圖：培養(yǎng)皿中的綠僵菌，綠色的是孢子，白色的是菌絲

來(lái)源丨浙江大學(xué)學(xué)術(shù)委員會(huì)

作者丨周煒

因?yàn)閴鼐闹旅腥?，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(jí)真菌”的身份出現(xiàn)在美國(guó)疾控中心的“緊急威脅”名單，對(duì)于這種致死率高達(dá)60%的病原真菌，人類目前還沒(méi)有特效藥。

在這個(gè)地球上，新的病原菌總在不斷出現(xiàn)，影響著生物種群、糧食安全和人類健康。為了實(shí)現(xiàn)有效防控，科學(xué)家們開始探究：病原菌的攻擊力從何而來(lái)？它們?nèi)绾紊媾c進(jìn)化？對(duì)于病原菌中的一個(gè)大類病原真菌來(lái)說(shuō)，人們目前對(duì)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(xué)生命科學(xué)學(xué)院方衛(wèi)國(guó)教授的重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象。最近，方衛(wèi)國(guó)課題組在PNAS發(fā)表一項(xiàng)令人驚嘆的現(xiàn)象：他們?cè)诰G僵菌1.1萬(wàn)個(gè)左右基因中發(fā)現(xiàn)，18個(gè)基因并非來(lái)自祖輩的垂直遺傳，而是通過(guò)親緣關(guān)系較遠(yuǎn)的物種的水平轉(zhuǎn)移。正是那些外來(lái)基因，對(duì)于綠僵菌的毒力進(jìn)化起到了關(guān)鍵作用，讓綠僵菌從溫柔的植物共生菌轉(zhuǎn)變?yōu)榍臒o(wú)聲息的昆蟲殺手。

圖：被綠僵菌弄“綠”的巨型蟑螂

一只雞蛋大小的蟑螂躺在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，這種出沒(méi)在北美森林中的蟑螂中的“巨人”，此刻，已經(jīng)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(shí)間里，綠僵菌在蟑螂體內(nèi)生長(zhǎng)、繁殖、消耗營(yíng)養(yǎng)，最終戰(zhàn)勝了激烈的免疫清除反應(yīng)，并將它們的后代——數(shù)萬(wàn)數(shù)億的孢子鋪陳在蟑螂的軀殼，伺機(jī)等待下一次入侵。“綠僵菌”因此得名。

圖：真菌寄生在螞蟻體內(nèi)，螞蟻死去后，尸體上長(zhǎng)出了“蘑菇”

生物學(xué)家對(duì)這種現(xiàn)象并不陌生，比如我們熟知的冬蟲夏草，就是真菌感染蝠蛾幼蟲后長(zhǎng)出的子實(shí)體與幼蟲尸體構(gòu)成的復(fù)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(jīng)系統(tǒng)，操控螞蟻到找到合適真菌生長(zhǎng)的一片葉子，螞蟻死去后，它身上就長(zhǎng)出“蘑菇”來(lái)。寄生，是真菌界一種普遍的生存方式。

令科學(xué)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(huán)境較為單一，是一種與植物互惠共生的真菌。“和植物是一對(duì)好朋友?！狈叫l(wèi)國(guó)說(shuō)。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(lái)，“喂”給植物；它能分泌植物生長(zhǎng)激素，促進(jìn)植物生長(zhǎng)；還會(huì)抵擋一部分病原微生物侵染植物。加拿大的一位科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)，綠僵菌將昆蟲中的氮營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)提供給植物。

這種互惠共生關(guān)系經(jīng)過(guò)百萬(wàn)年的遺傳，至今仍然存在于綠僵菌于植物之間。一個(gè)重大的不同是：當(dāng)代綠僵菌多了一種生存環(huán)境——昆蟲。從植物到昆蟲，生存環(huán)境切換，綠僵菌從“天使”變成“魔鬼”，在進(jìn)化中獲得了殺昆蟲的能力。

根據(jù)方衛(wèi)國(guó)課題組的研究，綠僵菌生存環(huán)境從植物擴(kuò)展到昆蟲的時(shí)間點(diǎn)大約出現(xiàn)在幾百萬(wàn)年前。在那個(gè)時(shí)間，對(duì)于昆蟲來(lái)說(shuō)，一種新病原出現(xiàn)了。

圖：培養(yǎng)皿中的綠僵菌

真菌感染昆蟲并不簡(jiǎn)單，必須突破昆蟲堅(jiān)固的體壁。綠僵菌在進(jìn)化中獲得了一種穿透昆蟲“銅墻鐵壁”的本領(lǐng)。當(dāng)它們的孢子散落在昆蟲體表，孢子就逐漸長(zhǎng)成纖細(xì)的菌絲，并伸入昆蟲體壁，進(jìn)入昆蟲的血腔。到達(dá)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(nèi)順勢(shì)流動(dòng)擴(kuò)張。不知不覺(jué)中，昆蟲就被體內(nèi)大量繁殖的綠僵菌給搞“僵”了。

百萬(wàn)年前，當(dāng)綠僵菌獲得這種能力，它生存疆域就大大擴(kuò)張了。

“物種之所以獲得某種能力，是因?yàn)樗鼈儷@得了相應(yīng)的基因?！狈叫l(wèi)國(guó)說(shuō)，課題組的聚焦點(diǎn)是通過(guò)基因去探索真菌的進(jìn)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(lái)，稱為垂直遺傳；另一種，則是從親緣關(guān)系很遠(yuǎn)的其他物種而來(lái)，稱為水平轉(zhuǎn)移?！?/p>

圖：被綠僵菌感染的蝗蟲

方衛(wèi)國(guó)課題組發(fā)現(xiàn)：在綠僵菌1.1萬(wàn)個(gè)基因中，有18個(gè)基因是通過(guò)水平轉(zhuǎn)移而來(lái)的外來(lái)基因。“3個(gè)來(lái)自包括昆蟲在內(nèi)的節(jié)肢動(dòng)物，15個(gè)來(lái)自細(xì)菌?！?/p>

這18個(gè)外來(lái)基因中的12個(gè)基因，在綠僵菌接觸昆蟲體壁活躍表達(dá)。它們很有可能在幫助綠僵菌穿透昆蟲體壁。其中，2個(gè)基因可以幫助綠僵菌利用昆蟲外表皮的蠟質(zhì)層生長(zhǎng)；3個(gè)基因編碼特殊的蛋白酶，它們除了本身能降解內(nèi)表皮的蛋白之外，還能誘導(dǎo)綠僵菌表達(dá)其它蛋白酶和幾丁質(zhì)酶，這些酶協(xié)同作用，幫助綠僵菌成功降解內(nèi)表皮，進(jìn)入昆蟲血腔。還有1個(gè)基因，對(duì)綠僵菌定殖昆蟲血腔，起關(guān)鍵作用。

科學(xué)家同時(shí)把其中的4個(gè)基因突變失活后，綠僵菌幾乎失去殺蟲能力，對(duì)昆蟲的致死率降到只有0.9%。這就進(jìn)一步驗(yàn)證了這些基因的功能。

“我們還通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)特別有趣的現(xiàn)象，”方衛(wèi)國(guó)說(shuō)，不同種的綠僵菌的外來(lái)基因數(shù)量有差別，外來(lái)基因數(shù)量越多，它的寄主范圍就越廣。

“基因的變化為進(jìn)化提供原料，而環(huán)境把基因選擇下來(lái)。”方衛(wèi)國(guó)說(shuō)，這些外來(lái)基因之所以存在于綠僵菌體內(nèi)，是因?yàn)樗鼈冊(cè)谥虏±ハx時(shí)發(fā)揮了作用，換句話說(shuō)，是昆蟲把這些基因選了出來(lái)并流傳下去。

基因在不同物種之間的轉(zhuǎn)移是一種自然界常見的現(xiàn)象。但是，這種轉(zhuǎn)移是如何發(fā)生的，目前還沒(méi)有特別明確的結(jié)論。方衛(wèi)國(guó)說(shuō)，一種可能性是，昆蟲和細(xì)菌在植物根際死后細(xì)胞裂解，它們的DNA片段釋放到環(huán)境中，恰好被綠僵菌整合進(jìn)去了。“這背后的機(jī)制，我們目前還不是很了解?！?/p>

自從認(rèn)識(shí)到綠僵菌的毒力，人類就在想辦法讓綠僵菌為人類服務(wù)。除了在實(shí)驗(yàn)室里作為模式生物為科學(xué)家研究生命現(xiàn)象提供材料，綠僵菌還是一種對(duì)環(huán)境友好的生物殺蟲劑。方衛(wèi)國(guó)還做過(guò)一項(xiàng)腦洞大開的研究——利用綠僵菌，讓蚊子不傳病。

蚊子傳病的機(jī)制是：在吸血時(shí)同時(shí)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(huì)通過(guò)蚊蟲叮咬傳播。方衛(wèi)國(guó)知道綠僵菌的毒力，開發(fā)出一種自帶殺瘧原蟲蛋白的綠僵菌，派它們進(jìn)入蚊子體內(nèi)去消滅瘧原蟲。

圖：綠僵菌控蚊實(shí)驗(yàn)裝置

綠僵菌發(fā)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(zhì)去堵住蚊子進(jìn)入唾液腺門。這樣，病菌就無(wú)法進(jìn)入蚊子的口水，“最多是被蚊子咬了一口，但不會(huì)得病?！狈叫l(wèi)國(guó)說(shuō)，目前，這項(xiàng)技術(shù)在非洲一些瘧疾高發(fā)的地區(qū)做田間實(shí)驗(yàn)。

了解真菌毒力進(jìn)化機(jī)制，可以幫助人類進(jìn)一步去做好生態(tài)防治，疾病防控?！罢婢亩玖€有很多待解的謎題，我們課題組將持續(xù)研究下去?！狈叫l(wèi)國(guó)說(shuō)。