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松露的兩性人生

國科會 國際合作簡訊網
・2012/05/22 ・921字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 520 ・七年級

TAAi 2020 25th 人工智慧研討會

解開松露的祕密,也證實了此一現象的複雜性和這種珍貴真菌與環境的共生關係,並可理解為什麼自二十世紀初,其產量就因為生態系統的改變而開始下降。(圖片來源:sgillies@Flickr,根據創用CC-By 2.0條款使用)

黑松露 (Tuber melanosporum) 又稱佩里戈爾松露 (Périgord),其基因組定序結果已於 2008 年由法國國家農業研究院 (INRA) 發表,提供了一個新的土壤研究方法。國家農業研究院透露,黑松露不像其他同宗個體的真菌,而是一種異宗配合的真菌,它只能以融合兩種菌絲(真菌看不見的部分,細絲網絡在土壤中發展)的方式來繁殖。

發現此現象後一年所進行的測試,證明植入菌絲的菌根植物存在兩種性別。今日,某些真菌生產者生產的一年生植物中,85% 帶有兩種性別,以國家農業研究院的方法開發植物的 Damien Berlureau 認為:「我們已經開始分析土壤、樹根與土地的相互作用,發展可能會很快」。

法國松露栽培者聯會 (FFT) 主席佩里戈爾 (Jean-Charles Savignac) 認為:「在法國生產三十噸松露還稱不上爆炸型的成長率」。事實上,它需要五年的生產時間,十年之後才能獲得生產回報。

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生態系統的變化

解開松露的祕密,也證實了此一現象的複雜性和這種珍貴真菌與環境的共生關係,並可理解為什麼自二十世紀初,其產量就因為生態系統的改變而開始下降。今日,實驗室的研究方向與土地應用的實驗相關。

多爾多涅省 (Dordogne) 農業廳負責區域技術發展的技術員 Patrick Réjou 和法國其他地區的研究人員一樣,針對實驗用的佩里戈爾黑松露,利用帶有兩種性別的新種植物,進行一項測試計畫。

這個計畫包括分析性慾的運作方式、測試干預方法。研究員將兩種性別的孢子散播在菌根樹下的「熱區」,這裡是松露出現的地方,也是試圖用栽培法取代過去自發性發芽的區域。技術路線包含所有可能的變因,例如尺寸、灌木種類、用手工或機械除草、土壤類型、噴頭類型、孢子年齡、投入孢子的方法。

法國松露栽培者聯會研究主任暨國家農業研究院實驗方案協調員 Jean-Marc Olivier 確認,在目前的實驗狀況下,若松露證實可以種植,「它還需要有雜草的鈣質草原。只有在尊重自然環境之下,植物育種才能有成果。」

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作者:駐法國代表處科技組
資料來源:法國《世界報》(Le Monde)[2011-12-30]

轉載自國科會國際合作簡訊網

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自己的和牛自己養!「源興牛」是怎麼培育的呢?
活躍星系核
・2020/08/04 ・3241字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 531 ・七年級

TAAi 2020 25th 人工智慧研討會

  • 文、照片/中央畜產會企劃組 王淑瑛、陳雨馨
  • 本文轉載自財團法人中央畜產會畜產報導月刊 2019 年 4 月第 224 期,原文標題為《隱藏的大明星 新光兆豐農場的源興牛》。由於採訪時間為2019年2月底,因此有部分數據可能與現況不完全相符。

在新光兆豐農場的一隅,約莫 4 公頃多的面積,飼養著一群乳牛和名氣響叮噹的「源興牛」。

105 年李登輝基金會買下放牧於擎天崗的 19 頭源興牛後,就將牛遷置新光兆豐農場,進行純種繁殖,並與農場原本的乳牛群進行雜交育種試驗。2019年 2 月底拜訪牛場時,已見數頭雜交一代小牛誕生,「原原種但馬牛」源興牛也相當適應了花蓮的氣候環境。李登輝基金會王燕軍秘書長對編號「101」的源興牛似乎特別有感情,稱牠為「第一代牛王」。養牛場並未開放觀光,就讓我們跟著王秘書長的腳步,認識隱身農場的牛明星,並期待臺灣新品種肉牛的誕生。

用擠乳收益  支援源興牛飼養與育種

養牛場主要分為兩個場域,一是乳牛區,一是肉牛區,乳牛原本屬於新光兆豐農場,有 300 多頭,李登輝基金會買下後,隨即更新牛群,包括淘汰低產乳牛、自澳洲進口 50 頭懷孕女牛等,以提高乳牛泌乳性能,也同步改善擠乳設備,確保生乳品質,所產生乳則仍舊交乳給統一公司。

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不是要培育肉牛新品種嗎?為何購買乳牛和雜交?王燕軍秘書長表示,買乳牛這件事曾讓農委會官員一陣緊張,擔心這 2、3 百頭乳牛會被當成肉牛屠宰,影響國產鮮乳產銷平衡。王燕軍秘書長則是向農委會保證,不僅會持續經營乳業,而且要提升奶量,屆時奶量增加了,反而希望農委會確保有乳廠收購。

李登輝基金會養乳牛其實有兩大用意,一是要用擠乳收益來支援飼養肉牛,二是要「借腹生子」,以源興牛(人工取精)與乳牛(母)雜交,逐步培育適合臺灣的新品種肉牛,並形成肉牛產業鏈。王燕軍秘書長表示,乳牛體型大,但骨骼大、肉少、脂肪多;肉牛雖體型小,但骨骼也小,所以取肉率反而高。源興牛與乳牛雜交,就是希望培育出具兩者優勢:體型大、骨骼小、取肉率高、耐濕熱氣候,且具黑毛種和牛外觀性狀的新品種肉牛。

王秘書長對場內雜交一代小牛的性狀表現是滿意的,小牛外觀全部為黑毛,出生體重最輕者也有 36.4 公斤,難產死亡的一頭則重 40 公斤。這些具 50% 源興牛血統的雜交一代小牛採公、母分開飼養,公牛將選留遺傳性狀優良者作為種牛,其餘作為肉牛飼養,種公牛與母牛未來將會再回交源興牛,並測試不同遺傳比例雜交後代的肉質、飼料效率,找出最有利臺灣的肉牛新品種及飼養模式。

雜交育種小牛,新品種肉牛未來的希望。

王燕軍秘書長表示,源興牛人工取精、精液品質與授精技術確立後,雜交牛因會不斷誕生,當時預計至2019年底,牛隻總頭數就會超過牧場登記的頭數 350 頭,因此基金會當前要務是在附近另覓場地,移置源興牛,作為種原保存、研究和培育中心,並著手選種的工作;原原種但馬牛除在該中心活體保存外,未來還將進行冷凍胚胎等試驗,以提高族群量,無繁殖力的老牛則擬送回擎天崗,以安養天年。新光兆豐牛場現址先期會作為雜交牛的肥育基地,之後會回歸單純的乳牛場。

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王秘書長強調:「我們不可能什麼都做!只能做到種牛的培育,至於繁殖、肥育和牛肉的生產,必須由其他人共同塑造一個完整的肉牛產業鏈。」基金會的目的,只是希望找出對養牛戶、對整個臺灣肉牛產業結構有幫助的牛種與飼養模式。

王燕軍秘書長:源興牛很乖。

種原認定 畜產試驗研究機構動起來

源興牛被國內乳業專家形容為「天上掉下來的禮物」,主因這群牛源自 1933 年日本引進臺灣的役用牛,因族群封閉,未與其他牛種雜交,經長時間近親交配、繁殖,產生「基因純化」的結果,日本專家鑑定為原原種但馬牛(和牛),臺灣大學也確認沒有白血病的基因。反觀日本,百年來均以各個和牛品種與乳牛雜交,選育經濟價值高的和牛品種,結果過度雜交,反而造成原始但馬牛基因「飄移」、不見了。正因如此,當王燕軍秘書長因緣際會找到這 19 頭牛,並知道鑑定結果時,如獲至寶,積極拜訪育種和飼養管理專家,期待發展出臺灣的新品種肉牛,而因源興牛早已在臺生根,比日本的但馬牛更適應臺灣濕熱的氣候。

根據畜牧法第 12 條第 1 項規定:「發現、育成或自國外引進新品種或新品系之種畜禽或種原者,應向中央主管機關申請登記,經審定核准登記後,始得推廣、銷售。」農委會畜產試驗所已安排召開「源興牛種原品種外表特徵標準之訂定」籌備會,未來如通過認定為種原,畜試所將協助進行保種,再通過農委會的命名登記審查,才能商業利用,推廣民間飼養。

每頭源興牛有編號、有紀錄。

適合臺灣的肉牛品種 何妨比一比

雖然對源興牛與其雜交後代的肉質有信心,王燕軍秘書長對於養牛戶直接採購國外肉牛品種(如安格斯牛)作為肉種牛繁殖,倒也樂觀其成,但他認為,每個國家都會把最優秀種原留在國內不放,日本對於和牛也是一樣,所以這些進口牛種的繁殖後代是否還是那麼優秀?源興牛雜交育種出來的臺灣新牛種能否突圍,成為肉牛產業飼養的主流?大家不妨比比看。

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認識源興牛

源興牛是李登輝前總統買下放養於擎天崗的牛隻,原本目的是研究適合臺灣肉牛的飼料、品種,後經日本學者研究證實為日本原原種但馬牛後,李前總統便希望藉此培育「臺灣和牛」,提供好的肉牛品種供農民飼養,建構新的肉牛產業鏈。這批牛隻成功繁殖下一代後,就依李前總統於臺北三芝的故居──「源興居」,將之命名為源興牛。

因緣際會找到這批牛隻的是李登輝基金會王燕軍秘書長。王秘書長指出,文獻證實,1933 年日本引進臺灣 100 多頭但馬牛,主要作為耕牛;光復後,國民政府要標售這批牛,曾派駐臺北州第二牧場(擎天崗)、第三牧場(萬里馬槽)工作的黃姓(擎天崗牛)飼主的父親就出面買下,共 14 頭,與何姓同輩一同將牛趕至擎天崗飼養。

王秘書長輾轉得知擎天崗有日本來的牛後,就親自上擎天崗去看,他說「愈看愈不對」,這牛怎麼這麼小?於是拍照給日本學者看,對方也無法確定是日本和牛,但建議王秘書長,若決定要研究臺灣肉牛,未來就什麼牛都要買!於是王秘書長再上山,希望黃姓飼主售予 6 頭牛讓他研究。黃姓飼主考慮一天後,提議 19 頭全部賣給他,且依早期牛販的習慣,交錢的隔天,就要把牛載走。

據王秘書長轉述,黃姓飼主已經 80 幾歲高齡,當時又接連有颱風襲臺,無論上山趕牛、從山下扛豆漿店的豆餅餵牛,飼養、防疫種種工作都非常吃力,加上牛隻採自然放牧,小牛因淹水、天寒或被野犬攻擊的折損率高,飼養多年迄今,族群量就只有 19 頭而已,所以希望一次出清,且保證臺灣其他地方沒有該品種牛隻。

對於養牛門外漢而言,趕牛可絕不輕鬆。王秘書長費了好大的勁,一頭牛也趕不上車,因為「牛老大」一個轉身,就把王秘書長的手給甩開了;後來是由臺南麻豆來協助載牛的年輕司機,用電蚊拍輕輕拍打牛屁股,順利搞定,19 頭牛乖乖上車前往新家──位於花蓮縣的新光兆豐農場。

為何選在花蓮落腳?王秘書長曾隨同李前總統到日本石垣島參觀時發現,石垣島每月約可產出 900 頭小和牛賣至日本各地再進行肥育,顯示石垣島的氣候條件是適合和牛前期飼養的;而石垣島與花蓮緯度、距離均近,所以李登輝基金會選擇了花蓮,作為「臺灣和牛」的培育基地。

這 19 頭擎天崗牛後經日本學者確認為原原種但馬牛,據王秘書長表示,日本農業部門其實也是確認的,惟無法出具證明。換言之,日本 1933 年帶來臺灣的但馬牛,雖經歷 80 多年歲月的洗禮,其基因仍完好封存於臺灣,且更耐熱、耐濕。如果長時間與不同牛種雜交,或過度改良,隱藏性遺傳疾病可能會跑出來,和牛的優異肉質也可能不如以往。

  • 依維基百科的摘述,全球知名的神戶牛肉就是出產自日本兵庫縣的但馬牛肉(必須是兵庫縣內但馬牛血統進行持續交配的後代)。但馬牛是和牛的一種,其肉為日本料理中的珍饈,具有美味、肥嫩以及外表所呈現出的大理石紋理等特性。
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活躍星系核
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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我們與《最後生還者》的距離:喪屍末日會來臨嗎?
活躍星系核
・2020/07/02 ・4557字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 556 ・八年級

TAAi 2020 25th 人工智慧研討會

  • 作者 / 陳永融,是隻主攻了 6 年心理學的雜食動物。平時閒暇喜歡用心理學視角分析各種人事物,深刻感受到「有人的地方就有心理學」的趣味。 希望能憑藉手中的筆(或者說鍵盤)逐漸提升社會大眾對相關領域的重視,跳脫心理治療或心理測驗等應用層面的認識。

由頑皮狗工作室開發,於2013年發行的恐怖生存遊戲《最後生還者》(The Last of Us)以,寫實風格的末日場景、動人的角色刻畫等特色撼動人心(不管是感動或是怕到發抖XD)。被突變真菌毀滅的文明讓道德界線變得模糊,我們扮演的遊戲角色為了生存只能憑依著有限資源,在充滿惡意的新世界中殺出一條血路。

喪屍一直是各種娛樂媒體喜愛的創作元素,死而復生的認知衝突再加上腐爛肢體的身體恐怖,有著為數不少像是惡靈古堡活人牲吃死亡復甦陰屍路等經典IP。從失控的生化兵器到遠古黑魔法,不同的世界觀對喪屍的設定往往都有各自的巧思,唯一不變的只有它們對其他生命的敵意(或者是更直接的「食慾」)。

嚼嚼!(誤)圖/IMDb

即便最近剛出的續作引發不少爭議,《最後生還者》仍用細緻且別出心裁的喪屍設定在百家爭鳴的遊戲市場中贏取自己的歷史地位。這方面的成功得歸功於製作團隊對現實喪屍的考據,為整個故事增添不少沉重的真實感。

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是的,你沒看錯。遊戲團隊參考的可是現實世界真實存在的「喪屍」!就讓我們一起來看看這到底是怎麼回事、《最後生還者》的喪屍末日距離我們又有多遠呢?

______ 防雷分隔線,本文涉及《最後生還者》劇透______

被拿來入藥的喪屍?

 遊戲所取材的「喪屍真菌」其名為偏側蛇蟲草(Ophiocordyceps unilateralis)。這個名字對一般大眾或許有些陌生,但是它的近親正是台灣社會耳熟能詳的中藥材──冬蟲夏草(Ophiocordyceps sinensis)。他們都是蛇形蟲草屬(Ophiocordyceps)的一員:此屬的重要特徵便是會寄生在昆蟲體內,以宿主的養分為食、成長茁壯。

被寄生的昆蟲死後軀體會迅速被真菌菌絲佔據,接著子實體(真菌的有性生殖結構)會穿出宿主軀殼散播孢子,尋找下一個宿主。

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偏側蛇蟲草的生命史。圖/wikipedia

既然都是寄生,為什麼只有偏側蛇蟲草得到「喪屍真菌」的稱號?

其中決定性的差異便是:不同於冬蟲夏草靜靜在原處消化宿主,偏側蛇蟲草更喜歡把宿主當成代步工具四處爬爬走。偏側蛇蟲草主要以巨山蟻屬(Camponotus)為宿主,當孢子接觸到螞蟻體表後便會分泌酵素蝕穿外骨骼,讓菌絲向內生長、侵占宿主全身的肌肉纖維。

圖/wikipedia

即便偏側蛇蟲草為了確保宿主生命機能不破壞其腦部,此時的螞蟻也已經是名符其實的「牽線木偶」,任由真菌駕著自己前往適合真菌生長的潮濕陰暗場所,然後控制宿主螞蟻用下顎固定好身體,而後偏側蛇蟲草的子實體會破開頭殼、向外伸展,讓宿主變成驚悚版天線寶寶,用新生孢子對世界說你好:)

  • 編按:還有其他哪些「喪屍」呢?歡迎參考我們這集科學布袋戲喔:

很近又很遠的喪屍末日

在《最後生還者》的世界中,原本只寄生小型宿主的蟲草(遊戲內統稱其為 Cordyceps)發生突變,開始侵蝕人類與其他大型動物,最終抹除世界上超過6成的人口。

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只要被孢子感染,蟲草的菌絲都會在1到2天內抵達宿主的大腦。這也是遊戲與現實世界最大的差異。偏側蛇蟲草透過劫持肌肉組織來控制宿主行動,卻放過了掌管生命機能的腦部;遊戲裡的蟲草卻是打從一開始就是直奔宿主大腦而去,就算是從腳趾開始感染也會不惜千里迢迢趕到人體另一端定居。

朝著宿主全力的前進!(誤)圖/IMDb

雖然是以大腦為目標,蟲草還是保留了偏側蛇蟲草不輕易殺害宿主的特性,畢竟蟲草是外來者,無法完全取代腦細胞的工作。這也代表被感染者仍保有一定程度的知覺,蟲草只能透過間接的方式引導宿主做出有利於傳播孢子的行動(例如咬人)。

蟲草到底是怎麼驅使被感染者攻擊其他生命的?根據遊戲內的文件記錄,被感染者很可能是被菌絲侵蝕大腦邊緣系統(limbic system)才有如此強烈的攻擊性。在過去的腦傷與動物實驗中,邊緣系統(特別是杏仁核)與個體的威脅偵測、情緒控管以及攻擊行為皆有關聯,再加上菌絲在體內深入造成的痛苦,被感染者見人就咬的瘋狂行徑似乎也不是那麼難以理解了。

遊戲中菌絲感染人類的示意。 圖 / IMDb

《最後生還者》的蟲草固然可怕,但真要在現實世界引發喪屍末日恐怕還要先克服一些技術上的限制。即便真菌感染在現實世界並不少見,「真菌病」卻鮮少進入大眾視線、更不要說引發社會恐慌了。這是因為人體複雜的結構與免疫系統的保護都能有效抑制菌絲侵蝕,也讓我們比較容易切除受感染的部位切除或針對性投藥。雖然據統計每年約有160萬人死於真菌感染,但是這些案例大多都跟患者輕忽病情、免疫系統無法正常運作或當地醫療資源匱乏有關。

換言之,只要能及時得到妥善照顧,就算真的被蟲草感染,我們與人形秀珍菇之間還是有一段不小的距離。不過事情總是不怕一萬只怕萬一,要是《最後生還者》的蟲草末日真實現了,我們又該怎麼與它對抗?

喪屍「疫苗」真的能拯救世界嗎?

蟲草帶來的喪屍末日有沒有解決之道?《最後生還者》透過民兵火螢(Fireflies)提出一個可能的答案:疫苗。

但是這個可以帶給人類希望的疫苗真的可行嗎?阻止火螢研究的喬爾是否真的毀了人類僅有的希望?這也是《最後生還者》粉絲社群至今仍爭論不休的議題之一。除了道德、個人情感等因素,還有一個很重要的關鍵在於──沒有前例可以參考,根本無從判斷醫生的做法可不可行⋯⋯咦?

喬爾表示:你說什麼!(設計對白)圖 / IMDb

是的沒錯,在《最後生還者》的末日世界中不僅元凶蟲草是虛構產物,就連帶來希望的疫苗也是現實世界中並不存在的東西。即便疫苗已經是當代不可或缺的要件之一,也讓許多兇惡的疾病在人類社會絕跡,但是我們仍未有針對真菌感染的可用疫苗或免疫治療(immunotherapy)手段。即便已經有不少團隊在進行相關研究,截至目前為止都還卡在臨床試驗階段,距離實際投入生產還有很長一段路要走。

不過這並不妨礙我們用手上的線索來推敲可能的結果,畢竟這也是玩遊戲的樂趣之一嘛!

《最後生還者》把製作疫苗的希望放在女主角艾莉身上。被蟲草感染卻沒有變成喪屍的她被視為具有「免疫力」的存在,然而當火螢負責人瑪琳在跟喬爾討論艾莉時,卻提到她體內的真菌「突變」了。在火螢醫院撿到的錄音筆也告訴我們艾莉體內確實有蟲草寄生的證據(包括血液、血清與腦髓液都有檢出),唯有邊緣系統沒有菌絲侵蝕的跡象,判斷這可能是她仍能保持神智的主因。

這也讓艾莉的「免疫」有兩種可能的解釋:到底是她「能抑制蟲草感染」,還是「被感染了也沒有變成喪屍」?

圖 / IMDb

若是艾莉的免疫系統真的有辦法抑制蟲草感染,那最合理的研究對象正是抗體本身。癒後血清治療(convalescent plasma therapy)便是透過分離痊癒患者的血漿,將抗體直接打進其他病患體內,縮短免疫系統反應的時間。這樣直接了當的治療方式雖然有一定風險,卻很適合用應急的過渡期,也成為許多國家對抗武漢肺炎的重點療法。

如果艾莉的奇特狀態根本與免疫系統無關,完全出自於蟲草本身的突變,那研究對象自然也得轉移到蟲草身上。雖然沒辦法從免疫系統著手,但也不代表醫生關於「疫苗」的構想就一定是錯的──只是得稍微替換一下概念。疫苗是透過「主動感染」毒害較低的病原體,避免往後發生真正有害的感染。如果退而求其次,不強求「避免感染」,而是著重在消除「有害」的影響,火螢試圖摘除艾莉腦內菌株的舉動就很耐人尋味了。

從艾莉不需要面罩也能在充滿孢子的空間暢快呼吸這點來看,來看,蟲草的感染很可能是採「先到先贏」的機制,也就是已經是被感染者的艾莉無法再成為其他蟲草的宿主,達到某種意義上的「免疫」。如果有辦法培養出艾莉體內的突變蟲草並接種到其他人身上,藉此讓對方免除被有害蟲草感染的風險,從廣義的定義來說這也能算是一種「疫苗」。

可惜的是,我們終究沒來得及弄清楚艾莉是哪一種狀況,被喬爾射成篩子的醫生也不可能有機會為自己辯護了。然而說穿了,《最後生還者》的兩難打從一開始就跟疫苗是否可行無關,而是在考驗「人性」。

人生如戲,戲如人生,就算喪屍末日離我們還很遠很遠,也會有其他大規模傳染病出現(例如已經糾纏我們大半年的武漢肺炎)。這時我們是否能夠從遊戲中有所收穫、有所成長,甚至是對未來超前部署才是最重要的。

圖/imdb

參考資料

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看真菌如何獵殺線蟲,開啟寄生蟲治療藥物新曙光!
研之有物│中央研究院
・2020/05/25 ・3612字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 536 ・七年級

TAAi 2020 25th 人工智慧研討會

  • 執行編輯|林婷嫻、黃曉君;美術編輯|張語辰、林洵安

獵食者 VS 獵物

(文章更新:2020 / 05 / 12) 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、宿主和病原菌均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—線蟲捕捉菌和杏鮑菇等等真菌是如何捕抓線蟲,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。

蟲,有些人看到這個字就嚇得腳軟。但對於中研院分子生物研究所薛雁冰助研究員而言,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。」

肉食性真菌與線蟲的狩獵對決!

小小的線蟲和真菌,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,這是生物非常普遍的關係。因為沒有任何物種可單獨存在,為了存活下去,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。

顯微鏡底下的對決實況:真菌 A.oligospora (獵食者)長出黏黏的陷阱,黏住 C.elegans 線蟲(獵物),線蟲無法掙脫而變成食物。
圖片來源│薛雁冰 圖說設計│林婷嫻、張語辰

這種史詩般的狩獵對決,激起薛雁冰的好奇心。然而,她可沒辦法將獵豹和羚羊抓回實驗室研究,但生活史短暫、可用遺傳學的方式研究的線蟲和真菌 (如線蟲捕捉菌和杏鮑菇),可以在分子層次做研究,回答薛雁冰好奇的問題:

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肉食性真菌不斷獨立演化出來,在生物學上代表什麼意義?分子機制又是什麼呢?

線蟲 (門)是地球上數量最多的動物,真菌處處遇到線蟲,而許多不同種類的真菌不約而同「獨立」演化出吃蟲的能力,值得深究。更令人驚奇的是,不同肉食性真菌捕捉線蟲獵物的機制截然不同。

這個現象不但有趣,未來也有機會發展生物防治,因為許多寄生性線蟲也可能被相同機制殺死。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,可先了解:它們的天敵是透過什麼樣的互動來抓住線蟲,然後「偷師」這些殺蟲絕招。

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──線蟲捕捉菌 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。這些吃線蟲的真菌,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:線蟲捕捉菌擅長設「陷阱」,而杏鮑菇專攻「下毒」。

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獵魂覺醒!線蟲捕捉菌這樣設陷阱

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。

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。

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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。

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
圖片重製│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,這種醣分子的結構多達上百種。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。

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.
圖片重製│林婷嫻、張語辰

用毒高手!杏鮑菇的麻痺術

杏鮑菇也是線蟲殺手,但擅長「用毒」!它們不管環境有沒有線蟲,只要「餓了」就會分泌毒素。線蟲誤入毒素範圍,立刻被麻痺!因為只有線蟲神經細胞末端的感覺神經纖毛一接觸到毒素,毒素立刻會從這個「破口」竄進線蟲全身,引起神經細胞和肌肉細胞的鈣離子突然大增,導致肌肉劇烈收縮、麻痺,接著全身細胞壞死,線蟲很快就一命嗚呼。

杏鮑菇的毒素會引起線蟲的神經細胞和肌肉細胞的鈣離子突然增加,導致肌肉劇烈收縮、麻痺,接著全身細胞跟著壞死,線蟲很快就一命嗚呼。
資料來源│Ching-Han Lee, Han-Wen Chang, Ching-Ting Yang, Niaz Wali, Jiun-Jie Shie, Yen-Ping Hsueh (2020) Sensory cilia as the Achilles heel of nematodes when attacked by carnivorous mushrooms.PNAS, 117(11)6014-6022
圖說設計│黃曉君、林洵安

更恐怖的是,哪怕只有一顆細胞的神經感覺纖毛接觸到毒素,線蟲也難逃一死,毒性厲害非常。「面對肉食性真菌,線蟲的感覺神經纖毛是牠的阿基里斯腱。」薛雁冰總結。

線蟲的感覺神經纖毛位於神經細胞的末端,功能是接收外界的訊息,在線蟲與真菌的戰爭中,成為杏鮑菇毒素入侵的破口。
資料來源│薛雁冰
圖說重製│林洵安

奇特的是,雖然這個毒素會引發全身麻痺,但這種麻痺不是藉由「神經傳導物質」傳遞訊號所造成的。說白話一點,這個毒素不需要透過神經傳遞麻痺訊號,即可造成全身麻痺,這個發現在生物防治上極富意義。因為所有的寄生蟲治療藥物皆是調控神經活性,而且許多寄生蟲已對這些藥物產生抗藥性,薛雁冰團隊找到的杏鮑菇殺蟲途徑,不是調控神經活性,而且這個機制在其他線蟲身上也都相同。研究員可藉此另闢蹊徑,找到新型寄生蟲治療藥物。

未來,薛雁冰團隊仍會繼續拼湊出線蟲與真菌的完整故事:「線蟲的哪些 Ascarosides 醣分子,會引誘線蟲捕捉菌長出陷阱?在千萬年的共同演化中,線蟲是否不甘於挨打,也演化出反制的機制?杏鮑菇的毒素究竟是什麼?」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)——如何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,提升自己的獵殺能力。

當線蟲和線蟲捕捉菌打得火熱,牠們可能沒想到,旁邊正有一群好奇的研究團隊,一邊透過顯微鏡觀察戰況,一邊透過實驗解析雙方的戰鬥防禦力。為了將來的寄生性線蟲生物防治發展,讓我們對於這些在實驗室犧牲小我的線蟲們,致上最高的敬意。

延伸閱讀

本文轉載自中央研究院研之有物,原文為《看真菌如何獵殺線蟲,開啟寄生蟲治療藥物新曙光!》,泛科學為宣傳推廣執行單位

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研之有物│中央研究院
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