研究人员发现真菌的进化临界点

科学家们在真菌的进化中发现了一个“临界点”，该临界点会抑制真菌的生长并塑造其形状。发表在《细胞报告》杂志上的研究结果表明，环境因素的微小变化可以如何导致进化结果的巨大变化。

真菌是大自然伟大的堆肥者。它们在森林地面上等待，以倒下的树木和秋天的树叶为食，将这些植物的必需营养物质释放回地球。

尽管真菌常常让人想起蘑菇帽，但真菌也有地下“根”，称为菌丝体。菌丝体由数千个相互连接的微小指状细胞(称为菌丝)组成，这些细胞生长成巨大的网络。菌丝从尖端生长，穿过土壤。为此，它们会自我充气，类似于用于制作气球动物的长气球。

它们的细长形状使菌丝能够定位并消耗土壤中的养分。但并非所有菌丝的形状都相同：有些具有圆形尖端，而另一些则具有尖形。水霉菌(引起农作物枯萎病的真菌类病原体)的菌丝特别尖。

“生物学的一个主要挑战是确定决定特定生物体形状或形式的特定进化因素，”纽约大学生物学助理教授、该研究的资深作者恩里克·罗哈斯(Enrique Rojas)说。

为了了解菌丝形状不同的原因，罗哈斯和他的同事结合理论和实验来研究自然界中的真菌和水霉菌。他们首先采用基于物理的膨胀尖端生长模型来确定菌丝的所有可能形状。令人惊讶的是，自然界中发现的实际菌丝形状仅呈现出可能形状的一小部分。

研究人员假设，在自然界中观察到的有限形状反映了“适者生存”，而在真实真菌中未观察到的许多可能形状，由于某种原因，是较弱的进化拒绝。为了探索这个想法，他们检查了不同形状的菌丝的生长速度，以创建菌丝的适应性景观。

纽约大学生物系博士生、该研究的主要作者马克西姆·奥海威 (Maxim Ohairwe) 表示：“我们灵光一现，意识到菌丝的形状与其快速生长的能力密切相关。”

适应度景观就像一张可视化有机体进化的地形图：每个物种都通过测试其基因中的随机突变是否会增加其生长速度或适应度来漫游其适应度景观。一个物种只有在新的突变降低其适应度时(即处于适应度峰值时)才会停止其不安的徘徊。

然而，罗哈斯的团队发现，健身景观可以比峰谷系统丰富得多。事实上，他们发现菌丝的适宜景观包含一个悬垂的悬崖或临界点，这成为进化的障碍，强烈限制了真菌菌丝的形状。因此，他们预测形状接近临界点边缘的菌丝特别容易受到小的环境、化学或遗传变化的影响。

研究人员通过用少量影响菌丝生长的化学物质处理接近临界点的真菌来测试他们的预测。他们使用了一种可以降低菌丝内压力的化学物质，另一种来自海绵的化学物质可以阻止菌丝将细胞成分输送到细胞尖端的能力。两种处理方法都产生了同样显着的效果：菌丝伸长得更慢，并且具有自然界中未发现的奇怪的小块形状。

“我们的发现解释了一个巨大、多样且重要的物种群体中菌丝形状的多样性，”罗哈斯说。 “更广泛地说，它们还展示了一个重要的新进化原理：适应度景观可能具有不稳定性或临界点，这对复杂的特征(例如生物形态)施加了严格的限制。”

研究人员认为，他们的结果对于我们理解许多生态和进化系统具有重要意义。例如，那些进化受到临界点影响的物种可能最容易受到气候变化引起的温度逐渐升高的影响。他们的发现还可以通过识别与进化临界点相关的生长脆弱性来帮助开发针对致病真菌的新型抗菌药物。

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