昆蟲是怎樣變綠的？

圖：培養皿中的綠僵菌，綠色的是孢子，白色的是菌絲

來源丨浙江大學學術委員會

作者丨周煒

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，對於這種致死率高達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？對於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個基因並非來自祖輩的垂直遺傳，而是通過親緣關係較遠的物種的水平轉移。正是那些外來基因，對於綠僵菌的毒力進化起到了關鍵作用，讓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

一隻雞蛋大小的蟑螂躺在實驗台上，這種出沒在北美森林中的蟑螂中的「巨人」，此刻，已經死了，成了一具殭屍。它深褐色的軀殼上覆蓋著厚薄不均的灰綠「粉末」。幹掉它的，是一種毫不起眼的真菌——綠僵菌。在感染蟑螂兩周的時間裡，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，並將它們的後代——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，螞蟻死去後，屍體上長出了「蘑菇」

生物學家對這種現象並不陌生，比如我們熟知的冬蟲夏草，就是真菌感染蝠蛾幼蟲後長出的子實體與幼蟲屍體構成的複合體；還有一種殭屍真菌，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，螞蟻死去後，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」並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。

這種互惠共生關係經過百萬年的遺傳，至今仍然存在於綠僵菌於植物之間。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。

從遙遠的物種拿基因

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，對於昆蟲來說，一種新病原出現了。

圖：培養皿中的綠僵菌

真菌感染昆蟲並不簡單，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「銅牆鐵壁」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，並伸入昆蟲體壁，進入昆蟲的血腔。到達昆蟲血腔後，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，一種是從祖輩這裡遺傳而來，稱為垂直遺傳；另一種，則是從親緣關係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個基因突變失活後，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，它的寄主範圍就越廣。

「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於綠僵菌體內，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併流傳下去。

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，一種可能性是，昆蟲和細菌在植物根際死後細胞裂解，它們的DNA片段釋放到環境中，恰好被綠僵菌整合進去了。「這背後的機制，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，那麼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

綠僵菌發揮穿越銅牆鐵壁的「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，一邊製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：

本文轉載自公眾號「求是風采"

《環球科學》2019年4月刊現已上市

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