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PNAS十个细菌小故事（下）
PanSci（文/陈俊尧）从大气、云雾、动植物到温泉、沙漠、化粪池，都专家在研究那个舞台上细菌主角的故事，可是没有一个人胆敢说自己有能耐追踪细菌在这么多各领域留下的“风流韵事”。想想过去这年常常在美国国家科学院期刊PNAS上看到有趣的细菌事迹，我决定重新认真检查今年出现在上头的研究。在读了符合初选条件的998篇论文标题后，选出了自己觉得最好玩的10篇故事，推荐给各位朋友们。过去这一年里我经常是对着这类研究报告进入梦乡，新的一年睡不着的时候或许它们还可以派上用场。肚子里细菌的魔法现代农业大规模种植同一种作物，却给了病原们大展身手的舞台。轮作能让病菌害虫失去原本宿主，没有办法建立稳定而庞大的族群，用生物性的方法控制病害的发生。但这些病菌害虫为了生存，也会用尽方法打破人类的限制来求生存。这个研究的主角是玉米根虫（Western corn rootworm, Diabrotica virgifera），它的幼虫会啃食玉米的根，影响玉米的生长。在美国大规模推行的玉米和大豆轮作可以抑制病害的大发生，因为黄豆的组织里有对抗玉米根虫幼虫的秘密武器。大豆组织里含有一种蛋白酶抑制剂 cysteine protease inhibitors，这种蛋白酶抑制剂会让玉米根虫没办法消化吃下去的蛋白质，从而无法生存。看起来这方法不错，但是实行一阵子后还是出现了可以生存下来的玉米根虫。这篇研究想找到玉米根虫靠大豆生活的原因。研究团队发现具抗轮作能力的根虫的肠道细菌组成很特殊，怀疑细菌跟玉米根虫靠大豆生存下来能力有关。于是，他们先用抗生素除掉根虫肠道里原有的细菌，再把它们放在大豆叶子上。结果发现，具抗轮作能力的根虫在少了肠道菌的帮助后，变得无法对抗大豆叶子带来的毒性。原来生物可以利用肠子里细菌朋友的帮忙，来找出活下去的新契机，而不一定要慢慢痛苦地等突变了。
玉米根虫。图片来源维基百科。
饱暖生蛀牙蛀牙跟食物有很大的关系。人类文明步入农耕生活，有了充足的富含碳水化合物食物后，口腔里的细菌才有机会利用这些化合物发酵产酸，进而引起蛀牙。哺乳类以吃东西能力好打天下，牙齿随年纪逐渐磨损，不少哺乳类寿命上限跟不堪用的牙齿有很大的关系。如果针对引起蛀牙的细菌Streptococcus mutans的DNA序列进行分析，也可以看到它们族群大扩张的黄金时期刚好就在人类进入农耕生活之后。故事转到摩洛哥境内的Grotte des Pigeons遗址。这个地区在1995年被联合国教科文组织（UNESCO）指定为世界遗产，埋藏着过去近两万年来的人类历史。从这里出士的很多人类遗骸，可以看出在当时成人的蛀牙状况非常严重，高达51.2%，几乎跟现代人一样。奇怪的是，在这时期的人类是以原野里采集食物为生，没有农耕技术。难道过去认定的蛀牙与农耕间的关系是错的吗？研究人员同时也发现当地一万五千年前的植物化石，证实在当地有不少可食植物，提供包括橡实及松子等高质量食物。虽然当时的人们还是以采集为生，但是食物供应充足，导致牙齿坏光光。节假日期间大家也会过着食物充足的日子，请把这篇研究的教训谨记在心，记得刷牙，不要留给细菌太多“好处”。图来自原研究。
声东击西的金花虫植物其实也有免疫系统可以攻击外来的病原。当植物被咬了一口，组织里的茉莉酸jasmonic acid上升，启动植物的免疫系统进行防卫，就像动物受伤了会肿会发炎一样。一旦免疫系统启动，这些啃植物的虫儿就惨了。为了要能持续保有好吃的食物，这些虫儿必须有更厉害的步数。这篇研究发现科罗拉多金花虫（Colorado potato beetle, Leptinotarsa decemlineata）的幼虫可以分泌某种物质抑制茉莉酸的产生以及植物免疫系统的启动。进一步检验后他们发现这种神奇物质可能是分泌物里的细菌。幼虫在经过抗生素处理后失去这项能力，追加细菌后又重获这能力。他们逐一测试分离出来的细菌，发现属于寡养单胞菌属（Stenotrophomonas）、假单胞菌属（Pseudomonas）、肠杆菌属（Enterobacter）3个属的细菌真的可以抑制植物植物免疫系统的启动。细菌到底有什么魔力可以关掉植物的“防火墙”？其实应该这样说，植物在碰到虫咬时会启动茉莉酸为首的防卫机制，碰到微生物进攻时则改用水杨酸（salicyclic acid）开头的机制应战。科罗拉多金花虫很巧妙利用细菌骗过植物，让植物进入对付微生物攻击的模式，植物的免疫攻击就对它不管用啰。金花虫。图片来源于维基百科。
小改变，好友变晚餐！过年是静下来回顾这一年来得失的日子。有的人前一秒是友，下一秒成敌，有时这关键只因一个小小的转换，利益总是最大考虑。自然界里原本紧密的共生关系也有这样因为小事而大翻盘的例子，例如会种细菌来吃的黏菌。养细菌的变形虫是怎么回事？这里的主角盘基网柄菌（Dictyostelium discoideum）是一种黏菌（slime mold），它是单细胞的真核生物，平常以变形虫的长相在环境中生活。当环境变差的时候会展现出它们的社会行为，大家聚在一起变成一个大群体，决定分工，长出子实体（fruiting body）产生孢子来延续族群的生命。2011年有一篇研究指出这种黏菌会在孢子上携带自己爱吃的细菌，走到哪种到哪，食物永不缺乏，可以被当做是在演化史上最早出现的农夫了。在今天谈的这篇研究里，研究人员从这些黏菌上分离出两株荧光假单胞菌（Pseudomonas fluorescens）菌株。虽然是同一种细菌，但特性不同，命运也大不相同，一个是食物，另一个则是黏菌的好伙伴，能分泌名为硝吡咯菌素（pyrrolnitrin）的毒素对抗真菌，以及一种能促进黏菌产生更多孢子的苯并吡喃（chromene）类分子。研究人员很好奇，为什么同一种细菌却可以出现这么大的特性差异，导致它们由朋友身份变成食物。于是对它们做了基因体定序，来解读所有的 DNA 密码。比对两株菌的 DNA 后他们很惊讶地发现这一切的改变都源自一个名为gacA的基因上的点突变。这个突变导致 gacA失效，连带着所有受这个蛋白质调控的基因全部停摆，于是这只细菌对黏菌不再能提供保护，就被打入食物界当养份了。这个故事告诉我们，新的一年还是要认命地被利用才不会被吃掉（咦？）。示意图。图片来自PanSci。
在高空中旅行的细菌搭飞机时你一定有这个经验：飞机起飞后加足马力往上冲，先要奋力冲过上下晃动的云层，才进入舒适平稳的高空，接着期待的餐点才会出现。那段上下晃动的地方就是对流层troposphere，所有的云啊雾啊都在那混乱的一层，地面上感受到的晴雨也都看这层的状况决定。细菌跟这些云雾也能扯上关系？过去并不认为这里会有多少活着的微生物，因为在这个的高度，气温低，也没什么养份。但近些年的研究发现大气里的细菌可能有机会影响天气，已经证实，在数千公尺的高空，细菌可以帮助冰晶形成，帮助凝结水滴来形成云。这群研究人员为了研究这些离地面几公里远的细菌，跟美国航空与太空总署（NASA）借了架 DC 8四引擎研究机（这机型是可以载两百人的大飞机），在美国本土，加勒比海和大西洋上空采样。他们的目标是在台风前后对流层中上层分别进行采样，希望知道台风对空气里微生物组成的影响。研究结果发现空气里有相当多的细菌，估计每立方米约有15万只，而且样本里的细菌60% 100%是活着的。细菌大小约在0.25 1.00微米左右，占空气中这种大小颗粒数的20%。这些搭顺风车的细菌来自何方？经过DNA分析后，发现这些细菌来自各种环境，但主要还是来自海洋，这跟台风是打海洋端生出来的有关。台风后细菌的数量增加，而且台风过后空气里开始出现来自人类粪便的菌种，显然台风卷起了不少下面人类世界的微生物同行。有没有那种细菌是适合做这种长途飞行的呢？他们发现普遍出现在所有样本里的细菌种类有限，多半能利用含一个碳或两个碳的有机物，而这些化合物恰好在云里都不少，看来细菌要能吃天上的食物才可能在云端安居。如果天上有这么多细菌，那以后学大气科学的人是不是该多修一门微生物学呢？NASA的空中实验室。
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