微生物世界：隱藏在世界最大種子庫中的真菌世界


圖片來源：Rowena Hill，作者供圖
這是發(fā)現(xiàn)真相的時刻。我們花費了無數(shù)小時（準確地說是1710小時）仔細消毒這些種子，在消毒劑中搖勻這些種子時，實驗室里充滿了刺耳的嘎嘎聲。我們搭建了一個真菌城市：無數(shù)培養(yǎng)皿積木般地堆放在實驗室工作臺上，里面已經(jīng)培養(yǎng)出了不同顏色、不同質(zhì)地和不同形狀的真菌。我們提取了足夠多的DNA，冰箱都要被試管擠爆了。
經(jīng)過了這幾個月的工作，終于到了分析數(shù)據(jù)、看看我們都發(fā)現(xiàn)了些什么的時候了。據(jù)我們所知，這是首次，在一個重要的種子庫中，我們發(fā)現(xiàn)了隱藏在這個千年種子庫中的數(shù)百種真菌，其中一些可能是科學界的新物種，可能對植物健康的未來至關(guān)重要。
我已經(jīng)不記得第一次決定研究真菌的時候了。我多么希望我在本科學生物學的時候能發(fā)生一件軼事，比如第一次在顯微鏡下觀察孢子時，我被其純粹又壯麗的樣子所征服——但這只是個虛構(gòu)的軼事而已。一方面，真菌很少出現(xiàn)在我本科的學習中；另一方面，當它們出現(xiàn)時，又通常是作為引發(fā)疾病的負面形象出現(xiàn)。
當我們發(fā)現(xiàn)，真菌和動植物一樣，是一個完整的物種王國，它們都屬于地球上多細胞生物的一個重要分支，統(tǒng)稱為“真核生物”，這可能是令人驚訝的。然而，這是學校和高等教育院校的典型經(jīng)歷（至少在英國和美國是這樣的），毫不驚訝的是，當你沒有給學生教授真菌學時，他們是不會繼續(xù)研究真菌的。所以這就導致研究并教授真菌的人越來越少...你現(xiàn)在了解到現(xiàn)狀了。簡而言之，和真菌的姐妹，動植物王國相比，人們對真菌的研究非常不足。


圖片來源：EuropePMC
人們對真菌的疏忽程度，我再怎么強調(diào)都不為過。據(jù)最新的統(tǒng)計，真菌的物種總數(shù)是620萬。把這個數(shù)字放到環(huán)境中來看，這意味著我們的星球上存在著比植物種類多15倍的真菌種群。真菌種類的其他最新統(tǒng)計數(shù)字變化很大，從220萬到1.65億種不等，但不論你相信哪個數(shù)據(jù)，這些數(shù)字都已經(jīng)遠遠超過科學家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)并命名的15萬種真菌。
我們只是剛剛觸及到真菌的表面，毫不夸張地說，無數(shù)的真菌還存在于地下和其他有機體內(nèi)。這些微小的真菌，或者簡單地說“微型真菌”，肉眼是看不見的，所以很長時間以來都在我們的“雷達”監(jiān)控之外。但是，這并不意味著真菌不重要。事實恰恰相反。
是的，有些真菌是病原體，會致使動植物生病。從公眾關(guān)注度和科研角度來看，這些真菌有充分的理由成為最受關(guān)注的真菌。隨著全球旅行和貿(mào)易的增長，先不說我們對全球氣候變化的貢獻，我們正在為新的真菌病原體的出現(xiàn)和繁殖創(chuàng)造絕佳的機會。
但是真菌不只是病原體。還有一些真菌是分解者（“腐食生物”），它們在生命與死亡的持續(xù)循環(huán)中，分解有機物質(zhì)，并釋放營養(yǎng)物質(zhì)到土壤中。我們生活在一個資源有限的星球上，所以多虧了這些微小的真菌起到的循環(huán)作用，讓我們這個自然世界可以存在下去。
無數(shù)的真菌在現(xiàn)代社會中發(fā)揮著關(guān)鍵作用：它們可以作為藥物的來源（如抗生素和免疫抑制劑），作為生產(chǎn)洗滌劑和制造業(yè)的工業(yè)酶，以及作為代替塑料的新型生物材料。即使是支持我們?nèi)粘ｏ嬍?、微不足道的面包酵母，也可以在實驗室中用于研究人類遺傳或通過修飾來合成重要的化合物。這些還只是我們已經(jīng)了解到的真菌——你可以想象一下那些還未發(fā)現(xiàn)的真菌中等待被發(fā)掘的有用價值。
最著名的真菌或許是根瘤菌這樣的共生生物，它們與植物的根通常為了互利而形成伙伴關(guān)系：它們幫助植物吸收水分和營養(yǎng)，以換取碳水化合物。這些真菌可以形成巨大的地下植物營養(yǎng)交換網(wǎng)絡(luò)，我們通常稱之為“樹聯(lián)網(wǎng)”（wood wide web）。似乎還不止于此，根瘤菌還有助于增加土壤中的碳含量，因此在調(diào)節(jié)全球氣候方面發(fā)揮著重要作用。
很簡單，如果沒有真菌，我們的生命將會消亡。
探索內(nèi)生菌
這就引出了我所研究的真菌。我們在觀察植物時，發(fā)現(xiàn)的不只有根瘤菌。所有的植物組織內(nèi)都存在真菌，類似于我們動物體內(nèi)生活著一系列的微生物：我們身體的“微生物群”。這些植物體內(nèi)的微小真菌被稱為內(nèi)生菌（endophyte （endo=in, phyte=plant）），它們存活在植物體內(nèi)，不會引起任何肉眼可見的疾病癥狀。
基因測序技術(shù)的革新，讓我們能僅憑極少量的DNA痕跡就檢測出難以察覺到的生物，這改變了我們對微小真菌的認識。一個植物個體可以容納無數(shù)不同種類的真菌物種。
然而，一如既往，事情并沒有這么簡單。當我們在健康植物中發(fā)現(xiàn)內(nèi)生真菌時，其中有些可能是潛在的分解者或病原體——也就是說，這部分真菌處于休眠狀態(tài)，它們正在等待植物死亡以使其腐爛，或等待致病的機會。與此同時，我們知道一些其他的內(nèi)生真菌會給它們的宿主植物提供幫助，例如促進植物發(fā)芽和幼苗生長。我們所說的內(nèi)生菌生活方式，實際上是植物與真菌間的相互作用，這些相互作用對植物健康有好的影響也有壞的影響。


圖片來源：Nick Hill/USDA
正是這些神秘又有潛力的真菌引發(fā)了我的興趣。即使遇到很多困境，我還是找到了研究真菌的方法。我在讀本科的時候正式開始研究真菌，那時我有幸獲得了一年的“三明治”實習機會，跟隨研究真菌的高級科學家Ester Gaya在倫敦皇家植物園的邱園研究真菌。差不多七年后的今天，我依然在這里工作。
很多人并沒有意識到邱園不只是有美麗的花園；它也是一個重要的以館藏為主并專注于植物和真菌研究的科研機構(gòu)。事實上，它擁有世界上最大的干燥真菌庫，被稱為“真菌館”（館藏125萬個標本）。
再就是千年種子庫，它也是邱園的一部分。如果有什么特別的話，“種子庫“一詞可能會讓人聯(lián)想到斯瓦爾巴特群島全球種子庫的形象：一個從北極雪地里冒出來的巨大的混凝土巨石，像是某種超級怪獸基地。


圖片來源：P?l Klevan/Alamy Stock Photo
坐落在英國郊區(qū)Wakehurst廣場的千年種子庫，看上去并不宏偉壯觀，但內(nèi)部卻更令人印象深刻。在邱園的協(xié)調(diào)下，種子庫既是一個實體建筑，作為世界最大的種子庫，存放著近40000種物種的23億顆種子；同時，作為全球合作伙伴，種子庫還致力于在全世界收集和保存種子。
顧名思義，種子庫就是長期儲存種子的地方，可以作為應對潛在危機的“保險箱”。而危機即將到來：由于氣候變化和我們對地球的不可持續(xù)利用，據(jù)估計，五分之二的植物正面臨滅絕的威脅。千年種子庫的使命就是在野生植物的種子消失前，尋找并保存它們。
種子庫不僅僅是對自然界未來預設(shè)情形的備用，因為收集到的種子在當下已經(jīng)得到了很好的利用——例如，從不同的原生地社區(qū)收集到的種子，對森林火災后的生態(tài)修復和再造林的成功至關(guān)重要。


圖片來源：Dave Stevenson/Alamy Stock Photo
研究真菌的視角給種子庫的建設(shè)帶來了新目標。這可能不是建立種子庫的最初目標，但隨著對植物多樣性的保護，種子庫也在保存種子內(nèi)的真菌多樣性。當然，從事種子庫工作的科學家們早就意識到了真菌的存在，但他們對真菌的態(tài)度卻是負面的。聯(lián)合國糧農(nóng)組織的種子儲存標準總是將真菌視為污染物，這是一個需要被解決的問題，并且事實上，他們建議使用殺真菌劑來消滅任何存在的真菌。
采取這種措施是有原因的，即許多真菌會使植物生病，種子庫要避免成為植物疾病的溫床。但我們越來越意識到，我們體內(nèi)和周圍的微生物對世界的影響超過了我們之前的認識。作為人類，改變我們腸道內(nèi)的菌群平衡對身體健康有諸多負面影響，甚至與神經(jīng)疾病有關(guān)。我們對植物相關(guān)的微生物群所知甚少，但如果我們想要成功保護所有瀕危物種，就要做出一些改變。
千年種子庫內(nèi)一定存在大量被稱為內(nèi)生菌的潛在有益微小真菌，這對于研究真菌或微生物的人來說，并不難想到，然而之前并沒有任何人對此進行研究。這種情況在幾年前有所改變，當時Gaya第一次開始考慮這個問題。但是在如此龐大的種子樣本中，該從哪里開始研究呢？
研究案例：野生香蕉種群
我們的機會來了，多虧了一位博士生Simon Kallow，他在研究長期保存野生香蕉種群種子的方法。顧名思義，農(nóng)作物的野生親緣品種是我們培育的農(nóng)作物品種的近親。科學家對它們很感興趣，因為它們的基因多樣性更加豐富，可以為培育品種提供很多有用的性狀來源，例如，可以讓培育品種對氣候變化、害蟲或疾病有更強的抵御能力。
我們還有一個想法，即野生親緣物種內(nèi)的微生物群也可以起到保護我們農(nóng)作物的作用：我們可以將野生親緣種的內(nèi)生菌引入農(nóng)作物，以發(fā)揮有用的功能，例如抗逆性。保護野生親緣物種及其微生物群，可以為我們賴以生存的糧食作物的未來提供保障。
這對香蕉尤其重要，因為香蕉不只是每年價值310億美元的重要經(jīng)濟作物，還是香蕉產(chǎn)區(qū)百姓的重要食物組成。不幸的歷史還在重演，全球的香蕉作物目前受到一種名為Foc TR4的真菌病原體威脅，因此保護其野生親緣物種就很重要。
Kallow對他的野生香蕉種子可能含有的內(nèi)生真菌感興趣，并關(guān)心這些真菌能否在延長種子儲存期和提高發(fā)芽率方面發(fā)揮重要作用。對我們來說，這是一次絕佳的機會先去了解一下千年種子庫的樣本中隱藏的真菌。


圖片來源：Simon Kallow
我們采用了兩種措施——粉碎種子，對內(nèi)部的所有真菌DNA進行測序，但我們也嘗試了讓真菌在種子內(nèi)部生長，即所謂的“培養(yǎng)”。這樣，我們就能盡可能多地獲取現(xiàn)有的真菌多樣性，同時還建立了我們未來可以利用的活體內(nèi)生真菌的樣本集。
在現(xiàn)實中，每天與這些小到看不見的生物打交道，多少有點虎頭蛇尾——很多時候，你只是在觀察試管中的少量無色液體。因此，除了有用之外，在培養(yǎng)物中培養(yǎng)一些物種還是令人興奮的，這讓我們能一瞥難以置信的物種隱藏多樣性。我覺得它們也可以相當漂亮。


圖片來源：作者供圖
一個隱藏的真菌寶庫
僅觀察了六個植物品種，我們就能發(fā)現(xiàn)近200種真菌。由此可知，在千年種子庫里的4萬種植物中，即便假設(shè)不同植物種類中的內(nèi)生真菌種類會有重疊，那你也可以推斷出，隱藏在種子庫中的真菌物種可能會達到100萬種，這樣的多樣性令人興奮，其中一些可能是科學領(lǐng)域的新物種。
就研究真菌本身而言，挖掘其多樣性是很有趣的，但有些物種對其寄居的植物的健康也許很重要，因此對整個種子庫的存儲是至關(guān)重要的。
因為我們可以培養(yǎng)一些內(nèi)生真菌，我們知道至少有一些真菌物種（大部分是很常見的物種）可以在千年種子庫對種子的處理、干燥和冷凍的過程中存活下來。我們通過DNA測序還檢測到了其他內(nèi)生菌，但它們并沒有在培養(yǎng)過程中生長——但它們不一定死了，因為許多真菌對環(huán)境更敏感，在實驗室里不生長。未來，我們需要了解能在儲存過程中存活下來的內(nèi)生菌的真實數(shù)量，以防重要、稀有的物種消失。
我們的實驗結(jié)果也支持了之前的研究，即真菌在種子內(nèi)部通常是排他的。換句話說，大多數(shù)情況下，我們在種子內(nèi)檢測到的真菌只有一種，這表明，在有限的種子空間內(nèi)，一種真菌會擊敗其他菌種并成為主宰。
這就引出了一個有趣的問題，即我們能否利用這種現(xiàn)象來保護我們的植物免受病原體侵害呢？如果我們給植物接種了“正確”的內(nèi)生真菌，它能否打敗那些想要侵染種子的真菌病原體？這個想法需要在實驗室里進行驗證，但這正是我們有望使用內(nèi)生菌這種自然形式來控制植物疾病的例子之一。


圖片來源：James King-Holmes/Alamy Stock Photo
我們還發(fā)現(xiàn)，每組種子中內(nèi)生真菌的總數(shù)及物種的特定組合，會因種子收集的棲息地的變化而變化。這就意味著，當研究人員在野外做研究時，他們選擇的種子收集地可能會對將要保存的微生物群產(chǎn)生無法預料的影響。
種子在儲存后能夠存活或發(fā)芽的比例也因其原棲息地而異。我們希望未來的實驗能夠證實真菌本身是否對這種現(xiàn)象有所影響。這就是保存活的真菌培養(yǎng)物這么珍貴的原因，因為我們能用它們在實驗中檢驗許多問題。
未來是真菌的
正如科學中經(jīng)常出現(xiàn)的情況，我們在這項研究中遇到的問題比得到的答案多。其中的一些問題，對未來我們保護種子的措施有影響，而以前在種子庫從來沒研究過。我們是否已設(shè)法保存了足夠多的種子微生物群呢？這對植物的健康有多重要呢？
另外，我們對真菌本身也有一些疑問——我們能從這個從未被探索過的真菌多樣性的“寶藏”里學到什么？真菌世界還有很多有待發(fā)現(xiàn)的東西，而且通常就在我們眼前。為了迎接這個挑戰(zhàn)，我們首先要確保人們有機會能了解到真菌——這與我的經(jīng)歷不同，我在大學里幾乎沒有聽說過真菌，在中學時更是對此一無所知。
2019年夏天，我?guī)椭M織了邱園科學節(jié)的真菌展覽，這是一年一度的公共活動，我們邀請了游客來參觀，并與科學家們探討植物與真菌對我們生活的重要性。我會永遠記得，當我給大家介紹世界上最大的生物其實是一個有2500年歷史、重達400噸的巨型真菌，或者一些蘑菇會在黑夜里發(fā)光來吸引昆蟲時，游客們瞪大眼睛的樣子。
真菌很奇怪，很酷，也足夠有趣，你要做的就是分享真菌的故事，人們就會為之著迷。孩子們和大人們都會來到我們的展區(qū)，此前他們對真菌一無所知，但到了周末快結(jié)束的時候，真菌就會成為游客們在科學節(jié)上最喜歡的話題之一。
當你打開眼界，進入這個奇怪而美好的王國，你就會發(fā)現(xiàn)許多奇妙的事物。
撰文：Beth Daley，The Conversation雜志美國版總經(jīng)理兼編輯。
翻譯：魏書豪
審校：郭曉
引進來源：科學美國人
本文來自：環(huán)球科學


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