葉子真菌奶昔讓瀕危夏威夷花卉起死回生

本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映作者的觀點，不一定反映《大眾科學》的觀點

在瓦亞奈山脈的山腰上，俯瞰著瓦胡島西端多爾菠蘿種植園和珍珠港的一座死火山的崩塌遺蹟中，生長著一種名為 Phyllostegia kaalaensis 的植物。或者說至少直到最近還是這樣。這種薄荷科的樸素的白色開花植物，在美軍和夏威夷州擁有的兩個溫室中勉強逃脫了滅絕的命運——但現在它卻不那麼配合了。

科學家們非常希望將它重新種植在它起源的山脈中。但是每次他們嘗試時，白粉病都會殺死它。這肯定不對。

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早在 2003 年，就有超過 30 株植物在野外無病地生存。問題是什麼？

Phyllostegia 的故事——以及它令人困惑的困境——反映了世界各地島嶼生命的故事。很久以前，一種薄荷科植物不知何故來到了夏威夷。這種植物的後代進化成了兩個、三個，甚至不是，而是 32 個全新的物種。然而，美好的開端之後，將是黑暗的未來。

像許多其他植物、鳥類和其他物種一樣，在島嶼的受保護的避難所中進化，隨著人類的到來以及他們帶來的大陸物種，這些植物發現自己受到了攻擊和競爭。如今，14 種 Phyllostegia 物種處於極度瀕危狀態。其餘的大部分被認為已經滅絕。可以理解的是，科學家們真的想阻止 P. kaalaensis 成為這個悲傷名單上的下一個。

他們開始思考他們給植物的治療方法，以使其在溫室的人工環境中得以維持。正如任何種植過室內植物的人都知道的那樣，某些在室外生長沒有問題的植物（如迷迭香）在室內種植時可能會迅速屈服於一種名為白粉病的真菌。

白粉病——包含許多物種的龐大群體——因其感染的葉子和花朵上形成的白色塗層而得名。在顯微鏡下觀察，這些生物的孢子囊是一些最有趣 和 美麗的物體。但是當它出現在你傾注了愛心卻因這種真菌而死去的植物上時，白粉病會引起極大的惱怒。殺菌劑是對抗它的少數有效方法之一。

P. kaalaensis 的情況就是如此。除非有人每週用殺菌劑噴灑這些極度瀕危的植物，否則它們可能會在一個月內死於白粉病 Neoerysiphe galeopsidis。但是，如果科學家們想知道，那些讓植物在溫室中得以生存的殺菌劑，是否也阻止了它在野外生存呢？

上週我寫過關於一種稱為內生菌的葉棲真菌，這些真菌透過老植物掉落在幼苗周圍的枯葉傳遞給它們後代的可可樹。這樣做，它們幫助保護幼苗免受可可最大的敵人：黑莢病的侵害。

但是內生菌不僅限於可可。它們是一類專門寄生在植物內部並充當植物微生物組的微生物，並且迄今為止在檢查過的每種天然植物中都發現了它們。它們是植物微生物組。棲息在根部的菌根真菌是內生菌的一個亞類，與其餘的相比，在本部落格和其他地方都受到了更多的關注。菌根為其植物宿主提供重要的水和養分吸收服務，並且恰好也是之前大多數內生菌研究以拯救瀕危植物的重點。

但是正如我上次提到的，內生菌也可能以耐旱性、抗病性或其他服務的形式為宿主提供好處。那麼，如果……如果控制白粉病的殺菌劑也殺死了植物在野外生存所需要的內生菌呢？

如果是這樣，如何測試或解決這個問題？ 正如我在關於可可的文章中寫的那樣，內生真菌有幾個吸引人的特性。其中之一是它們很容易透過風和接觸在植物之間傳播。它們對於將哪種植物稱為家也相對隨和。因此，科學家們決定嘗試一些簡單的做法：微生物組移植。該過程類似於越來越受歡迎的糞便移植——也被稱為糞便微生物移植——患有慢性胃腸道疾病的人發現這種方法非常有效。

夏威夷大學馬諾阿分校的植物學教授安東尼·阿門德和博士後傑弗裡·贊恩發現了一種與其原始家園中生長的 P. kaalaensis 密切相關的瀕危薄荷。與 P. kaalaensis 不同，這種“供體”物種的植物已經被重新引入野外並茁壯成長。他們將這種第二種物種的野生健康植物的表面消毒葉子搗成泥漿，然後每週將所得的泥漿噴灑到溫室中的 P. kaalaensis 葉子上，持續三週。

然後，他們透過將感染了 P. kaalaensis 的葉子放入生長室的進氣口中，人為地使這些植物感染了白粉病。他們用 11 種已知的純培養內生菌混合物噴灑了第二組植物（內生菌經常以這種方式生長的能力是其其他吸引人的特性之一）。最後，他們用無菌水噴灑了對照植物。在實驗完成後，他們還進行了最後一輪對照實驗，使用透過過濾器的泥漿，該過濾器將去除所有真菌和細菌，但會保留任何植物化學物質。

他們還在相關的瀕危植物物種 P. mollis 上嘗試了相同的處理方法，該物種也僅存在於溫室中，並且具有相同的殺菌劑依賴性。

結果呢？在兩項獨立的試驗中，野生葉漿能夠顯著減少 P. kaalaensis 植物的白粉病，但由於某種原因，對 P. mollis 卻沒有效果。11 種已知內生菌的混合物和過濾後的野生葉漿都無法產生相同的效果。

他們在野外的祖先家園和它們的內生菌供體植物附近種植了一些經過漿液處理的植物。一年多後，它們仍然活著。對於植物保護來說，這是一個好訊息，因為這種低技術的方法可以轉移到許多其他處於類似困境中的瀕危植物。

不過，當他們檢查野生葉漿中生物的 DNA 以檢視誰在那裡時，他們感到震驚。迄今為止，最豐富的生物竟然是 N. galeopsidis，也就是他們試圖阻止的病原體。

作者承認：“這令人驚訝，因為提供這種漿液的 P. hirsuta 個體沒有表現出白粉病感染的跡象，而且考慮到野生葉漿是顯示可以降低 N. galeopsidis 疾病嚴重程度的處理方法。”在野生葉漿中檢測到另外 21 種真菌，但只有一種真菌的相對丰度大於 5%。白粉病是內生菌汙泥中那個200磅重的大猩猩。

這怎麼可能？這種摻有黴菌的漿液的奧秘是什麼？科學家懷疑，殺菌酵母 Pseudozyma aphidis 可能是答案的一部分。在治療之前，這種真菌少量存在於 P. kaalaensis 的葉子中。但是，經過治療並暴露於白粉病後，這種酵母越多，病原體感染就越輕微。

酵母是單細胞真菌，與形成蘑菇和大多數其他大型真菌的絲狀形式不同。 P. aphidis 包含消化幾丁質和真菌細胞壁中發現的其他化學物質的基因，並且還製造稱為鐵載體的螯合鐵顆粒，透過剝奪病原體生長所需的鐵來對抗病原體。P. aphidis 也可能部分或全部透過啟用植物防禦機制來發揮其魔力，並且無論出於何種原因，P. mollis 對這些訊號都不敏感，而 P. kaalaensis 卻沒有。

也許這種酵母類似於內生真菌熱帶炭疽菌，研究表明，當可可幼苗在幼年時期接受它時，它對可可具有保護作用。

但生物多樣性也可能是一個重要因素。野生葉片漿液不僅包含可以在實驗室中培養的物種（如11種混合物），還包含許多無法培養的物種，以及可能與內生真菌協同作用以促進植物健康的其他細菌和病毒。由於在原始葉片漿液中未檢測到酵母蚜蟲生絲酵母，這些生物可能以某種方式參與了其丰度的增加（如果只有極少量存在）或從空氣中招募了它（如果它不存在）。

“這項研究強化了植物不僅僅是植物的觀點；它們是複雜的生物群落，”作者總結道。我認為在過去 20 年裡，生物學得出的令人謙卑——且令人興奮——的結論是，這適用於這個星球上的所有大型生命，包括我們自己。

參考文獻

Zahn, Geoffrey, 和 Anthony S. Amend. "葉片微生物組移植賦予瀕危植物抗病性." PeerJ 5 (2017): e4020.