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科学封面(第30期)丨4个基因,让它从植物天使变成昆虫杀手

编辑:叶鑫 来源:学术委员会 时间:2019年04月17日 访问次数:1711  源地址

图:培养皿中的绿僵菌,绿色的是孢子,白色的是菌丝


因为壶菌的致命感染,全球多处的青蛙正在面临种群灭绝的威胁;耳念珠菌近日以“超级真菌”的身份出现在美国疾控中心的“紧急威胁”名单,对于这种致死率高达60%的病原真菌,人类目前还没有特效药。

 

在这个地球上,新的病原菌总在不断出现,影响着生物种群、粮食安全和人类健康。为了实现有效防控,科学家们开始探究:病原菌的攻击力从何而来?它们如何生存与进化?对于病原菌中的一个大类病原真菌来说,人们目前对它还知之甚少。


绿僵菌,一种能感染蝗虫、飞蛾等多种昆虫的真菌,一直是ca888亚洲城官网生命科学学院方卫国教授的重点关注对象。最近,方卫国课题组在PNAS发表一项令人惊叹的现象:他们在绿僵菌1.1万个左右基因中发现,18个基因并非来自祖辈的垂直遗传,而是通过亲缘关系较远的物种的水平转移。正是那些外来基因,对于绿僵菌的毒力进化起到了关键作用,它们帮助绿僵菌从温柔的植物共生菌转变为悄无声息的昆虫杀手。




百万年前,它是一种新病原


图:被绿僵菌弄“绿”的巨型蟑螂


一只鸡蛋大小的蟑螂躺在实验台上,这种出没在北美森林中的蟑螂中的“巨人”,此刻,已经死了,成了一具僵尸。它深褐色的躯壳上覆盖着厚薄不均的灰绿“粉末”。干掉它的,是一种毫不起眼的真菌——绿僵菌。在感染蟑螂两周的时间里,绿僵菌在蟑螂体内生长、繁殖、消耗营养,最终战胜了激烈的免疫清除反应,并将它们的后代——数万数亿的孢子铺陈在蟑螂的躯壳,伺机等待下一次入侵。“绿僵菌”因此得名。

 

图:真菌寄生在蚂蚁体内,蚂蚁死去后,尸体上长出了“蘑菇”


生物学家对这种现象并陌生,比如大家熟知的冬虫夏草,就是真菌感染蝠蛾幼虫后长出的子实体与幼虫尸体构成的复合体;还有一种僵尸真菌,能够在蚂蚁身体中控制蚂蚁的神经系统,操控蚂蚁到找到合适真菌生长的一片叶子,蚂蚁死去后,它身上就长出“蘑菇”来。寄生,是真菌界一种普遍的生存方式。

 

令科学家疑惑的是,绿僵菌的“祖上”并不具备这种寄生能力。“祖上”绿僵菌生存环境较为单一,是一种与植物互惠共生的真菌。“和植物是一对好朋友。”方卫国说。绿僵菌生活在植物的根际,从植物身上获取葡萄糖等碳源。它自己能把土壤中植物难以利用的磷元素溶解出来,“喂”给植物;它能分泌植物生长激素,促进植物生长;还会抵挡一部分病原微生物侵染植物。加拿大的一位科学家还发现,绿僵菌将昆虫中的氮营养物质提供给植物。

 

这种互惠共生关系经过百万年的遗传,至今仍然存在于绿僵菌于植物之间。一个重大的不同是:当代绿僵菌多了一种生存环境——昆虫。从植物到昆虫,生存环境切换,绿僵菌从“天使”变成“魔鬼”,在进化中获得了杀昆虫的能力。



遥远的物种拿基因


根据方卫国课题组的研究,绿僵菌生存环境从植物扩展到昆虫的时间点大约出现在几百万年前。在那个时间,对于昆虫来说,一种新病原出现了。

 

图:培养皿中的绿僵菌


真菌感染昆虫并不简单,必须突破昆虫坚固的体壁。绿僵菌在进化中获得了一种穿透昆虫“铜墙铁壁”的本领。当它们的孢子散落在昆虫体表,孢子就逐渐长成纤细的菌丝,并伸入昆虫体壁,进入昆虫的血腔。到达昆虫血腔后,菌丝立即变形成酵母状的椭圆形,迅速在血腔内顺势流动扩张。不知不觉中,昆虫就被体内大量繁殖的绿僵菌给搞“僵”了。

 

百万年前,当绿僵菌获得这种能力,它生存疆域就大大扩张了。

 

“物种之所以获得某种能力,是因为它们获得了相应的基因。”方卫国说,课题组的聚焦点是通过基因去探索真菌的进化轨迹。“物种获得基因有两种方式,一种是从祖辈这里遗传而来,称为垂直遗传;另一种,则是从亲缘关系很远的其他物种而来,称为水平转移。”

 图:被绿僵菌感染的蝗虫


方卫国课题组发现:在绿僵菌1.1万个基因中,有18个基因是通过水平转移而来的外来基因。“3个来自包括昆虫在内的节肢动物,15个来自细菌。”

 

这18个外来基因中的12个基因,在绿僵菌接触昆虫体壁活跃表达。它们很有可能在帮助绿僵菌穿透昆虫体壁。其中,2个基因可以帮助绿僵菌利用昆虫外表皮的蜡质层生长;3个基因编码特殊的蛋白酶,它们除了本身能降解内表皮的蛋白之外,还能诱导绿僵菌表达其它蛋白酶和几丁质酶,这些酶协同作用,帮助绿僵菌成功降解内表皮,进入昆虫血腔。还有1个基因,对绿僵菌定殖昆虫血腔,起关键作用。

 

科学家同时把其中的4个基因突变失活后,绿僵菌几乎失去杀虫能力,对昆虫的致死率降到只有0.9%。这就进一步验证了这些基因的功能。

 

“大家还通过实验发现了一个特别有趣的现象,”方卫国说,不同种的绿僵菌的外来基因数量有差别,外来基因数量越多,它的寄主范围就越广。

 

“基因的变化为进化提供原料,而环境把基因选择下来。”方卫国说,这些外来基因之所以存在于绿僵菌体内,是因为它们在致病昆虫时发挥了作用,换句话说,是昆虫把这些基因选了出来并流传下去。

 

基因在不同物种之间的转移是一种自然界常见的现象。但是,这种转移是如何发生的,目前还没有特别明确的结论。方卫国说,存在一种可能性是,昆虫和细菌在植物根际死后细胞裂解,它们的DNA片段释放到环境中,恰好被绿僵菌整合进去了。“这背后的机制,大家目前还不是很了解。”



利用真菌的“毒力”


自从认识到绿僵菌的毒力,人类就在想办法让绿僵菌为人类服务。除了在实验室里作为模式生物为科学家研究生命现象提供材料,绿僵菌还是一种对环境友好的生物杀虫剂。方卫国还做过一项脑洞大开的研究——利用绿僵菌,让蚊子不传病。

 

蚊子传病的机制是:在吸血时同时向皮肤吐口水,如果蚊子的唾液腺里正好有疟原虫等病菌,那么疾病就会通过蚊虫叮咬传播。方卫国知道绿僵菌的毒力,开发出一种自带杀疟原虫蛋白的绿僵菌,派它们进入蚊子体内去消灭疟原虫。

 

图:绿僵菌控蚊实验装置


绿僵菌发挥穿越铜墙铁壁的“毒力”,在蚊子血腔与疟原虫相遇了。绿僵菌一边分泌杀疟原虫蛋白,一边制造蛋白质去堵住蚊子进入唾液腺门。这样,病菌就无法进入蚊子的口水,“最多是被蚊子咬了一口,但不会得病。”方卫国说,目前,这项技术在非洲一些疟疾高发的地区做田间实验。

 

了解真菌毒力进化机制,可以帮助人类进一步去做好生态防治,疾病防控。“真菌的毒力还有很多待解的谜题,大家课题组将持续研究下去。”方卫国说。

 

论文链接:

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


(科学撰稿人:周炜     图:课题组、网络)


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