冬虫夏草正在改变科学家理解宿主-寄生虫

对于旁观者来说，驱动昆虫行为的动机似乎很简单：昆虫可能会离开巢穴寻找食物，四处游荡寻找潜在的伴侣，或者进入阳光或阴凉处以保持最佳体温。

但有时，这些行为的驱动因素远比乍看起来要复杂和险恶得多。在令人惊讶的大量案例中，昆虫并没有按照自己的自由意志行事，而是以一种有利于自己甚至是它们的物种的方式行事。相反，它们变成了“僵尸”，被几乎看不见的真菌傀儡主人控制，指挥昆虫的行为，引导它们进入传播感染性孢子的最佳条件。虽然这些真菌早在19世纪中期就在科学文献中有了描述，但它们对不幸的昆虫宿主施加的行为控制的程度和精度，以及它们用来控制的机制，才刚刚开始得到重视

当他们开始探索这些真菌和它们的昆虫宿主之间复杂的分子对话时，科学家们并不确定他们会发现什么。到目前为止，真菌王国作为一个整体已被证明是生物活性代谢物的丰富来源；真菌衍生的药物目前被用作抗生素、免疫抑制剂、降胆固醇剂和偏头痛治疗药物，因此在这些操纵昆虫的物种中可能有很多东西有待发现“这是一组尚未被完全开采的真菌，因为它们可能产生的所有东西。我很确定我们会遇到一些有趣的东西，”乌得勒支大学研究昆虫-真菌相互作用的分子生物学家Charissa de Bekker说。

这种迷恋已经从科学界扩展到流行文化，视频游戏和电影《最后的生存者》和《拥有所有礼物的女孩》就证明了这一点。因此，尽管这些真菌不能直接感染人类，但它们确实将菌丝体扩展到了科学家和非科学家的心中。

著名的冬虫夏草

“我的博士学位都是关于真菌的复杂性——真菌群体中的不同细胞如何执行不同的任务和做有趣的事情，”de Bekker说。“所以，对我来说，一种可以感染昆虫并改变其行为的真菌似乎是微生物所能做的最复杂的事情。我对此非常着迷。我们了解了真菌基因在操作过程中被激活，以及蚂蚁基因同时被激活或关闭。它让我们了解了这两种生物是如何相互作用的。”

科学家们已经知道，冬虫夏草鼓励蚂蚁爬上附近的植被，这种行为被称为登顶，以确保传染性孢子的广泛传播。然而，当de Bekker和其他研究人员更深入地探索这些抗真菌动态时，他们意识到真菌精心策划的行为比他们最初认为的更能支持真菌的适应性。

“我们发现被感染的蚂蚁首先失去了它们的日常节奏，”de Bekker说。“像我们这样的蚂蚁有生物钟，许多被感染的物种实际上是夜间活动的物种，所以（通常）它们主要在夜间觅食，然后在白天，它们呆在巢穴里。”

受感染的蚂蚁没有这种模式；相反，它们是持续活跃的。然而，它们体内的某些东西仍然在跟踪时间，或者至少对与时间相关的环境线索做出反应：顶峰行为主要发生在太阳正午真菌似乎对它们选择锚定宿主和生长子实体的条件也相当挑剔：de Bekker发现，遮蔽蚂蚁墓地的一部分可以减少新感染蚂蚁尸体的数量，并减少真菌子实体的产量

“这变成了一个超级复杂、有趣的故事——甚至比它本来的样子还要有趣，”de Bekker说。

从那时起，她对这种真菌的迷恋只会增长，基因组学，转录组学和代谢组学技术的日益普及使她能够深入研究冬虫夏草用来控制其宿主的策略。de Bekker说：“多年来，我们对真菌基因在操纵过程中开启，以及蚂蚁基因同时开启或关闭的情况有所了解。它让我们了解了这两种生物是如何相互作用的。”

由于受感染的蚂蚁失去了正常的活动模式，但仍然在特定的时间到达顶峰，de Bekker怀疑生物钟在调解这些抗真菌相互作用方面发挥了重要作用。虽然在大多数真菌物种中对昼夜节律的研究很少，但其他研究人员先前已经在真菌神经孢子虫中发现了一个昼夜节律钟，其中包括编码光感受器的基因和其他形成反馈回路以保持时钟运行的时钟基因

以神经孢子虫为模板，de Bekker在冬虫夏草中发现了几个时钟基因同源物，包括假定的光感受器，并表明许多其他基因的转录在24小时周期内可预测地上升和下降另一方面，受感染的蚂蚁在控制昼夜节律的基因表达中表现出失调，这表明真菌可能为了自己的目的劫持宿主的节律

然而，昼夜节律中断只是真菌操纵的一个因素。考虑到行为改变的多样性和复杂性，de Bekker说，一个基因或化合物不太可能控制所有的行为。从数千种差异表达基因和代谢物的数据集中，de Bekker和她的研究小组已经开始收集可能参与操纵的真菌候选化合物列表。这些基因和代谢物与感染过程中的各种行为相关。但是，尽管他们能够确定真菌分泌的许多蛋白质和代谢物的身份，“对于其中的许多，我们不知道它们真正的作用，”de Bekker说。

然而，有时科学家们很幸运地发现了一种化合物，它与一种完全不同种类的真菌产生的一种众所周知的化学物质相似。例如，de Bekker对冬虫夏草的转录组学分析显示，在黄曲霉中产生黄曲霉毒素的基因簇同源基因大量上调科学家们已经研究这种强效真菌毒素几十年了，在早期观察到牛吃了感染黄曲霉的谷物后会出现震颤和抽搐。

de Bekker意识到，在中毒的牛身上观察到的惊人行为与她感染的蚂蚁的行为相似，所以她想知道这些类似黄曲霉的化合物是否可能是罪魁祸首。事实上，当研究人员将黄曲霉注射到蚂蚁体内时，他们观察到类似的惊人行为，并且在黄曲霉治疗和虫草感染的蚂蚁的转录谱中有许多相似之处。其中一些基因与感觉和运动功能有关，这表明这种化合物可能是真菌抗操纵化学武器库的一部分。

在其他情况下，de Bekker和她的同事使用机器学习来产生关于真菌效应物如何与宿主蛋白质相互作用的假设根据这些预测，de Bekker说：“它们中的许多可以与蚂蚁体内的G蛋白偶联受体结合，而G蛋白偶联受体具有许多不同的功能。其中一些是用来探测气味或光线的，你可以想象这与行为有关。”其他预测的相互作用包括多巴胺和章鱼胺等神经递质的受体，章鱼胺是去甲肾上腺素的昆虫同系物。de Bekker目前正在跟踪这些计算机发现，研究预测的蛋白质-蛋白质相互作用如何参与真菌对宿主的操纵。

虽然de Bekker希望找到有一天能在医学或工业上有用的分子，但也有更具体、更近期的应用。例如，de Bekker表明，一种冬虫夏草可以在实验室环境中感染多种蚂蚁，但不能操纵自然界中没有感染的蚂蚁的行为，即使是那些与其首选宿主属于同一属的蚂蚁Bekker说，确定驱动这些物种特异性效应的机制可以帮助研究人员设计出更有针对性的杀虫剂。这些受真菌启发的杀虫剂可能是可生物降解的，并且可能只针对某种昆虫，从而减少了传统杀虫剂对传粉昆虫、其他有益昆虫甚至人类造成的附带损害。

操纵果蝇的真菌：在雷达下飞行

虽然冬虫夏草可能是最著名的僵尸真菌，但它肯定不是唯一的。de Bekker说：“这种情况在自然界经常发生，可能比我们意识到的还要多。现在人们正在研究这个问题，我们发现越来越多的昆虫受到影响。”

事实上，“山顶病”——即受感染的生物体爬到离地面一定距离的地方，摆出一种特有的死亡姿势，把传染性颗粒洒到不幸的过路者身上——在昆虫的整个家谱中都有报道，比如家蝇、蚱蜢、蟋蟀和士兵甲虫。然而，这些物种中的许多是难以研究的，因此，如果研究人员能够找到一种昆虫模式生物的感染，这种感染可以用现有的方法和工具进行基因组修补，那将是非常有用的。

事实上，在20世纪初，在相对较小的期刊上发表了一些报告，描述了野生果蝇（或称为黑腹果蝇）的顶点疾病，这是典型的模式昆虫。然而，这些报道在很大程度上都是默默无闻的，直到2010年代中期，研究生Carolyn Elya才重新发现了这对真菌和果蝇。

如今，Elya自称是哈佛大学的“僵尸生物学家”，但当时，她在加州大学伯克利分校（UC Berkeley）的分子生物学家Michael Eisen的实验室工作，研究果蝇微生物组。她想将实验室果蝇和野生果蝇的微生物进行比较。幸运的是，任何把过熟的桃子留在厨房柜台上的人都会发现，野生果蝇并不难找到。

Elya在伯克利的后院设置了一个诱饵，等着果蝇飞来。她轻松地捕获了许多果蝇，但她也注意到一些奇怪的事情：陷阱底部的一些死果蝇以一种不寻常但可识别的姿势死亡。“我的兴趣被激发了，”她回忆说，“因为我知道，将翅膀与身体轴线呈90度角的抬起，可能是真菌疫霉（Entomophthora muscae）造成的。”

“我真的很兴奋，我把标本送到实验室，在显微镜下观察它们，我看到了孢子，[想]'哦，我的天哪！这种操纵行为的真菌突然出现，我真的非常非常兴奋。我决定要抓住它并与之合作，因为这比我正在做的事情要酷得多。”

从那以后，Elya一直致力于研究虫霉。经过漫长的反复试验，Elya和她在加州大学伯克利分校的同事们成功地在实验室培养了真菌，并在实验室饲养的果蝇中可靠地建立了感染。最后，研究人员将能够利用果蝇遗传工具的巨大财富和广泛共享的转基因果蝇库存来研究真菌行为操纵的分子机制。

像冬虫夏草一样，虫疫霉会改变宿主的活性水平，在宿主死亡前不久引发活性的爆发。它诱使寄主爬上附近的一些植被，并在到期前将自己固定在原地。在这两种情况下，都有昼夜节律因素在起作用：虫草在正午杀死，而疫霉在日落附近杀死。昆虫死后，真菌消耗宿主组织，为其生长和产生孢子提供燃料，以感染下一代受害者。

虽然冬虫夏草和虫疫霉菌在它们的宿主中都驱动着相似的行为，但它们之间的进化距离却惊人地大。“（它们）的亲缘关系就像我和果蝇的亲缘关系一样遥远，”Elya说。因此，科学家们还不知道这些真菌是否进化出了类似昆虫操纵的机制，或者是否每一种真菌都有实现共同结果的独特策略。

为了确定真菌是如何劫持果蝇大脑的，Elya和她的同事们筛选了数百只特定神经元或特定基因功能被破坏的果蝇，并测量了这是如何影响顶峰行为的他们的屏幕突出了两个神经系统的重要性。“其中之一是，当我们改变果蝇的昼夜节律基因时，我们往往会得到较差的顶峰，”Elya说。“第二个发现是，当我们让大脑中称为脑间部（PI）的神经分泌区域内的神经元沉默时，我们也看到了顶峰行为的减少.老实说，我们不知道研究这种奇怪的真菌会给我们带来什么……真菌是神奇的化学家，所以可能有一些非常酷的天然产物正等着我们去发现。”

通过沉默PI中不同的神经元群，他们发现了一个微小的亚群，它似乎对登顶行为有巨大的影响。他们将这些细胞命名为PI-CA神经元，因为它们从PI投射到allatum (CA)，这是一种内分泌腺，会向苍蝇的循环系统释放一种叫做幼体激素的物质。

Elya说，这种激素“维持了幼年状态，但除了在发育过程中的作用之外，它还有很多不同的作用。这是一种非常多面的有趣激素；我们仍在研究青少年激素的所有作用。”

然而，研究人员能够证明这一途径在真菌行为操纵中的重要性：沉默PI-CA神经元或基因消融CA本身显着减少了受感染果蝇的顶峰行为。“但接下来的一个大问题是：真菌到底在做什么，导致了这些？”这就是我们仍在努力寻找的东西，”Elya说。“我们发现的一件事是，真菌以一种非常令人毛骨悚然和刻板的模式侵入大脑，在执行登顶行为的果蝇的大脑中，真菌不成比例地聚集在大脑中包含来自这些[PI]神经元的过程的区域。这真的有点疯狂，因为我们发现了神经元，然后我们做了一个完全不同的实验，我们发现真菌细胞基本上就在所有的通信基础设施旁边。”换句话说，真菌细胞处于完美的位置，可以操纵研究人员先前确定为这种行为的主要驱动因素的途径。

科学家们正开始研究宿主的目标，这些目标对这些行为很重要，但要真正从真菌的角度理解这些操作，他们需要回到基础，开始解开其奇怪的基因组。

Elya的虫疫霉菌分离物拥有所有真菌中最大的基因组之一，大约有10亿个碱基（相比之下，一个完整的人可以用34亿个碱基所包含的信息来构建）“这些基因组是巨大的，不是因为它们有大量的基因，而是因为它们有大量的转座因子，”Elya说。“这就像在它们进化的某个时刻发生了一个转座元素派对……但我们不知道为什么。”

Elya目前正致力于开发工具，使她能够荧光标记和基因操纵真菌，以研究真菌操纵果蝇的分子机制。“说实话，我们不知道研究这种奇怪的真菌会给我们带来什么……真菌是神奇的化学家，所以可能有一些非常酷的天然产物正等着我们去发现，也许其中一些具有神经调节特性。”事实上，果蝇的大脑和其他生物的大脑并没有什么不同，比如我们人类。你可以想象，我们可能会发现一些可以用于治疗精神疾病的东西。”

Elya也在集思广益，想出一些“更不可靠”的应用程序，灵感来自于行为操纵真菌适应昆虫生物学的特殊怪癖。例如，当冬虫夏草需要将其垂死的寄主固定在叶子或茎上时，它可以迫使蚂蚁强大的下颚闭合在植物物质链上。由于果蝇没有下颚——它们的口器更适合发出声音而不是咬人——虫疫霉菌必须稍微更有创造力一些。

“（果蝇）伸出它们的喙，有一滴粘液从喙中出来，把它们粘在那里。这是一种非常强的粘合剂。我认为这可能会有一些很酷的生物学特性——也许它是一种可以用于医学的胶水。所以，实验室的一个项目就是试图弄清楚粘稠物里有什么。”

僵尸蝉：肚子都没了，还在不停交配

Matt Kasson一直着迷于发生在触手可及的范围内的大量未被欣赏的生物相互作用。“我一直在国内做研究，”Kasson说，他在西弗吉尼亚大学研究森林病理学。“我认为有很多东西被忽视了，就在我们脚下....我喜欢把灯光照在我们门外的东西上，人们看到了，但可能并不欣赏。”

Kasson森以植物病理学家的身份开始了他的科学生涯，研究某些种类的真菌如何帮助控制天堂之树。天堂之树是一种生长迅速、散发恶臭的树木，在欧洲、北美和大洋洲的许多国家都是高度入侵的植物。Kasson注意到，随着树木的死亡，它们释放出吸引甲虫的物质；他开始怀疑甲虫是否在入侵树木和致病真菌之间的战斗中发挥了任何作用。

对Kasson来说，这种好奇心是一扇通往节肢动物与真菌相互作用的奇怪世界的大门。“我对这些专性寄生虫非常着迷，它们绝对需要宿主才能生存。”

“这很有趣，因为在研究生院，我有一些同事研究锈菌，它们对宿主是专性的。他们非常专业，很难与他们合作，”Kasson说。“我一直认为我永远不会想要参与这样的项目。”

然而，现在Kasson研究了更棘手的真菌-宿主：来自麻孢属的真菌和它们倒霉的宿主——周期性蝉。像其他几种改变行为的真菌一样，这种麻孢菌并不是新发现的；早在19世纪中期，科学文献就对其进行了描述。Kasson说：“但因为它是不可培养的，而且它的宿主有17年或13年的生命周期，所以研究它真的没有意义。所以，在大约100年的时间里，它一直是一种真菌学上的奇怪现象。”

Kasson说，他已经开始意识到使用这些极其困难的系统所面临的挑战。“我认识到这里有很大的机会。当然，试图研究这些不可培养的、专性的病原体和寄生虫有很多风险——它们有所有这些奇怪的怪癖。但随之而来的是新发现的机会。”

周期性蝉的生活方式与蚂蚁或果蝇截然不同。它们一生的大部分时间都在地下几米的地方度过，以树根为食，储存能量，然后以一种被科学家称为“壮观（和）不计后果的戏剧性”的方式出现，交配，产卵，然后死亡因此，大孢子虫使用不同的——甚至可以说是更可怕的——策略来确保它在蝉宿主中传播。

与冬虫夏草属等宿主死亡后才用产生孢子的结构取代昆虫组织不同，麻孢属没有这种限制。在死亡之前，被感染的蝉会失去腹部的后部，取而代之的是一个白色的、能脱落孢子的真菌“塞”。

受感染的蝉表现出两种特别明显的行为改变。首先，它们似乎对失去身体的重要部分并不在意。正如Kasson所指出的那样，“如果你的腹部被真菌撕裂，你可能不会有动力四处走动，也不会像人类那样做任何正常的事情。然而，被感染的蝉继续飞来飞去，好像什么都没有发生过一样。”

更活跃的蝉——与许多其他蝉相互作用的蝉——可能对寻求最大感染的真菌有益。

第二种同样令人不安的变化是：感染了孢子的蝉不仅仅是僵尸——它们是特别热衷于交配的僵尸。或者更确切地说，试图交配，因为它们已经没有生殖器了。Kasson解释说，在蝉的正常交配仪式中，雄蝉会唱歌（或尖叫）来吸引附近的雌蝉，如果雌蝉接受了，它会发出典型的拍打翅膀的动作。受感染的雄蝉会尖叫来吸引雌蝉，但它们也会拍打翅膀来回应另一只雄蝉的歌声。Kasson说：“在某种程度上，真菌通过使它可能接触到的蝉的数量增加一倍，从而优化了传播。”

为了开始调查真菌是如何引起这些行为的，Kasson和他的同事们分析了感染了不同种类的麻孢虫的周期蝉和一年生蝉的真菌塞的化学组成。虽然许多小分子的功能未知，但突然出现了两种具有显著精神活性的化学物质：卡西酮（一种由植物产生的安非他明）和裸盖菇素（一种由蘑菇产生的致幻剂）

Kasson说，可能还有其他有趣的精神活性分子，但很难识别它们。“提高我们对这些分子的理解有很多障碍，部分原因是数据库（不完全）填充，还有一个事实是，真菌，特别是在这些独特的生活方式中，它们是如此高度专业化，将产生一套新的化合物。”

然而，考虑到研究人员已经发现的精神活性分子，“真菌与昆虫的相互作用可能代表着药物发现的下一个前沿，”Kasson说。

现在，研究人员正在对一批新鲜的真菌使用转录组学来确定它在感染过程中开启了哪些基因。除了收集这些真菌样本外，Kasson和他的研究团队还仔细收集并保存了蝉头，并寄给印第安纳大学印第安纳波利斯分校的昆虫神经科学家Meghan Barrett，她可能是为数不多的几个收到200个蝉头会兴奋的人之一。

尽管Barrett之前研究过许多种类的昆虫，但这是她第一次尝试研究蝉的大脑。这也是第一次有人特别仔细地观察蝉的大脑，至少在本世纪是这样。Barrett说：“我去找了关于蝉神经解剖学的文献，实际上几乎什么也没有。所以，我们在这个项目中要做的部分工作实际上是首次描述蝉的神经系统，尤其是这些蝉的物种。”

一旦她确定了健康的蝉的大脑是什么样子，Barrett将确定真菌在感染过程中如何影响不同区域的脑细胞体积和数量。虽然Barrett本人对研究蝉的大脑本身很感兴趣，但她说，这项研究也解决了更大的问题，揭示了寄生虫影响宿主神经系统的方式。

研究各种寄生虫和宿主可以帮助研究人员更广泛地了解宿主-寄生虫相互作用的本质。从促进对生物学陌生角落的基本理解，到潜在地识别新的天然产品，这些产品可以作为超强粘合剂、昆虫专用杀虫剂，甚至是神经药物，科学家们渴望继续探索这些操纵昆虫的真菌怪物。