昆虫是怎样变绿的？

图：培养皿中的绿僵菌，绿色的是孢子，白色的是菌丝

来源丨浙江大学学术委员会

作者丨周炜

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，一直是浙江大学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，让绿僵菌从温柔的植物共生菌转变为悄无声息的昆虫杀手。

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不陌生，比如我们熟知的冬虫夏草，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。

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，菌丝立刻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。

“我们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，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，我们目前还不是很了解。”

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，我们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