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科學封面(第30期)丨4個基因,讓它從植物天使變成昆蟲殺手

編輯:葉鑫 來源:學術委員會 時間:2019年04月17日 訪問次數:1799  源地址

圖:培養皿中的綠僵菌,綠色的是孢子,白色的是菌絲


因為壺菌的致命感染,全球多處的青蛙正在面臨種群滅絕的威脅;耳念珠菌近日以“超級真菌”的身份出現在美國疾控中心的“緊急威脅”名單,對于這種致死率高達60%的病原真菌,人類目前還沒有特效藥。

 

在這個地球上,新的病原菌總在不斷出現,影響著生物種群、糧食安全和人類健康。為了實現有效防控,科學家們開始探究:病原菌的攻擊力從何而來?它們如何生存與進化?對于病原菌中的一個大類病原真菌來說,人們目前對它還知之甚少。


綠僵菌,一種能感染蝗蟲、飛蛾等多種昆蟲的真菌,一直是浙江大學生命科學學院方衛國教授的重點關注對象。最近,方衛國課題組在PNAS發表一項令人驚嘆的現象:他們在綠僵菌1.1萬個左右基因中發現,18個基因并非來自祖輩的垂直遺傳,而是通過親緣關系較遠的物種的水平轉移。正是那些外來基因,對于綠僵菌的毒力進化起到了關鍵作用,它們幫助綠僵菌從溫柔的植物共生菌轉變為悄無聲息的昆蟲殺手。




百萬年前,它是一種新病原


圖:被綠僵菌弄“綠”的巨型蟑螂


一只雞蛋大小的蟑螂躺在實驗臺上,這種出沒在北美森林中的蟑螂中的“巨人”,此刻,已經死了,成了一具僵尸。它深褐色的軀殼上覆蓋著厚薄不均的灰綠“粉末”。干掉它的,是一種毫不起眼的真菌——綠僵菌。在感染蟑螂兩周的時間里,綠僵菌在蟑螂體內生長、繁殖、消耗營養,最終戰勝了激烈的免疫清除反應,并將它們的后代——數萬數億的孢子鋪陳在蟑螂的軀殼,伺機等待下一次入侵。“綠僵菌”因此得名。

 

圖:真菌寄生在螞蟻體內,螞蟻死去后,尸體上長出了“蘑菇”


生物學家對這種現象并陌生,比如我們熟知的冬蟲夏草,就是真菌感染蝠蛾幼蟲后長出的子實體與幼蟲尸體構成的復合體;還有一種僵尸真菌,能夠在螞蟻身體中控制螞蟻的神經系統,操控螞蟻到找到合適真菌生長的一片葉子,螞蟻死去后,它身上就長出“蘑菇”來。寄生,是真菌界一種普遍的生存方式。

 

令科學家疑惑的是,綠僵菌的“祖上”并不具備這種寄生能力。“祖上”綠僵菌生存環境較為單一,是一種與植物互惠共生的真菌。“和植物是一對好朋友。”方衛國說。綠僵菌生活在植物的根際,從植物身上獲取葡萄糖等碳源。它自己能把土壤中植物難以利用的磷元素溶解出來,“喂”給植物;它能分泌植物生長激素,促進植物生長;還會抵擋一部分病原微生物侵染植物。加拿大的一位科學家還發現,綠僵菌將昆蟲中的氮營養物質提供給植物。

 

這種互惠共生關系經過百萬年的遺傳,至今仍然存在于綠僵菌于植物之間。一個重大的不同是:當代綠僵菌多了一種生存環境——昆蟲。從植物到昆蟲,生存環境切換,綠僵菌從“天使”變成“魔鬼”,在進化中獲得了殺昆蟲的能力。



遙遠的物種拿基因


根據方衛國課題組的研究,綠僵菌生存環境從植物擴展到昆蟲的時間點大約出現在幾百萬年前。在那個時間,對于昆蟲來說,一種新病原出現了。

 

圖:培養皿中的綠僵菌


真菌感染昆蟲并不簡單,必須突破昆蟲堅固的體壁。綠僵菌在進化中獲得了一種穿透昆蟲“銅墻鐵壁”的本領。當它們的孢子散落在昆蟲體表,孢子就逐漸長成纖細的菌絲,并伸入昆蟲體壁,進入昆蟲的血腔。到達昆蟲血腔后,菌絲立刻變形成酵母狀的橢圓形,迅速在血腔內順勢流動擴張。不知不覺中,昆蟲就被體內大量繁殖的綠僵菌給搞“僵”了。

 

百萬年前,當綠僵菌獲得這種能力,它生存疆域就大大擴張了。

 

“物種之所以獲得某種能力,是因為它們獲得了相應的基因。”方衛國說,課題組的聚焦點是通過基因去探索真菌的進化軌跡。“物種獲得基因有兩種方式,一種是從祖輩這里遺傳而來,稱為垂直遺傳;另一種,則是從親緣關系很遠的其他物種而來,稱為水平轉移。”

 圖:被綠僵菌感染的蝗蟲


方衛國課題組發現:在綠僵菌1.1萬個基因中,有18個基因是通過水平轉移而來的外來基因。“3個來自包括昆蟲在內的節肢動物,15個來自細菌。”

 

這18個外來基因中的12個基因,在綠僵菌接觸昆蟲體壁活躍表達。它們很有可能在幫助綠僵菌穿透昆蟲體壁。其中,2個基因可以幫助綠僵菌利用昆蟲外表皮的蠟質層生長;3個基因編碼特殊的蛋白酶,它們除了本身能降解內表皮的蛋白之外,還能誘導綠僵菌表達其它蛋白酶和幾丁質酶,這些酶協同作用,幫助綠僵菌成功降解內表皮,進入昆蟲血腔。還有1個基因,對綠僵菌定殖昆蟲血腔,起關鍵作用。

 

科學家同時把其中的4個基因突變失活后,綠僵菌幾乎失去殺蟲能力,對昆蟲的致死率降到只有0.9%。這就進一步驗證了這些基因的功能。

 

“我們還通過實驗發現了一個特別有趣的現象,”方衛國說,不同種的綠僵菌的外來基因數量有差別,外來基因數量越多,它的寄主范圍就越廣。

 

“基因的變化為進化提供原料,而環境把基因選擇下來。”方衛國說,這些外來基因之所以存在于綠僵菌體內,是因為它們在致病昆蟲時發揮了作用,換句話說,是昆蟲把這些基因選了出來并流傳下去。

 

基因在不同物種之間的轉移是一種自然界常見的現象。但是,這種轉移是如何發生的,目前還沒有特別明確的結論。方衛國說,存在一種可能性是,昆蟲和細菌在植物根際死后細胞裂解,它們的DNA片段釋放到環境中,恰好被綠僵菌整合進去了。“這背后的機制,我們目前還不是很了解。”



利用真菌的“毒力”


自從認識到綠僵菌的毒力,人類就在想辦法讓綠僵菌為人類服務。除了在實驗室里作為模式生物為科學家研究生命現象提供材料,綠僵菌還是一種對環境友好的生物殺蟲劑。方衛國還做過一項腦洞大開的研究——利用綠僵菌,讓蚊子不傳病。

 

蚊子傳病的機制是:在吸血時同時向皮膚吐口水,如果蚊子的唾液腺里正好有瘧原蟲等病菌,那么疾病就會通過蚊蟲叮咬傳播。方衛國知道綠僵菌的毒力,開發出一種自帶殺瘧原蟲蛋白的綠僵菌,派它們進入蚊子體內去消滅瘧原蟲。

 

圖:綠僵菌控蚊實驗裝置


綠僵菌發揮穿越銅墻鐵壁的“毒力”,在蚊子血腔與瘧原蟲相遇了。綠僵菌一邊分泌殺瘧原蟲蛋白,一邊制造蛋白質去堵住蚊子進入唾液腺門。這樣,病菌就無法進入蚊子的口水,“最多是被蚊子咬了一口,但不會得病。”方衛國說,目前,這項技術在非洲一些瘧疾高發的地區做田間實驗。

 

了解真菌毒力進化機制,可以幫助人類進一步去做好生態防治,疾病防控。“真菌的毒力還有很多待解的謎題,我們課題組將持續研究下去。”方衛國說。

 

論文鏈接:

https://www.pnas.org/content/early/2019/04/02/1816430116 


(科學撰稿人:周煒     圖:課題組、網絡)


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