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毒蘑菇“毒素合成”背后的秘密

来源:中国科学报 2018-09-06 08:36

 

 

野生蘑菇可能含有毒素不能乱吃已经成为常识,而世界上最毒的蘑菇隐藏于鹅膏、盔孢伞和环柄菇三个属中。事实上,早在一百多年前人们就已发现,上述三个属中的剧毒蘑菇之间的亲缘关系较远,分别隶属分类学中三个不同的科,但却都能合成同一类毒素:鹅膏毒肽。但是,“鹅膏毒肽生产线”如何进化而来一直是个谜题。

近日,中科院昆明植物所东亚植物多样性与生物地理学重点实验室真菌地衣多样性与适应性进化团队揭开了谜底,合成“鹅膏毒肽”的机制大大出乎想象。中科院昆明植物所副研究员罗宏告诉《中国科学报》记者:“令人毛骨悚然的鹅膏毒肽并非这些蘑菇‘原创’,而是从一个无亲缘关系的古老蘑菇那里‘借’来的。”

“草船借箭”生产毒素

鹅膏在科学研究上有着重要贡献,某些可食用鹅膏和剧毒鹅膏在外观上极其相似,难以区分,是造成中毒事件的重要原因。

与青霉生产青霉素一样,鹅膏也有多个基因组成“毒素生产线”,用于合成最毒的蘑菇毒素“鹅膏毒肽”。毒素对蘑菇非常有用,可以保护蘑菇不受动物的伤害,这样它的种子才能成熟并传播。居住在同一环境中的生物,可以直接交换基因和DNA,这一过程称作基因水平转移。人体中有很多DNA序列来自病毒,也是基因水平转移导致的。

“这些剧毒蘑菇正是借助这一方法,将对它们有利的毒素基因‘山寨’了一份,加入到自己的基因中去,就好比‘草船借箭’,瞬间就将自己武装了起来。其他生物也许要花费几万年才能进化来的技能,这些蘑菇则得来全不费工夫。”罗宏说。

研究还发现,“借箭”是从环柄菇到盔孢伞再到鹅膏分步骤实现的。鹅膏虽然最后才获得这一毒素合成“秘方”,但却通过基因改良进化出了合成新毒素的能力,因此其毒性超过了盔孢伞和环柄菇,成了当之无愧的“毒王”,90%蘑菇中毒致死事件都与它有关。

一波三折的探索之旅

罗宏告诉记者,鹅膏毒素合成机制的发现是近八九年的事情。“一开始大家认为所有的真菌环肽都是通过非核糖体肽合成途径完成的,不是由基因直接编码,而是先由生物体合成巨大的蛋白和酶,再将游离的氨基酸拼接在一起,但实验证明这个思路在鹅膏中行不通。”罗宏说。

正当科研走入了“死胡同”,基因组测序开辟了新的方向。罗宏表示,基因组测序出来后,科研人员并没有找到原先设想的酶,“这时我们才意识到,鹅膏环肽的合成途径可能是基因直接编码的”。

研究思路确定后,罗宏和研究团队花了十年的时间,从不同角度和方法研究相关的科学问题。这篇解析鹅膏毒肽演化机制的论文,在国际上首次报道了“鹅膏毒肽生产线”的演化历史。

罗宏告诉记者,鹅膏、盔孢伞和环柄菇属蘑菇的新鲜样品很难采集,大多数实验室都无法同时收集这三类蘑菇,但是昆明植物所在此方面有着得天独厚的优势。

“环柄菇很难采,它的生长有严格的纬度、温度、海拔要求,例如内蒙古、新疆、甘肃这样的北方地区才有生长。采集这些剧毒蘑菇时,我们的学生有时在生长地蹲点好几周,才找到了样品。”罗宏说。

罗宏在实验中会经常处理剧毒蘑菇。他说:“实验过程中不慎少量吞食剧毒蘑菇并不会致命,最危险的是提取毒素的时候会使用一些增加皮肤通透性的试剂,假如试剂沾到皮肤,再接触了毒素,毒素就会以几十倍的速度快速进入人体。”

即使面临种种危险,研究团队依然在科研上坚守初心,并不断进行毒蘑菇科普工作。“头上戴帽、腰间系裙、脚上还穿鞋的蘑菇不要吃”就是针对鹅膏属剧毒种的总结提炼。

蘑菇中毒难以防控,患者常常也并不知道自己误食了何种毒蘑菇,临床诊断往往也会出现误诊现象。对此,罗宏说:“从吃完蘑菇到毒发,中间有12个小时假愈期。在伤害没有发生的时候,可以通过大量输液进行补水,保护肝脏和肾脏,同时稀释并代谢毒素。鹅膏毒素高危地区,一定要经常备用护肝急救药品,比如奶蓟草保健品,及时使用可以显着缓和病情。”

不断揭示鹅膏毒肽生态功能

之前的研究已经证实,剧毒鹅膏大概在恐龙时代就已经出现,可以推测“借”基因给鹅膏的古老物种存在的时间更早。据推测,最古老的产鹅膏毒肽的蘑菇在进化的历史长河中已经消失了,但这一“毒素生产线”在鹅膏、盔孢伞和环柄菇中得以保留,并在后代中传递下去,形成独特的进化机制,帮助其适应了环境、生存并繁衍下去。

人类自古就有采集蘑菇的习俗,人口增加等因素导致这类活动日益频繁,对于蘑菇生存的威胁与日俱增。“这也许无形中形成了一种自然选择,加强了剧毒蘑菇的生存与竞争能力,这可能是导致近年来剧毒鹅膏入侵多地,造成中毒事件频发的一个重要原因。”罗宏说。

鹅膏研究中人们早已发现:鹅膏合成的环肽并不都是毒素,其中有一个还是“抗毒素”,可以抵消毒素的损伤,保护生物体。

事实上,鹅膏属蘑菇在形成剧毒的这一支之前,种类并不多。但当它与树木共生产生毒素之后,迅速繁衍了一系列新种。

“这是爆炸性的增长,我们猜想一定与新的环肽有关系。为了提高生存能力,它进行了功能细分,不仅要打败微生物,还要产生信号分子、提供抗生素,因此鹅膏毒肽的生态功能还要不断进行研究才能揭秘。”罗宏说。(生物谷Bioon.com)

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