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你爱闻的雨后泥土味,其实是细菌布下的“陷阱”

时间: 2020年04月10日 | 作者: 石云雷 | 来源: 环球注册新宝GG(huanqiukexue.com)
研究揭示,清新的泥土味其实是土壤中的链霉菌布下的“气味陷阱”——闻味而来的跳虫在食用这些链霉菌的同时,也帮助后者的子代孢子广泛传播。


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图片来源:pixabay


一场大雨过后,我们常常能在空气中闻到一种清新自然的泥土味。不过,组成这种气味的分子并非来自泥土本身,而是两种由土壤中的微生物产生的挥发性化合物——土臭素和2-甲基异茨醇。最近,一项发表于《自然-微生物学》上的研究揭示,清新的泥土味却是土壤中的链霉菌布下的“气味陷阱”——闻味而来的跳虫在食用这些链霉菌的同时,也帮助后者的子代孢子广泛传播。


撰文 | 石云雷


清新泥土味的来源


一场大雨过后,空气会变得十分湿润,同时还会弥漫着一股清新的泥土味。当我们闻到这种气味时,常常会感觉到十分放松。但这种清新的泥土味究竟是什么呢?原来,土壤中含有大量放线菌、粘细菌、蓝细菌和以及丝状真菌。由这些微生物产生的一些挥发性有机化合物(VOCs),构成了土壤的味道。其中,最常见的是土臭素(一种天然的萜类化合物)和2-甲基异茨醇(2-MIB)。


下雨时,雨水会导致地面形成水坑,土壤中的这些有机物便能渗入水坑中,并在水面上形成一层薄膜。随着降雨持续,水坑会形成极其微小的气泡,将一些有机物和微小的泥土颗粒带入空气中。研究发现,即使空气中土臭素和2-甲基异茨醇的浓度极低,人类和许多动物都能闻到它们的味道。但是,当我们在饮用水和食物中闻到这些分子的气味时,往往会产生恶心的反应,因为这意味着食物和水已经被大量微生物污染了。但对于在土壤中生存的一些小型动物来说,这种气味却是十分有益。


弹尾目动物(Collembola,一种小型节肢动物,俗称跳虫)能以土壤中的放线菌和真菌为食。它们像天线一样的两只触角,能捕捉到空气中的这些气味分子,进而确定这些微生物的位置。对跳虫来说,这些气味分子更像是食物的香味。最新一项发表在《自然-微生物学》上的文章中,来自瑞士等国的注册新宝GG家试图研究这些泥土味的小分子化合物在生态环境中的作用。最终,他们发现那些被气味吸引、想要寻找食物的跳虫,或是中了一些放线菌的“陷阱”。


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图片来源:维基百科


传播子代的媒介


在实验中,研究人员利用气相色谱分析了一种放线菌——天蓝色链霉菌(Streptomyces coelicolor)产生的挥发性有机化合物。随后,他们观察了跳虫对这些小分子化合物的反应,发现不仅仅是土臭素,合成土臭素的中间产物germacradienol以及副产物大根香叶烯-D,均能引起跳虫触角上的电生理反应。此外,天蓝色链霉菌作为诱饵的野外陷阱对跳虫具有明显的吸引力,但对于蜘蛛和其他昆虫并没有明显的影响。


链霉菌是土壤中最常见的放线菌。几乎所有链霉菌都含有产生土臭素的基因,近一半的链霉菌含有能合成2-甲基异茨醇的基因。链霉菌进入繁殖期时,会产生大量的子代孢子。研究人员发现,链霉菌产生这些挥发性化合物时,恰好是它们产生的孢子开始扩散的时期。因此,当被土臭素和2-甲基异茨醇吸引的跳虫前来食用这些链霉菌时,便在无意间充当了帮助孢子扩散的媒介。


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链霉菌的孢子粘附在跳虫体表


由于跳尾的体表具有抗粘性的皮肤,并覆盖了疏水性的蜡质层,因此绝大多数细菌无法吸附在跳虫的表面。但让研究人员惊讶的是,他们在接触链霉菌的跳虫体表,发现了1万~10万个链霉菌孢子。通过扫描电子显微镜,他们发现这些孢子主要粘附在跳虫的刚毛上。


除了体表能帮助传播孢子外,跳虫在摄食链霉菌后产生的排泄物,也能促进链霉菌孢子的传播。研究人员进一步收集了洗去体表附着孢子的跳虫的排泄物。他们发现,70.8%的跳虫粪便颗粒都含有活的链霉菌孢子。这一发现也证实,链霉菌虽然被跳虫摄入,但它们的孢子仍能在跳虫的肠道中存活,并进行再次传播。



特殊的“互利”关系


一些研究证实,链霉菌能产生多种对无脊椎动物有害的代谢产物。因此,当土壤中的其他动物,如秀丽隐杆线虫也能感知到这些泥土味的小分子时,它们一般会尝试逃走,避免食用这些对它们来说“有毒”的链霉菌。此外,果蝇也会对土臭素产生强烈的厌恶感,避免了被链霉菌的孢子污染和食用潜在的有毒食物。


但有趣的是,即使以链霉菌作为唯一的食物来源,跳虫却不会“中毒”。研究人员发现,跳虫的基因组含有多个解毒机制相关的基因簇,因此它们能暴露在含有各种有毒物质的土壤中,并食用这些产生毒素的链霉菌。而链霉菌产生的多种抗生素,还能帮助跳虫杀死体内的病原体。考虑到跳虫和链霉菌在土壤中均具有很高的丰富度,研究人员推测这两类生物在很久之前,就形成了这种特殊的“互利”的关系。


实际上,许多在人类看来很诗意很自然的感受,如小鸟的叫声和花朵的清香,从生物学和演化角度来看,更像是这些生物为了繁殖而产生的各种特征性行为。因此,当再一次在空气中闻到泥土味时,我们可能不仅会认为这是一种清新的感受,更想到这是土壤中的生物演化出的、绝佳的繁殖策略。


原始论文:

https://www.nature.com/articles/s41564-020-0697-x

参考链接:

https://www.sciencealert.com/that-rain-smell-turns-out-we-re-smelling-the-circle-of-life