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真菌的多面生活(上)

发布时间: 2022-01-13 15:24:06   作者:本站编辑   来源: 中国科学院微生物研究所   浏览次数:        字号:[ 常规 ]

本文作者:中国科学院微生物研究所  真菌学国家重点实验室  高程   博士  研究员     

说起真菌,大家首先想到什么呢?白伞伞、灵芝、虫草、啤酒、普洱茶、青霉素、印度毛霉病、烂木头……总之,不管在自然界,还是我们日常的生活中,真菌都无处不在,并且起着及其重要的作用。

任劳任怨的“清洁工”

童叟无欺的“买卖人”

作威作福的“小霸王”

真菌是大自然的“清洁工”

在生态系统动植物残体的降解过程中发挥重要功能。想象一下,假如没有真菌,动植物残体不能分解,那么地球会是什么样子?

事实上,这一事件在历史上已经真实发生过。木材是有机碳的主要来源,它具有很强的抗分解能力,这主要归功于木材木质素的存在,它是自然界中较晚产生的最复杂的有机大分子之一。

在植物进化出木质素的初期,整个自然界没有能将其降解的酶,导致植物残体无法分解、被埋藏地底,形成煤矿层,大气中二氧化碳浓度逐步下降,生态系统走向崩溃。直到石炭纪末期,漫长的历史进化过程使真菌进化出了木质素酶,从此煤矿不再形成,生态系统中的碳循环重新恢复正常。

当今社会,人造有机大分子如塑料等,正形成新的环境灾难,这种高分子材料难于降解,在自然界中停留时间长达200-400年。如何在方便生活与保护环境之间寻找平衡,成为全世界面临的共同议题。

已经有科学家在巴基斯坦的一个垃圾填埋场发现了一种真菌,能够在数周而不是数百年内分解聚酯聚氨酯等塑料,从而为解决全球塑料污染的新方法带来了希望。

另外,定向进化产生分解塑料等有机大分子的真菌微生物群落,或许可以加快微生物对塑料的降解进程。

作为生态系统的“清洁工”,真菌的清洁工具是其丰富的降解酶类。除了分解木质素的酶以外,真菌还能通过分泌各种酶类将淀粉、纤维素、蛋白质、脂肪等大分子降解为糖、氨基酸、脂肪酸、有机酸等小分子。

为了保护这些小分子不被其他生物所利用,真菌会同时向其周围环境‘放毒’,也就是各种次级代谢产物。

真菌释放的这些次级代谢产物,种类和功能都很多样。例如青霉素,是产黄青霉的次级代谢产物,是最重要的抗生素,自从发现以来,已经使得人类的寿命提高了20岁以上。

相反,黄曲霉的次级代谢产物黄曲霉素,则是重要的致癌物质。

真菌是童叟无欺的“买卖人”

早在4.5亿年之前,海洋生物登陆的早期,真菌和植物便达成一项契约:植物为真菌提供光合作用的产物,而真菌则为植物提供土壤来源的碳。这一契约,便是真菌与植物根系形成的菌根共生体系。

经过4.5亿年的沧海桑田,菌根共生的形式已经多种多样,但是真菌依然为陆地上超过90%的植物履行这一契约。以至于,有一些植物已经对菌根真菌产生了严重的依赖。譬如,在没有菌根真菌的情况下,很多兰科植物的种子就不能萌发成苗。

有研究表明,植物能将自身光合产物的20%提供给真菌,而丛枝菌根真菌能介导80%的植物磷以及20%的植物氮吸收。菌根真菌会在在地下形成一个四通八达的互联网,将生态系统中的植物链接起来,介导植物间的资源再分配,维持生态系统多样性。

丛枝菌根真菌在土壤中形成的球囊霉素,在土壤中可长期存在,增强土壤碳固定,有望成为碳达峰和碳中和背景下的希望之星。

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图1 丛枝菌根真菌(Arbuscular mycorrhiza)与外生菌根(Ectomycorrhiza)。丛枝菌根真菌通过进入植物根系细胞内部,将土壤中磷元素传递给植物,交换植物的碳原物质。外生菌根真菌主要通过缠绕在植物根系细胞壁外围,将土壤中氮元素传递给植物,交换植物的碳原物质。

(未完待续……)