一种用于研究外生菌根菌丝觅食记忆的实验方法

《Communicative & Integrative Biology》：An experimental approach to study foraging memory in ectomycorrhizal mycelium

真菌行为生态学中的方向记忆研究：以Laccaria bicolor为例

　　### 解读：探索真菌行为生态学中的记忆现象

真菌的生态行为研究近年来逐渐成为生物学领域的一个新兴方向，这种研究被称为真菌行为生态学或真菌生态学。真菌作为生态系统中重要的分解者和共生者，在其生长过程中会通过形态和生理变化对环境刺激做出反应。随着对真菌行为机制的深入理解，研究者开始探讨它们是否具备类似动物的“记忆”能力，即是否能够记录过去的经验并在未来的行为中体现出来。这一能力对于真菌的生存和适应性具有重要意义，特别是在寻找营养源、适应环境变化以及与其他生物的互动方面。

在本研究中，科学家们通过实验探索了外生菌根真菌 *Laccaria bicolor* 是否能够记住先前接触过的营养源的位置，并在转移至新培养基后表现出方向性的生长。为了测试这一假设，研究团队设计了一套实验方法，其中包含了对真菌形态变化的观察、营养成分的分析以及统计学上的验证。他们首先在含有特定浓度的土豆葡萄糖琼脂（PDA）培养基上培养真菌，并在培养过程中引入豌豆子叶作为营养源。随后，将部分真菌菌丝转移到新的培养基中，并观察其是否会在特定方向上生长。

#### 实验设计与方法

为了尽可能减少实验中可能的干扰因素，研究团队采取了一系列严格的控制措施。首先，他们在PDA培养基中使用了两种不同的浓度：一种是正常的全浓度（39克/升），另一种是稀释至三分之一浓度（13克/升）并加入非营养性琼脂粉以保持相同的物理特性。通过这种方式，他们确保实验条件的一致性，并能够更清晰地比较不同处理组的生长情况。

在实验开始时，真菌被接种在培养皿的中心，并在恒定的温度和黑暗条件下培养。经过10天后，研究者将培养皿随机分配到三种不同的处理组：对照组1（无豌豆）、测试组（一个豌豆）和对照组2（两个豌豆）。这些处理组的设计旨在探讨真菌是否会对营养源的位置产生记忆，并在后续的培养中表现出方向性的生长。

为了评估真菌的生长方向性，研究团队使用了一种标准化的不对称指数（asymmetry index），通过图像分析软件ImageJ计算菌丝在培养皿两侧的面积差异。此外，他们还对真菌的形态变化进行了观察，包括菌丝的分布、是否形成放射状的结构等。为了排除可能的干扰因素，研究者还进行了一项对照实验，即在转移菌丝时，不携带琼脂块，仅转移菌丝本身，以确保实验中观察到的形态变化并非由于琼脂中残留的化学物质。

在营养分析方面，研究团队通过燃烧分析法测量了菌丝中的氮、碳以及多种矿物质（如钙、铜、铁、钾、镁、锰、磷、硫和锌）的含量。通过对不同处理组的比较，他们试图确定是否由于营养来源的差异导致了菌丝的生长行为变化。此外，他们还对菌丝的干重、碳氮比例和形态变化进行了统计分析，以确保实验结果的可靠性。

#### 实验结果与分析

实验结果显示，真菌在稀释PDA培养基中的生长面积明显大于在全浓度PDA培养基中的生长面积。这可能意味着稀释培养基中的营养条件更为有限，促使真菌更积极地探索环境以获取营养。然而，无论是全浓度还是稀释浓度的培养基，真菌在转移后均未表现出明显的方向性生长。在所有测量的日期中，真菌的不对称指数均未超过0.05或低于-0.05，表明它们并未对过去接触过的营养源位置产生记忆。

此外，研究团队还发现，真菌在接触豌豆子叶后，其形态发生了显著变化，例如形成了更多的放射状结构。然而，当菌丝被单独转移而不携带琼脂块时，这种形态变化消失，说明这些变化可能并非由于真菌自身的记忆机制，而是由于琼脂中残留的化学物质，如植物激素（如生长素和细胞分裂素）对菌丝的影响。

#### 讨论与意义

尽管实验未能证实 *Laccaria bicolor* 具备方向性记忆，但研究团队强调了本实验方法的科学价值。他们指出，这种方法为探索真菌行为提供了新的框架，不仅适用于外生菌根真菌，还可以推广到其他类型的真菌，如腐生真菌。研究团队还提到，尽管没有发现记忆的证据，但发表阴性结果同样具有重要的科学意义，有助于完善真菌行为生态学的研究体系。

真菌行为生态学作为一个新兴领域，仍然处于初步发展阶段。许多关于真菌行为的研究，如其觅食行为、决策过程以及对环境变化的适应性，都在不断被发现和探索。然而，由于真菌的形态和生理特性与动物存在显著差异，研究它们的行为模式仍然面临诸多挑战。例如，真菌缺乏神经系统和大脑，其行为表现更多依赖于化学信号和环境刺激的响应。

本研究的意义在于，它为探索真菌行为提供了一种新的实验方法。通过在琼脂培养基上进行实验，研究团队能够更精确地控制环境变量，并减少实验中的干扰因素。这种方法不仅适用于外生菌根真菌，也可以用于其他真菌的研究，从而推动对真菌认知和行为的进一步理解。

#### 真菌行为生态学的未来展望

随着对真菌行为机制的深入研究，科学家们希望能够揭示真菌如何感知和响应环境变化。例如，真菌在觅食过程中是否能够记住某些营养源的位置？它们是否能够通过某种方式“学习”并优化其觅食策略？这些问题的答案不仅有助于理解真菌的生态功能，还可能为农业和林业提供新的思路。

此外，真菌行为生态学的研究还可能揭示真菌与其他生物之间的复杂互动。例如，外生菌根真菌与植物之间的共生关系是否受到真菌行为的影响？如果真菌能够记住某些环境特征，是否会影响其与宿主植物的相互作用？这些问题的答案将有助于我们更好地理解真菌在生态系统中的作用，并为生态管理和生物技术应用提供理论支持。

总之，尽管本研究未能证实 *Laccaria bicolor* 具备方向性记忆，但它为真菌行为生态学的研究提供了一个新的实验框架。通过这种方法，科学家们能够更系统地探索真菌的行为模式，并为未来的研究奠定基础。随着研究的深入，我们有理由相信，真菌行为生态学将为生物学和生态学领域带来更多的发现和突破。