成為獵人、或是獵物!線蟲與真菌的傳說對決

by:徽徽
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本文經授權轉載自友站研之有物文/ 執行編輯|林婷嫻 美術編輯|張語辰 

蟲,有些人看到這個字就嚇得腳軟。但對於薛雁冰而言,顯微鏡下的蟲,尤其是小小的線蟲,是會扭來扭去的小可愛。「它們雖然很小、肉眼看不清楚,但在顯微鏡下,它們有很多秘密要跟我們說。」

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中研院分子生物研究所的薛雁冰助理研究員,手上拿著線蟲娃娃,身旁一盒盒培養皿住著線蟲捕捉菌(真菌)。

Photo: 張語辰

獵食者 VS 獵物

自然界沒有一個物種是邊緣人,都是複雜生態系的一份子。其中,獵食者和獵物是生態系很常見的關係。以地球上數目最多的動物「線蟲」為例,若我們能了解它的天敵「線蟲捕捉菌」(真菌)是如何抓線蟲,就有機會找出生物防治方法,對抗危害人類或農作物的寄生性線蟲。

顯微鏡底下的攻防戰

小小的線蟲和線蟲捕捉菌,在顯微鏡下訴說的「秘密」,不是哪位明星談戀愛的八卦,而是獵物和獵食者彼此如何攻防。為了存活下去,沒有一方能在這場對決中耍賴不玩。因此,獵食者要抓準時機覺醒獵魂,而獵物要想辦法避開被捕食的處境。

這種史詩般的狩獵對決,激起薛雁冰的好奇心,雖然沒辦法將野外的獵豹和羚羊抓回實驗室研究,但是生長快速的線蟲和線蟲捕捉菌,可以回答薛雁冰好奇的問題。

就像硬幣的兩側。我們一方面研究會吃線蟲的真菌如何捕捉線蟲,另一面也研究線蟲對於這些真菌的反應。

這除了是很有趣的生命現象,這類研究未來也有機會發展生物防治。因為大自然中有很多動植物的寄生性線蟲,有些會造成農作物生病、產量減少,有些會危害人或動物的健康。但若想對抗這些寄生性線蟲,第一步要先了解:它們的天敵是透過什麼樣的互動來抓住線蟲。

薛雁冰實驗室選擇的 C.elegans 線蟲,雖然不是寄生性線蟲,但是一種從 1970 年代迄今被廣泛研究的模式生物,在顯微鏡下扭來扭去,為科學家解開生命之謎。許多諾貝爾獎的重大發現,都要歸功於 C.elegans 線蟲的犧牲小我。

除了 C.elegans 線蟲,薛雁冰的實驗室也住著它的獵食者──大自然常見的真菌 A.oligospora和杏鮑菇(沒錯,就是我們吃的杏鮑菇),這兩者在某些「飢餓」條件下都會捕食線蟲。

獵魂覺醒!真菌這樣抓線蟲

會吃線蟲的真菌,例如 A.oligospora 和杏鮑菇,不是天生的戰鬥民族,而是它們在缺氮的環境中餓到了,需要捕食線蟲以攝取養分。兩者殺害線蟲的手段不一樣,可以簡單想像成:前者 A.oligospora 擅長設下「陷阱」,而杏鮑菇擅長「下毒」。

當環境中的氮養分不足,真菌 A.oligospora 一旦偵測到環境中存在線蟲,就會形成黏黏的菌絲陷阱,像蜘蛛網等待線蟲納命來。而杏鮑菇不管環境中有沒有線蟲,只要餓了就會分泌毒素,若有線蟲誤入毒素的範圍,就會被痲痹。

請各位讀者看看命案現場,請放心沒有血腥畫面。下方影片中,一旦 C.elegans 線蟲被真菌A.oligospora 的菌絲陷阱黏住後,就會漸漸氣絕身亡,然後被慢慢消化掉。

這命案過程中間、以及案發前後發生了什麼事?薛雁冰團隊透過遺傳學基因體學神經科學分子生物實驗,像刑事鑑識中心般,剖析出線蟲捕捉菌 A.oligospora 的五個犯案步驟:

吸引獵物 → 發現獵物 → 設下陷阱 → 抓住獵物 → 飽餐一頓!

事情要從 C.elegans 線蟲的蟲生故事說起,它從蟲卵長為成蟲大約只需兩日,終其一生只有兩個使命:成長、交配。從這個角度來看真好命。

因為線蟲捕捉菌無法移動,需要想辦法「吸引」獵物上門。薛雁冰團隊發現,真菌 A.oligospora 看準線蟲隨時隨地都在尋找「交配對象」和「食物」,就分泌出和線蟲性賀爾蒙相似的化合物、以及像線蟲食物的化合物,藉此吸引獵物。

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真菌 A.oligospora 分泌多種化合物,味道很像 C.elegans 線蟲的食物和性荷爾蒙。線蟲透過嗅覺神經「聞」到,因此受到吸引並靠近。

資料來源│Hsueh YP, Gronquist M, Schwarz EM, Nath R, Lee CH, Gharib S, Schroeder FC, Sternberg PW (2017) The nematophagous fungus Arthrobotrys oligospora mimics olfactory cues of sex and food to lure its nematode prey. eLife 6:e20023

Photo: 林婷嫻、張語辰

線蟲捕捉菌 A.oligospora 如何知道獵物來了呢?請試著回想,當你肚子餓了,如何發現附近有食物,可能是鼻子聞到「前面那個好香喔」。線蟲捕捉菌 A.oligospora 也類似如此,當它偵測到線蟲身上特殊的「誘惑」,就知道要趕快設下陷阱、捕捉獵物。

C.elegans 線蟲並沒有夢幻誘惑的體香,而是會分泌稱作 Ascarosides (暫無中文譯名) 的醣分子,這種醣分子的結構約有一百多種,例如下圖舉例:

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C.elegans 線蟲分泌的不同 Ascarosides 醣分子。中間紅色的六環結構基本相同,尾端鏈結的碳鏈長度和分子有些微差異。
資料來源│Jeong PY et al. Nature. 2005; Butcher RA et al. Nat Chem Biol. 2007; Srinivasan J et al. Nature. 2008; Srinivasan J et al. PLoS Bio 2012; Choe A et al. Curr Biol 2012

合作廠商

不同結構的 Ascarosides 醣分子,有些用於調控線蟲自身的發育,有些作為尋找交配對象的語言。

身為獵食者的真菌 A.oligospora ,可稱讚它聰明又心機重,知道這些 Ascarosides 醣分子是線蟲的必要分泌物,那麼獵食者只要學會辨識這些醣分子,就能偵測身邊有沒有好吃的線蟲靠近,並且趕快長出黏黏的菌絲陷阱,將線蟲黏住,最終化為肚中物。

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即使環境中氮養分不足,線蟲捕捉菌 A.oligospora 還是只有一般菌絲(左圖) 。但若偵測到身邊有好吃的線蟲,就會趕快長出黏著的陷阱(右圖)。
資料來源│Vidal-Diez de Ulzurrun G, Hsueh YP (2018) Predator-prey interactions of nematode-trapping fungi and nematodes: both sides of the coin. Appl Microbiol Biotechnol, 102: 3939. 

Photo: 林婷嫻、張語辰

「在這互動中,線蟲的哪些 Ascarosides 醣分子,會引誘線蟲捕捉菌長出陷阱?這些真菌偵測線蟲的靈敏度會不會有變化?又是哪些基因變異,產生這些改變?」薛雁冰說明,團隊除了觀察短時間內獵物和獵食者的攻防戰,也透過實驗操作來觀察兩者長時間的演化軍備競賽(Evolutionary arms race)。

演化軍備競賽,就像歷經數十年至數百年的武裝升級過程。獵物經由基因和性狀的變異,提升自己的防禦值,成功存活下來的獵物,因而可以將這組基因遺傳給子代;同時,獵食者也會發生基因和性狀的變異,提升自己的攻擊力,才能更容易抓到獵物。

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「演化軍備競賽」可以想像成是獵物和獵食者,在你來我往的攻防戰中,各自改變基因和性狀,提升自己存活下來的機會。只是,「回合」是以「世世代代」來計算。
截圖取自│薛雁冰實驗室影片

Photo: 林婷嫻、張語辰