成為獵人或是獵物:線蟲 vs. 真菌的傳說對決

我們想讓你知道的是
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。
執行編輯:林婷嫻
美術編輯: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。
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。」

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、神經科學和分子生物實驗,像刑事鑑識中心般,剖析出線蟲捕捉菌A.oligospora的5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2日,終其一生只有2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」,就分泌出和線蟲性荷爾蒙相似的化合物、以及像線蟲食物的化合物,藉此吸引獵物。

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100多種,例如下圖舉例:

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。

「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。

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。
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責任編輯:朱家儀
核稿編輯:翁世航
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