微生物的研究指向了保护微生物的新工具

DNA技术的进步使得生物学家能够识别一个物种及其周围的每一个生物体。科学家们表示,这可能会对从保护两栖动物免受致命真菌感染到将物种重新引入野外等方方面面产生深远的影响。

几年前,当爬虫学家里德·哈里斯(Reid Harris)在为一种常见的森林蝾螈的产卵行为而困惑时,他开始思考,他是否可能在寻找一种新的解决方案,来应对当今最具破坏性的全球流行病之一。当时没有人知道,四趾蝾螈即将成为微生物保护生物学这一新兴领域的先锋物种,这是一种理解和保护野生动物的截然不同的方式。

哈里斯研究的是生活在从密歇根州到佛罗里达州森林池塘周围落叶层中的蝾螈。并不是所有的雌鸟都照顾它们的巢穴,但那些确实有一种奇怪的方式在卵间穿梭。

2008年,哈里斯和弗吉尼亚州詹姆斯麦迪逊大学的其他研究人员证明了这一点这种编织行为是为了给卵接种从雌性皮肤上提取的抗真菌细菌——接受这种形式的益生菌母婴护理的女性在抵御普通虫卵真菌感染时的存活率要高得多。

在三年前的一个爬虫学会议上,哈里斯曾提出,也许可以识别出其他两栖动物皮肤上自然存在的抗真菌细菌,并“生物增强”它们作为一种益生菌保护。他认为这种方法不仅可以对抗虫卵真菌,还可以对抗壶菌,壶菌导致了世界范围内两栖动物物种的大量减少。这种真菌在过去的二十年里迅速蔓延到世界各地现在影响了500多种两栖动物在52个国家。壶菌的孢子壶菌(或Bd),侵入两栖动物的皮肤,阻碍正常呼吸,导致电解质失衡,脑肿胀,死亡。

一项研究发现,对人类微生物群的研究“可以用于应对保护方面的挑战”。

壶菌已经将至少两个物种推向灭绝的边缘(哥斯达黎加云雾林中的金蟾蜍和澳大利亚的胃育蛙)。尽管科学家们对这种说法持谨慎态度,但这场大流行可能已经造成了多达100次的物种灭绝,悲观的爬虫学家预测还会有更多的物种灭绝。

在任何一群不那么绝望的生物学家中,哈里斯的提议可能会让他们略微翻白眼。例如,当被问及用微生物来保护野外和动物园里的动物的想法时,本文采访的一位动物园管理员评论说,“如果不采取某种生物化学方法”,自然资源保护主义者已经有很多事情要担心了。

但就在过去的十年里,DNA测序技术的快速进步已经使识别生活在一个物种内部和周围的每一种细菌、真菌和病毒成为可能,而且在经济上也是可行的。(过去,生物学家只能研究一小部分能在有盖培养皿中培养的微生物。)到目前为止,研究人员主要将这项新技术应用于人类的微生物群落或微生物组,而这项研究已经在我们对自己的医疗保健的思考上产生了巨大的转变。旧的微生物理论认为微生物是人类致命的敌人,而现在看来它们也是我们必不可少的盟友,它们既是疾病的病因,也是预防疾病的关键。

但是,一个由生物学家组成的团队说,“专业的保护团体似乎对这些发展基本一无所知。去年在杂志上提到的保护生物学。这篇文章提出“用于研究人类微生物群的概念和方法可以应用于应对保护方面的挑战”——例如,理解为什么同样如此幽门螺杆菌在野外是无害的,但却会导致动物园里的猎豹患上胃炎,或者想办法预防困扰着圈养狨猴和绢毛猴的callrichid消耗综合症。

黄腿青蛙
国王峡谷公园进行了一项野外试验,试图保护山地黄腿蛙免受壶菌的侵害。由旧金山州立大学Vance vredenburg提供

哈里斯关于两栖动物物种的想法为旧金山州立大学的Vance Vredenburg点亮了一盏灯。他很快与哈里斯建立了合作关系,在内华达山脉测试益生菌的想法。在那里,Vredenburg一直无助地看着壶菌席卷而过,杀死了一个又一个的山黄腿蛙。

黄腿蛙的皮肤被证明携带着与哈里斯在美国东部的蝾螈上发现的相同的抗真菌细菌,尽管不足以保护它们。研究人员开始在实验室里酿造这些东西,制作成一桶桶昏暗的紫色细菌汤。(Janthinobacterium lividum因其蓝色而得名。)然后,他们将实验室饲养的黄腿青蛙浸泡在这种液体中,等待两天后,益生菌在皮肤上形成,他们将青蛙暴露在壶菌中。在没有接受保护浴的一组中,超过80%的人很快死亡。在接受抗真菌细菌治疗的一组中,没有人这样做。

Vredenburg已经在考虑在红杉和国王峡谷国家公园11000英尺的一个池塘上进行微生物保护的实地测试,这个池塘是蛙类最后的避难所之一,壶菌预计很快就会到达那里。

保护生物学家利用微生物来对抗大流行的想法可能听起来并不那么令人惊讶。最近流行媒体对微生物群的报道让人觉得这是医学界发现的一个大胆的新世界。但耶鲁大学的微生物学家说,微生物组研究实际上起源于生态社区乔现在。她说,生态学家至少在130年前就开始思考微生物的有益作用,当时他们发现了细菌在为大豆、花生和其他豆类植物固定氮方面的关键功能。她认为,是医学界借用了生态思维,而不是反过来。

即便如此,对于野生动物科学家来说,微生物保护生物学的想法似乎是一个飞跃,因为这要求他们将自己熟悉的研究动物不仅仅看作生物体,而是看作超生物体——也就是说,作为宿主物种及其必需的细菌、病毒和真菌。它不仅需要考虑基因组,还需要考虑宏基因组。宏基因组是汉德尔斯曼创造的一个术语,指的是宿主物种及其所有微生物同伴的相互作用基因。

现在就说这种观察物种的新方式将如何改变我们对待野生动物的方式还为时过早。

现在说这种观察物种的新方式将如何改变我们对待野生动物的方式还为时过早。但研究报告的主要作者、生物学家肯特·h·雷德福(Kent H. Redford)举例说,了解微生物群可能有助于提高将人工饲养的物种重新引入野外的成功率保护生物学文章,在一次采访中建议。也许“你放回野外的动物园斑马并不是真正的斑马,”他说,因为它缺少来自原生栖息地的某些关键微生物。

例如,从纽约、俄亥俄到密西西比的河流中,一种名叫“火蜥蜴”(hellbenders)的大鲵数量急剧下降。它们现在被圈养在动物园里繁殖,以便重新引进。但另一篇文章称,它们的后代“可能具有非典型和不成熟的微生物群落和幼稚的免疫防御”,正在出版的最新一期生态学通讯。詹姆斯·麦迪逊大学哈里斯实验室的研究人员、该研究的第一作者莫莉·c·布莱茨(Molly C. blletz)写道,接种益生菌可能有助于它们缓解被释放到野外时的压力。

尽管这个想法还没有经过测试,但布莱茨和她的合著者还提出,接种益生菌可能可以预防白鼻综合症,这种综合症已经摧毁了美国东部的蝙蝠种群。他们建议对欧洲蝙蝠进行筛查,看看是否有某种保护性微生物可以部分解释为什么那里的蝙蝠能在感染了白鼻病原体后存活下来,而北美的蝙蝠却会死亡。

研究人员研究了微生物在缅甸蟒蛇的盛宴和饥荒循环中的作用。

其他研究人员也在研究各种野生动物物种的微生物群,只是为了建立一个微生物基线,或者从微生物的角度来看待某个特定的生物过程。例如,在博尔德的科罗拉多大学,研究人员最近比较了科莫多龙有毒口腔细菌与丹佛动物园的圈养动物相比,它们在野外与毒性较小的细菌接触。在同一实验室的另一项研究着眼于微生物的作用在缅甸蟒蛇的盛宴与饥荒循环中。(研究人员利兹·科斯特洛说,为了确定他们是在观察巨蟒自身的微生物,他们首先必须确定巨蟒所吃食物中的微生物特征。这意味着把冷冻的小白鼠放在搅拌机里,将它们液化以供分析。“它看起来像巧克力奶昔,里面有牙齿。”)

而在最近一期的杂志科学美国密歇根州立大学(Michigan State University)的研究人员报告说,他们已经开发出一种技术,通过给一种蚊子接种一种特定的疟疾毒株,来防止这种蚊子获得和传播疟疾沃尔巴克氏体属细菌。同一组成功2011年对类似技术进行了实地测试预防登革热的传播。

万斯·弗莱登堡黄腿蛙
生物学家Vance Vredenburg用棉签检测青蛙的壶菌。由旧金山州立大学Vance vredenburg提供

对于哈里斯的益生菌想法,到目前为止,唯一的实地测试是2010年,国家公园管理局允许Vredenburg在加州的红杉和国王峡谷公园进行试验。为了防止引入陌生的微生物,他在那年7月第一次访问了达西盆地(Dusy Basin),仅在40只青蛙中的一只身上发现了合适的细菌。在接下来的10天里,他将细菌从一个液滴中培养成数百亿个细菌细胞,大约10升的液体。然后他返回给80%的青蛙接种,剩下的不接受治疗作为对照。那年夏天晚些时候,壶菌果然出现了,只有经过处理的青蛙活了下来。

对于Vredenburg来说,第二年冬天的恶劣天气和引进物种的捕食让最初的成功失去了一些满足感。只有几只黄腿青蛙在达西盆地存活了下来。当另一个研究人员随后试图接种实验室饲养的巴拿马金蛙用同一种细菌对抗壶菌,j . lividum,实验彻底失败了。在哈里斯看来,这仅仅表明有必要进行更仔细的初步研究,以确定适合特定物种和栖息地的细菌。

这也提醒了我们,在植物、人类和野生动物身上研究微生物群落所面临的一个更艰巨的挑战:它涉及到许多不同的微生物物种以几乎无穷无尽的方式相互作用。DNA测序现在可以识别所有这些微生物物种。但要理解它们在特定情况下是如何运作的,还有很长的路要走。从我们现在就能让他们做我们想做的事情,并让他们坚持做足够长的时间来做出改变的那一刻起,时间就更长了。

当Vredenburg继续他对黄腿蛙的研究时,哈里斯的目标是马达加斯加澳大利亚以300多种色彩丰富的青蛙而闻名,其中99%的青蛙是地球上其他地方找不到的。到目前为止,这个非洲东海岸的大岛已经逃脱了壶菌的侵袭。188金宝搏亚洲体育搏彩哈里斯说,这就迫切需要通过研究那里的两栖动物微生物群来做好准备。理想的情况是,研究人员将确定当地的抗真菌细菌,保护多种两栖动物,而不是单一物种。而且因为用手捕捉两栖动物并单独给它们洗澡是不切实际的,研究人员也在努力制定处理整个池塘和湿地的方案。

哈里斯的同事莫莉·布莱茨将于8月前往马达加斯加开始初步工作。