相愛沒有那麼容易：微根孢黴與它的小伙伴

微根孢黴（Rhizopus microsporus）是玉米、向日葵與水稻的病原菌。不過，它也可以幫忙人類製造天貝（tempeh）。

微根孢黴。圖片取自維基百科

有趣的是，有些微根孢黴體內有一隻內共生菌，稱為Mycetohabitans rhizoxinica。在含有內共生菌的微根孢黴中，有些如果沒有內共生菌，連孢子都無法形成；也有些研究發現，這個內共生菌可以讓微根孢黴提升致病性，讓水稻罹患幼苗枯萎病。

由於有些微根孢黴有內共生菌、有些沒有，這就讓科學家感到非常好奇。畢竟，「內共生」（endosymbiosis）對生物的演化很重要。許多研究發現都認為，粒線體（mitochondria）與葉綠體（chloroplast）都是內共生的產物。

是否能夠使用微根孢黴與它的小伙伴來觀察內共生如何形成呢？

研究團隊使用流體力學顯微鏡（FluidFM），將細菌注入微根孢黴中，來觀察內共生如何發生。

首先，他們把大腸桿菌（E. coli）注入微根孢黴中，結果真菌很快就形成隔膜來阻隔細菌。這意味著，微根孢黴並不是「人人都好」，無選擇性的接受任何細菌。

接著，他們把微根孢黴的小伙伴注入。結果，小伙伴可以成功地在微根孢黴體內繁殖與擴散，有些微根孢黴的孢子也被小伙伴成功地感染了，把小伙伴帶到下一代去。但是，這樣的關係並不穩定，很快地小伙伴就不見了。

為了要觀察內共生關係如何建立，研究團隊在小伙伴被注入到微根孢黴後大約一週收集孢子。然後，他們使用FACS技術分析和分離含有小伙伴（他們先在小伙伴體內放了綠色螢光蛋白的標記以方便追蹤）的孢子。這個階段，他們會記錄到底有多少孢子帶有小伙伴。

接著，他們把這些帶有小伙伴的孢子分十組拿去培養，並計算孢子發芽成功率。然後，他們把帶有小伙伴的孢子比率乘上孢子發芽成功率，得到「適應度指數」。

這樣一次次地重複，每一輪都計算「適應度指數」。到第七輪，他們只保留表現最好的三組分開培養，後面的七組合併一起培養。

結果發現，透過人工挑選培養10輪以後的微根孢黴，即使接下來不進行任何人工挑選，後代孢子中含有小伙伴的比例雖然逐漸降低，但是到第四輪仍然在繁殖閾值（十萬分之一）以上；相對於沒有進行人工挑選培養的微根孢黴，在第一輪含有小伙伴的孢子就掉到繁殖閾值以下了。

所以，這個實驗告訴我們，內共生關係要建立，必得有一些選擇壓力。那麼，在自然界微根孢黴又是怎麼與它的小伙伴墜入愛河呢？

研究團隊認為，可能是因為小伙伴會合成抗真菌毒素（Rhizoxin）。因為在自然環境中的觀察發現，抗真菌毒素可以幫助微根孢黴不受到阿米巴原蟲與線蟲的攻擊；另外，抗真菌毒素還能幫忙微根孢黴提高對水稻的致病力，造成水稻幼苗枯萎病，這樣也可以讓微根孢黴的生活品質改善（吃的東西變多了）。

另外，雖然機制尚未明瞭，但有些微根孢黴一旦失去了它的小伙伴，連孢子都無法形成！在這樣的狀況下，當然更不可能單飛囉！

所以，藉由研究微根孢黴與它的小伙伴，我們體悟到：相愛（建立內共生關係）真的沒有那麼容易，要有外界的試煉（選擇壓力）讓它們對對方越來越依賴，到最後就是高唱「至少還有你」囉！

參考文獻：

Giger, G.H., Ernst, C., Richter, I. et al. Inducing novel endosymbioses by implanting bacteria in fungi. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08010-x