【研究介紹】跨域交流-原核生物和真核生物如何透過精胺酸酮類對話？

土壤中存在各式各樣的微生物，目前在土壤中最廣為研究的微生物可以粗分為細菌和真菌兩大類，他們在分類階層上分屬細菌域和真核生物域，可以說是天差地遠的兩類生物。然而，這兩類生物同住於土壤這個屋簷下，科學家其實一直很很好奇兩者之間會不會有一些「溝通」？他們之間的「跨域交流」可能是友好的合作宣言，也可能是入侵領土的最後通牒，而最近發表在《Nature Microbiology》的論文在這個領域取得了一些最新的進展。

在這篇論文中，Krespach等德國科學家發現鏈黴菌會分泌一類稱為「精胺酸酮(Arginoketides)」的化學物質，並且精胺酸酮類會觸發真菌的一些特定基因表現，讓真菌產生其他自然產物作為回應。

當鏈黴菌碰上真菌，那就來分泌一點精胺酸酮類

科學家首先將屬於細菌的鏈黴菌（Streptomyces sp.，雖然叫做鏈「黴菌」，但他們是一種細菌喔）和屬於真菌麴黴屬的小巢狀麴菌（Aspergillus nidulans）共同培養，並用一種稱為「基質輔助雷射脫附游離（MALDI）」的技術來觀測培養環境中精胺酸酮類濃度分布。結果發現，如圖一所示，鏈黴菌在靠近小巢狀麴菌的那一側分泌了大量的精胺酸酮類，並且經過幾天以後這些精胺酸酮類也會累積在小巢狀麴菌的體內；在旁邊沒有小巢狀麴菌的情況下，鏈黴菌就不會分泌精胺酸酮類。這樣的實驗結果顯示，鏈黴菌很可能就是因為遇到小巢狀麴菌才會分泌精胺酸酮類，雖然對話的速度有點慢，但是看起來鏈黴菌確實利用精胺酸酮類對小巢狀麴菌說了一些「話」，那麼小巢狀麴菌會怎麼回應鏈黴菌呢？

圖一、鏈黴菌在靠近小巢狀麴菌的那一側分泌了大量的精胺酸酮類 (在這裡是指阿扎黴素azalomycin)。

來自真菌的回覆

在確定鏈黴菌遇到小巢狀麴菌會分泌精胺酸酮類後，科學家把鏈黴菌中產生精胺酸酮類的基因去除，並且同樣將鏈黴菌與小巢麴菌共同培養。結果發現，在沒有去除基因的鏈黴菌組別中，小巢狀麴菌分泌了一些有機酸，其中以苔色酸較為重要；在去除基因的組別中，小巢狀麴菌則沒有分泌這些有機酸。這些結果間接證實精胺酸酮類很可能就是激發小巢狀麴菌分泌有機酸的機制。

後續的實驗以純阿扎黴素（一種精胺酸酮類）刺激小巢狀麴菌同樣發現苔色酸的分泌，這個結果更是直接證明精胺酸酮類就是促使小巢狀麴菌分泌天然產物的關鍵。

精胺酸酮語是「菌界」國際語言嗎？

對於人類而言，語言是一個極其複雜的系統，不同種族、地區的人們說著不同的語言。而對於土壤「菌界」的人民來說，精胺酸酮類是他們的國際語言嗎？

首先，科學家想要了解有那些細菌會使用精胺酸酮類這種語言，因此從土壤中分離出許多放線菌門的細菌，並且將他們和植入綠螢光蛋白基因的小巢狀麴菌一起培養。植入綠螢光蛋白是一種常見的基因技術，將螢光蛋白的基因植在苔色酸基因前面，小巢狀麴菌若要產生苔色酸就會順便產生綠螢光蛋白，因此，可以透過綠螢光蛋白的產生與否判斷小巢狀麴菌有沒有產生苔色酸。

實驗結果發現，在分離出的305株菌株中，有8株細菌菌株可以讓小巢狀麴菌產生綠色螢光蛋白（圖二），代表這8株菌株都有和小巢狀麴菌「溝通的能力」。進一步分析這八株菌株的基因體，發現這八株菌株都是鏈黴菌屬的一員，看來鏈黴菌屬確實有不少菌株「精熟」這門化學語言。

至於真菌，除了小巢狀麴菌之外，科學家發現精胺酸酮類也可以刺激另外一類常見的真菌「青黴菌屬」。對於青黴菌而言，受到精胺酸酮類刺激會產生一種稱為Carviolin（這個字沒有中文翻譯QQ）的蒽醌類色素，這和小巢狀黴菌有所不同，雖然目前還不清楚這些天然產物的功能，但是至少能確定「聽得懂」細菌精胺酸酮語言的真菌不只侷限於麴黴屬。

圖二、從土壤中篩選出的305株細菌中有8株成功啟動綠色螢光反應，這代表小巢狀麴菌有分泌苔色酸。

精胺酸酮類作為細菌和真菌溝通橋梁的生態意義

本研究發現精胺酸酮類可以被細菌作為與真菌溝通的訊號，然而，這些互動背後所代表的生態意義科學家仍不清楚，這就好像我們「聽」到鏈黴菌和一些真菌之間在說些甚麼，但是卻沒有人能夠將他們對話的內容翻譯出來。

根據現有線索，其實精胺酸酮類不只可以作為細菌對真菌的化學語言，更可能幫助真菌和藻類形成地衣、促使芽孢桿菌形成生物膜或透過真菌所分泌的有機酸再去抑制其他植物病原菌的生長（圖三）。總而言之，目前這個領域還在起步階段，希望有朝一日人類可以破譯精胺酸酮類這種化學語言。

圖三、精胺酸酮類細菌、真菌、藻類間化學語言的潛在生態意義。

註：本研究在不同實驗階段研究了不同種的精胺酸酮類，並且不同的精胺酸酮類可能也會有不同的效果。然而，為了使說明更加簡潔，本文統一使用精胺酸酮這個較高階層的分類名詞做說明。

參考文獻

1. Krespach, M. K., Stroe, M. C., Netzker, T., Rosin, M., Zehner, L. M., Komor, A. J., ... & Brakhage, A. A. (2023). Streptomyces polyketides mediate bacteria–fungi interactions across soil environments. Nature Microbiology, 1-14. （圖片來源，所有圖片皆遵守Attribution 4.0 International (CC BY 4.0)規定）