真菌的惊人秘密:科学家发现了一个进化“临界点”

研究人员发现了一个影响真菌生长和形状多样性的进化“临界点”，强调了微小的环境变化如何显著影响进化。这一发现基于对真菌和水霉菌的研究，揭示了由于进化限制，某些菌丝形状更受青睐。这些发现为物种对气候变化的适应能力和创造针对真菌病原体的靶向抗菌剂的潜力提供了新的见解。

　　

研究表明，微小的环境变化可以显著影响细胞和生物体的结构。

科学家们在真菌的进化过程中发现了一个“临界点”，它抑制了真菌的生长，塑造了它们的形状。发表在《Cell Reports》杂志上的研究结果表明，环境因素的微小变化如何导致进化结果的巨大变化。

真菌是大自然伟大的堆肥者。它们在森林地面上等待，以倒下的树木和秋天的树叶为食，将这些植物的必需营养物质释放回地球。

虽然真菌经常让人想起蘑菇帽，但真菌也有地下的“根”，叫做菌丝。菌丝是由成千上万个相互连接的微小的手指状细胞组成的，这些细胞被称为菌丝，它们生长成巨大的网络。菌丝通过它们的尖端在土壤中生长。为了做到这一点，它们自己充气，类似于用来制作气球动物的长气球。

它们细长的形状使菌丝能够定位和消耗土壤中的养分。但并不是所有的菌丝都是相同的形状:一些有圆形的尖端，而另一些是尖的。水霉菌的菌丝——一种引起作物枯萎病的类似真菌的病原体——特别尖。

探索菌丝形状

纽约大学生物学助理教授、该研究的资深作者Enrique Rojas说:“生物学的一个主要挑战是确定决定特定生物体形状或形式的特定进化因素。”

为了了解菌丝形状不同的原因，Rojas和他的同事们将理论和实验结合起来，研究了自然界中的真菌和水霉菌。他们首先采用基于物理的膨胀尖端生长模型来确定菌丝的所有可能形状。令人惊讶的是，在自然界中发现的实际菌丝的形状只假设了可能形状的一小部分。

研究人员假设，在自然界中观察到的有限形状反映了“适者生存”，而在真实真菌中没有观察到的许多可能的形状，出于某种原因，是较弱的进化排斥。为了探索这一想法，他们研究了不同形状菌丝的生长速度，为菌丝创造了一个适合的环境。

“当我们意识到菌丝的形状与它们快速生长的能力密切相关时，我们顿悟了，”纽约大学生物系博士生、该研究的主要作者Maxim Ohairwe说。

健身景观与进化

适应性景观就像一张形象化生物体进化的地形图:每个物种通过测试其基因中的随机突变是否会增加其生长速度或适应性，在其适应性景观中徘徊。一个物种只有在一个新的突变降低了它的适应性时——也就是说，当它处于适应性峰值时——才会停止它不安分的游荡。

然而，Rojas的研究小组发现，健身景观可能比波峰和波谷系统丰富得多。事实上，他们发现菌丝的适应性景观包含一个悬壁，或临界点，这是进化的障碍，强烈限制了真菌菌丝的形状。因此，他们预测形状接近临界点边缘的菌丝特别容易受到环境、化学或基因变化的影响。

研究人员通过用少量影响菌丝生长的化学物质处理接近临界点的真菌来测试他们的预测。他们使用了一种化学物质来降低菌丝内部的压力，另一种化学物质来自海绵，可以阻止菌丝将细胞成分运送到细胞尖端的能力。两种处理方法都产生了同样的显著效果:菌丝拉长的速度要慢得多，并且呈现出自然界中没有的奇怪的结节形状。

“我们的发现解释了一个巨大的、多样化的、重要的物种群体中菌丝形状的多样性，”Rojas说。“更广泛地说，它们还证明了一个重要的新进化原则:适应性景观可能存在不稳定性或临界点，这对生物形态等复杂特征施加了严格的限制。”

研究人员认为，他们的研究结果对我们理解许多生态和进化系统具有重要意义。例如，那些进化受到临界点影响的物种可能最容易受到气候变化引起的温度逐渐升高的影响。他们的发现还可以通过识别与进化临界点相关的真菌生长中的脆弱性，帮助开发针对致病真菌的新型抗菌剂。

参考文献:“A fitness landscape instability governs the morphological diversity of tip-growing cells” by Maxim E. Ohairwe, Branka D. Živanović and Enrique R. Rojas, 25 March 2024, Cell Reports.