庄文颖院士科普:真菌与人类

2021-11-22 14:00:46, 首都科学讲堂


本文内容来自北京市科学技术协会主办、北京科学中心承办、北京科技报社协办的首都科学讲堂。讲堂每周邀请院士专家开讲,传播科学知识、科学方法,弘扬科学精神、科学文化,促使公众全面、正确理解科学。




真菌无处不在,它的“足迹”遍布自然界每个角落,从平原到高山,从热带到南北两极。它的“家族”门丁兴旺:据保守估计,全球有真菌220万至380万种,目前被认知和描述的只有大约15万种,占总数的约6%,其数量之多在生命世界中仅次于昆虫,居第二位。它们的“长相”多姿多彩:有的微小到只有借助于显微镜才能一觅“芳踪”,有的体长可达1米以上。如此多样的真菌,与人类有哪些不得不说的故事?


本期首都科学讲堂之“院士会客厅”特别邀约中国科学院微生物研究所庄文颖院士,带我们了解真菌与人类的密切关系,感受真菌科学的神奇与魅力。



主讲嘉宾:


庄文颖


中国科学院院士、中国科学院微生物研究所研究员

真菌与人类(上)

真菌与人类(下


什么是真菌?


大约在10亿年前,地球上已经有了真菌的踪迹。


什么是真菌呢?真菌是一类真核生物,以单细胞、菌丝体以及由菌丝形成的各种繁殖结构存在于自然界,没有光合色素,进行吸收式营养,绝大多数种类依靠“孢子”来繁衍后代。真菌产生的繁殖结构有一个特殊的名称,称为“子实体”。


真菌具有丰富的多样性。桃、杏子、柑橘久放后发霉,即是被真菌入侵,树干腐朽后长出的鳞片状结构是真菌,草地上的蘑菇是真菌,冬虫夏草也是真菌。



真菌种类繁多,形态各异,大小悬殊。单细胞酵母的大小仅有2-3个微米,依靠显微镜才能观察到;而大型的种类肉眼可见,它们有的像白色的巨球,有的像猴子的脑袋,有的像羊肚,有的像兔耳朵,有的像裙子,有的像珊瑚……




在草地上,人们常看到神奇的“蘑菇圈”,也叫“仙人圈”。蘑菇的菌丝由中心点向四周辐射生长,随时间推移,中心的菌丝老化了,失去了生命力,但是周边菌丝仍旧活跃生长并向外扩展,进一步分化为子实体,这就形成了蘑菇圈。据专家估计,蘑菇圈寿命可长达几百年。



植物靠种子繁衍后代,真菌也有类似的繁殖结构,我们称其为“孢子”。真菌的孢子多种多样,包括由菌丝分化产生的无性孢子和通过有性繁殖形成的有性孢子。有的孢子具有一至两根鞭毛,可以游动,称之为游动孢子;有些则产生于菌丝特化形成的梗上,称为分生孢子;还有在孢子囊中分化形成的孢囊孢子。通过有性繁殖形成的孢子中,通过两个配子囊接触融合,形成一个特征性的结构名为接合孢子;在形状不同的囊状结构(子囊)内形成的孢子称为子囊孢子;还有一类外生于膨大结构(担子)上的外生孢子,冠名为担孢子。



真菌是如何生长呢?真菌的孢子萌发时,产生一个纤细的管状体,称之为芽管。芽管延伸,并向各个方向分枝,就形成了菌丝,大量的菌丝聚集在一起成为菌落。





简要介绍几种常见的真菌类群


壶菌是真菌中非常简单的类型,进行营养生长时,它的整个菌体都是营养体;进行繁殖的时候,全部转化为繁殖体,产生游动孢子囊和游动孢子。


接合菌由两个配子囊融合在一起,进行核配和质配后,形成有特征性的接合孢子;其无性世代产生孢子囊和孢囊孢子。


球囊菌一般与植物共生,生长在植物内部,可以从外界吸收营养,供给植物生长所需营养。


子囊菌是真菌中物种数量最多的类群,有性繁殖形成棒状或其他形状的囊状体,称之为子囊,内含8个子囊孢子;产生壳状、盘状、棒状、脑状或其他形状的子实体。



担子菌在物种数量仅次于子囊菌。什么是担子菌?直观地说,我们平常看到的蘑菇、木耳、银耳都是担子菌,但担子菌种类繁多,形状各异,竹荪和马勃等也是有代表性的类群。


  


真菌在自然界如何生存?


我国的大好河山是真菌适宜的栖息地。真菌可以在原始森林中的倒木上、枯枝落叶层和腐殖质上、潮湿的墙壁上、土壤中腐生。因为供给真菌营养的上述基质为死体,这类真菌营腐生生活。


腐生之外,真菌还可以在活的动物和植物上寄生。寄生会引起植物和动物的多种病害或疾病。真菌还可以与藻类共生,形成地衣,真菌帮藻类从周边获取营养物质,而藻类制造的营养和分泌物又可以供真菌生长,互惠互利。



除与藻类共生以外,真菌还可以与高等植物共生形成菌根。真菌的菌丝帮助植物从环境中获取营养,同时植物根部的分泌物作为真菌生长的部分营养来源,它们之间是一种互惠共生的关系。



少数情况下,真菌还能以捕食为生。当线虫进入真菌菌丝形成的环形圈套中,真菌环状结构的细胞迅速膨大,将线虫死死地卡住,随即从线虫中获得所需的营养,杀死线虫。   

 


真菌与人类息息相关


真菌与人类形影不离。做面包离不开酵母菌,腐乳、酱油、醋的酿造过程中,离不开真菌;以大麦、水、啤酒花和酵母为原料,进行发酵,便有了大众喜爱的饮料¾啤酒。我国食用菌占世界总产量的50%以上,二孢蘑菇、灵芝、杏鲍菇等食药用菌的栽培已形成第五大种植产业。


在欧洲和美洲,羊肚菌是高档的美味食材。在自然条件下,羊肚菌通常每年春天在同一地点及周边重复发生,子实体消失后,菌丝体作为“种子”存留于土壤中,次年再发。上世纪80年代羊肚菌很难进行人工栽培,但是通过我国科学家的不懈的努力,已实现规模化栽培。食药用菌产业的发展在脱贫攻坚中发挥了非常重要的作用。


 羊肚菌人工栽培


冬虫夏草是一种名贵的药用菌,价格一度曾被抬得很高。冬虫夏草是如何形成的?一种真菌寄生在鳞翅目昆虫的幼虫上,真菌菌丝逐渐充满虫体,从僵虫上形成棒状的子实体,即为通常所见的冬虫夏草。现代医学发现,冬虫夏草含虫草素、腺苷、虫草多糖、麦角甾醇和氨基酸等多种活性成分。


冬虫夏草


食用蔬菜茭白是如何形成的?当黑粉菌侵染了一种叫“菰”的多年生浅水草本植物后,真菌刺激导致植物茎基部过度生长,组织膨大,形成了可供人类食用茭白。


然而并不是所有真菌都对人类有益,一部分可引发人类疾病。例如,在医院里烟曲霉会侵染免疫力低下的病患,造成曲霉综合征,致死率很高。常见的毛发癣是由毛癣菌属、小孢子菌属和表皮癣菌属真菌引起的,它们的共同特点是偏爱人类的角质蛋白,导致手脚皮肤长癣、毛发被感染等,这类病被称为皮肤癣病。另一种致病真菌是新生隐球菌,在自然界广泛分布,是进化最成功的环境真菌之一,当病人抵抗力较弱时,隐球菌感染会引起真菌性脑膜炎。


除了危害人类,部分真菌还可危及动物。壶菌侵染南美洲一种小型青蛙(达尔文蛙),导致该物种灭绝。由真菌引起的疾病治疗难度大,缺乏有效药物,难以治愈。


 

中国真菌学研究简况


我国是利用真菌最早的国家之一,在食品、医药、酿造等方面早有记载。早在新石器时代,我国就利用真菌发酵进行酿酒。东汉末年的《神农本草经》记载了12种真菌药物,根据它们的形态、色泽、功能进行分类,并且论述了它们的药性,其中茯苓、雷丸、紫芝、木耳等至今仍在沿用。南朝贾思勰所著《齐民要术》记录了制曲和酿酒方法,系统地论述了发酵工艺。孙思邈在《千金方》中记载了真菌引起的头癣。李时珍在《本草纲目》中记载了34种药材真菌,并且对它们进行了分门别类。因此,我国古代真菌学研究水平很高。


中国真菌学的先驱之一是戴芳澜先生。他的代表作《中国真菌总汇》汇总了1775-1975年200年间国内外学者报道的将近7000种中国真菌。


戴芳澜


我国另一位真菌学先驱邓叔群先生,他的著作《中国的真菌》记载了2400种真菌,提供了关于它们的描述、检索,以及部分种的图解,在真菌学和植物病理方面作出了很大的贡献。


邓叔群


余永年先生是我国杰出的真菌学家,他抱病主编了《中国菌物学100年》,该著记述了我国学者100年来在真菌学研究方面取得的成就。


余永年


《中国真菌志》是按照类群记录我国真菌物种的系列专著,为全面认识进而利用我国真菌资源奠定基础。一般而言,已出版的卷册需覆盖所涉及类群的在全国80%以上地区的分布状况。



《中国真菌志》的编研工作起步于1973年,是“中国孢子植物志”的五个分志之一,《中国真菌志 第一卷 白粉菌目》于1987年出版。在过去的48年中,全国真菌学家共同努力,已出版62卷,记录了905属8873种真菌。随着编研工作的进展,中国真菌资源家底将逐步明晰,将有力推动与之相关的理论研究和资源开发利用。

 


真菌对人类和科学发展的贡献


真菌在工业上用途广泛,除了用于酿造,亚麻脱胶、织物退浆、造纸工业、制革工业、甘油发酵、有机酸的生产、食品发酵等都离不开真菌。


真菌与近代药物研发密切相关。早在1928年,英国科学家弗莱明在进行细菌培养时,培养皿受到真菌污染,真菌产生的抗生物质抑制了细菌生长,出现了抑菌带,从而发现了青霉素。青霉素的发现是个奇迹,将当时的人类平均寿命提高了20岁。目前使用的头孢霉素、灰黄霉素、麦角碱、胡萝卜素、核黄素等药物也都源自真菌。

   


真菌与现代生物学的发展有着密切的联系。例如,粗糙脉孢霉首先用于真菌遗传研究,催生出真菌遗传学。真菌有性型与无性型的研究,揭示出真菌的多型性。人类有时会被真菌感染,对病原真菌的准确鉴定和治疗药物研发推动了医学真菌学的发展。


每年南方都有很多人由于误食毒蘑菇发生中毒事件,严重危害身体健康甚至危及生命;食物和饲料因有害真菌的侵染产生真菌毒素,对人类和动物都造成极大危害,其中不乏强致癌物质,这些都促使真菌毒素学向前发展。


作为比较原始的真核生物,真菌有助于揭秘生命之树,即开展系统演化研究。真菌可以产生丰富的活性次生代谢产物,从而推动了真菌化学研究的进步,为新药的研发奠定了基础。


酵母菌是第一个实现基因组测序的真核生物,在此基础上发展了基因组学。真菌还可以用于生物防治,采用“以菌治菌” 的办法,用“有益真菌”来防治“有害真菌”,减少化学农药对环境的污染,为创造良好的人类生存环境作出贡献。



2018年,中国科学院研究团队首次人工合成了具有单条染色体的酿酒酵母细胞,它能够行使细胞功能。人造生命的诞生在科学史上具有里程碑式的重要意义。

 


中国科学院菌物标本馆


1953年,戴芳澜院士和王云章先生将原清华大学和原北平研究院收藏的真菌标本汇集在一起,成立了真菌标本室。1955年,邓叔群院士将原来南京中央研究院收藏的真菌标本归入其中。1958年中国科学院微生物研究所建立时,菌物标本馆初建完成。目前该馆馆藏标本54万号,有来自包括南北极在内的全世界110个国家和地区以及国内34个省区的标本,隶属于2000多个属的18000多个种。馆内真菌收藏量居亚洲第一、世界第四,拥有完善的数字化系统。在2008-2020年,累计向国内外科研机构借阅的标本达10万多份之多。



生物标本集时间和空间为一体,具有重要价值,并具有不可再生和不可替代性。生物标本是科学研究的第一手材料,是国家重要的战略生物资源。生物资源拥有量是一个国家实力的体现,显示其生物多样性研究水平,也是物种保护和开发利用的前提和基础。

 

在浩瀚的生命世界里,在生物进化的漫漫长河中,真菌扮演了重要的角色,并且必将影响到人类的未来。让我们发掘自然界的真菌资源,不断认识真菌,开发和利用真菌,让真菌造福全人类。


(本期图片视频来自于第720期首都科学讲堂,注:文中图片多数来自互联网,少数为作者提供)

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