細菌們必須演化出各種保命絶活,有的分泌討厭的化合物驅趕線蟲,有的製造毒素嘗試以化學武器反制,有的細菌集合很多伙伴一起打群體戰,形成比線蟲的口還大的生物膜構造,以建造大城堡的方法來保護自己。那些沒有特異功能可以保護自己的,只好以快速生長來彌補失去的數量。激烈的生死攻防戰,千萬年來一直就在不起眼的土壤裡悄悄地進行著。

藏在牛糞裡的秘密

下面要介紹的可是一種極為神奇的研究,把細菌跟真菌也給連結起來。過去的研究發現,節叢孢菌會受到線蟲製造的某種化學物質刺激,而開始轉變成為獵人。食物的味道引起改變很合理,如果在電影院裡聞到鄰座濃濃的炸雞香我可能也會變身成不知道什麼東西。不過另一個已知會刺激節叢孢菌變身的東西居然是牛糞,這就難解釋了。要介紹的這個研究來自一個在中國雲南的研究團隊,他們想知道到底是什麼物質讓真菌決定變身的。動物糞便是細菌孳生的溫床,難道這整件事會是細菌精心策劃的陰謀?

他們著手從牛糞裡分離出 126 株細菌,測試後發現其中 55 株真的有刺激真菌長出套環的能力。他們從中選出了能力最強的三株菌,全部都是 Stenotrophomonas maltophilia (嗜麥芽窄食單胞菌,接下來稱 Sm 菌)。經過化學分離分析 Sm 菌的產物後,他們發現這個能讓真菌長出套環的神奇物質是尿素。不過這個刺激真菌長出套環的效果和尿素濃度有關,在 300 mg/L 效果最好,培養刺激三天後真菌就會長出套環。如果超過 300 mg/L 的話效果下降,濃度高到 1500 mg/L 就沒有效了。牛糞裡測得的尿素濃度是 151 mg/L,落在能成功誘發真菌變成牛仔的範圍裡。

他們接著回到 Sm 菌上,證實了 Sm 菌的確有能力產生尿素,如果把產生尿素的基因(arcA)破壞掉,Sm 菌就失去製造尿素以及讓真菌變身的能力。到這裡,他們證實了細菌能以製造尿素的方法來誘發真菌形成套環。後續的實驗證實了這些尿素會進到真菌體內被分解成氨,而這產生的氨才是啟動套環形成機制的主要訊號。這群研究人員接著做了把真菌、細菌、線蟲放在一起培養的實驗,發現如果細菌能製造尿素,就能讓附近的真菌獵捕更多的線蟲,最後甚至可以消滅附近的線蟲族群。而在這個過程裡,細菌數量持續上升,顯示這個策略的確有利於細菌的存活。

尿素的妙用

尿素是現在農業興起的主因,在自然界也是一種微生物可以快速利用的含氮養份。現在,尿素又多了一個控制生物反應的功能。這篇研究裡產生了一些有趣的問題:為什麼真菌要被尿素控制呢? 這讓我想起去年在野望影展看到的影片。主持人想要找到旗魚,雖然在茫茫大海中要從海面上找到水中高速穿梭的旗魚很困難,但是如果看到海面有鳥兒聚集,那裡必定有沙丁魚群,而旗魚就會出現在那裡捕食。真菌除了直接偵測線蟲的氣味,它們同時也偵測細菌代謝時產生的物質(如尿素),因為有大量細菌出現,饑餓的線蟲就不遠了。而細菌們也因為有了真菌殺陣的保護,得以在這場生死戰中得到喘息的機會。

而究竟是真菌學會了利用細菌報信來準備展開獵殺,或是細菌找到了控制真菌當保全的方法,我想都有可能。這樣對雙方都好的雙贏策略,在環境裡應該可以持續被採用。這篇研究的作者也收集了其它 31 種會形成套環的真菌來測試,其中有 7 種會受到尿素的控制,顯示這是個蠻常見的策略。那其它的 24 種呢?或許還有別的分子也有這樣的功能哦。

報導原文

研究原文

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。