螞蟻為什麼能被真菌控制行為,科學家從各種角度切入研究「喪屍蟻」現象

作者 | 發布日期 2017 年 11 月 29 日 12:38 | 分類 生物科技 , 自然科學 follow us in feedly

最新研究中,科學家發現能感染螞蟻之後控制螞蟻行為的真菌其實並沒有感染螞蟻的腦部,但卻能讓受感染的螞蟻改變行為,做出有利真菌生長的行動。另一方面,另一組研究團隊也發現了寄生物與宿主的生物時鐘和這個現象有關連。



偏側蛇蟲草菌(Ophiocordyceps unilateralis)是一種暱稱為「喪屍真菌」(Zombie Fungus)的物種,能夠入侵螞蟻聚集在體內肌肉纖維周圍,共同影響宿主的行為。在先前研究中,科學家已經發現這種專一性感染弓背蟻屬(carpenter ant)的真菌,能夠控制工蟻的行為,迫使牠們爬上植物咬住葉子或細枝向下的那一面並死去。接著,這種真菌會在螞蟻屍體上生長,長出細枝穿過螞蟻頭部,並釋放具有感染性的孢子到地面,感染下一隻經過覓食的螞蟻。

科學家發現偏側蛇蟲草菌會在螞蟻體內所有部位生長,包含頭、胸、腹以及腿部。不只是這樣,這些真菌大多數還會互相連接,也就表示它們可能形成網路共同的控制宿主的行為。這些研究成果已於日前發表於《美國國家科學院院刊》(PNAS)。

先前賓州州立大學昆蟲學碩士生,現在是瑞士巴塞爾大學動物學研究所博士候選人的 Maridel Fredericksen 表示,他們的研究目的是為了了解寄生的微生物是透過什麼方式影響動物行為,研究團隊從細胞層次的相互影響著手,研究真菌讓宿主螞蟻用下顎將自己固定在植物上的這個關鍵過程中,真菌細胞和宿主細胞的交互作用。

她表示,先前研究已經指出這種真菌會分泌針對宿主特定組織的代謝物,影響宿主細胞的基因表現,並讓螞蟻的下顎肌肉開始萎縮。在先前研究中,科學家並不清楚真菌是如何調控這些基因並影響宿主行為,而現在他們發現受感染的螞蟻做出的行為改變,其實是寄生的真菌基因透過宿主的身體所表現。

研究團隊首先以研究對象偏側蛇蟲草菌感染螞蟻,再找來另一種能夠感染多種宿主的真菌巴氏蠶白僵菌(Beauveria bassiana)為對照組分別感染螞蟻,以此區分一般真菌感染所造成的影響或偏側蛇蟲草菌感染所造成的獨特影響。接著以系列連續切片掃描電子顯微技術(serial block-face scanning-electron microscopy,SBSEM)取得高解析度的 3D 影像,分析真菌再宿主螞蟻體內的分布、數量以及交互作用。研究團隊與賓州州立大學生命科學院 Huck 研究所顯微鏡與流式細胞儀技師 Missy Hazen 合作,在儀器中耗費 24 個小時重複進行 2,000 次將組織樣本,製成 50 奈米切片進行成像。

(Source:PNAS

這項研究的資深作者,賓州州立大學昆蟲學助理教授 David Hughes 表示,系列連續切片掃描電子顯微技術的使用對於研究寄生物與宿主之間的關係是一大突破。只要將這些切片影像堆疊起來就能夠重建出 3D 樣貌,讓研究團隊得以在微米等級中以高解析度分析真菌和宿主的相互作用。這樣前所未有的細節呈現,讓科學家得以更精準地了解過程。

為了分析處理大量的數據,研究團隊也利用了人工智慧與機器學習演算法來分析以 SBSEM 所得到的大量影像。研究團隊中來自美國聖母大學(University of Notre Dame)的研究者以深度學習方式訓練電腦,讓電腦能夠區分真菌細胞與螞蟻的細胞,藉此幫助研究團隊判斷螞蟻與真菌的細胞數量。

聖母大學資訊科學教授 Danny Chen 表示,這些結合了尖端技術深度學習以辨識真菌與螞蟻細胞的系統是由不同領域研究者共同合作所完成的,賓州州立大學的研究者提供了大量含有標註的影像資料,讓資訊科學領域的研究者以此進行訓練與測試,逐漸提升深度神經網路(deep neural network)系統的效能。這些合作成果也顯示了當生物學家與人工智慧研究者合作時能夠激發出如此有效率的方式來解決問題。

Hughes 表示,研究團隊發現宿主體內大多的細胞都屬於真菌,更確切的說,被真菌控制的螞蟻其實應該比較像一群披著螞蟻外皮的真菌細胞。有趣的是,雖然真菌在宿主的腦部外圍大量生長,但研究團隊發現螞蟻腦內並沒有真菌生長。

一般來說,動物的行為是由腦部傳遞訊號至肌肉,但這項研究結果顯示寄生物控制宿主行為的模式應該與此不同,比較像是操偶師操弄著絲線讓木偶跟著移動,真菌控制了螞蟻的腿部以及下頜移動,讓螞蟻做出那樣奇特的行為。

Hughes 又再補充,雖然真菌細胞並沒有侵入螞蟻的腦部,但先前的研究中也顯示螞蟻的腦部可能也有受到化學性改變。研究團隊猜測真菌沒有入侵宿主腦部,可能是為了讓宿主繼續活著,直到完成最後關鍵的步驟,咬住葉子或細枝之後再死去,讓真菌得以獲得最好的生存環境。但這些猜測仍需要後續研究,以了解這整個過程中宿主腦部所扮演的角色,並了解在真菌利用宿主肌肉進行移動時的細節。

藉由寄生物生理時鐘運作了解疾病

而在另一項研究中,科學家也在這種特別的寄生關係中發現了其他有趣之處,並計劃對此進行更深入的研究。Charissa de Bekker 博士今年前往美國中央佛羅里達大學(University of Central Florida),以繼續進行關於真菌寄生感染螞蟻並改變螞蟻行為的研究。她發現,這種寄生真菌之所以能夠操縱螞蟻的行為是因為牠們改變了螞蟻的生理時鐘。在他們最新發表於科學期刊《Plos One》的研究中,研究團隊發現真菌自己也有生理時鐘,可能就是影響真菌感染並且控制螞蟻時間的因素。

真菌操控螞蟻的行為,讓牠們離開巢穴偏離平時所走的路線,使得真菌的傳播效率得以提升。而現在科學家發現了寄生的真菌本身也有自己的生物時鐘,或許就能解釋這個奇妙的現象是如何發生的。de Bekker 博士表示,先前科學家並不了解真菌能如此精準操縱螞蟻行為的原因,這樣高效率的行為控制就連最頂尖的神經學家都沒辦法做到。因此,研究團隊便對此開始進行研究。

研究團隊最早開始認為這個現象和生物時鐘有關,是因為受感染的螞蟻全部都在每一天的同一個時間點開始尋找較高的植物,咬住適合作為真菌生長環境的位置。之後,研究過程又發現了類似現象,一天的時間點可能是真菌控制宿主的重要條件。

De Bekker 的研究團隊計劃對寄生物的生理時鐘進行研究以獲得更深的了解。這次研究寄生物的生物時鐘並非首創,在更早之前蘇格蘭的研究者也已經研究瘧疾原蟲的生物時鐘,上個月的諾貝爾獎得獎研究也由研究果蠅生理時鐘分子層次醫學研究獲得。De Bekker 認為感染性疾病的生物時鐘研究將是接下來科學界重要的研究方向,科學家能夠藉由寄生物的生理時鐘運作,了解疾病在人體內是如何進行影響。

De Bekker 的研究團隊主要在中央佛羅里達大學以及大學的植物園進行研究。這項研究的共同作者博士候選人 Ian Will 也在研究中特別仔細觀察螞蟻被感染之後的行為變化,以確認特定行為出現的時間點與細節,他也期待之後找到影響寄生行為及調控的關鍵基因。De Bekker 表示,自從他們將研究從德國慕尼黑遷移到佛羅里達之後,佛羅里達州的野外環境就能直接找到他們所研究的對象:真菌與螞蟻,能夠同時在實驗室以及天然環境進行研究,以對此現象有更深入的了解。

(首圖來源:中央佛羅里達大學

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