引言
你可能听说过白色的面包霉，它是一种常见的导致食品变质的霉菌。但你知道吗，还有一种橙色的面包霉，它不仅能在面包上生长，还能在火灾后的植物上生长，甚至能在X光下生长。这种霉菌就是粗糙脉孢霉（Neurospora crassa），它虽对人体无害，却很容易影响其他大型食用真菌的繁殖，是食用真菌培育过程中重点防治的对象。然而，它繁殖速度快的特点也让它成为生物学研究重要的模式生物，为人类揭示了许多遗传学和分子生物学的奥秘，让我们一起走近这一神奇的微生物吧。
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粗糙脉孢霉是什么？
粗糙脉孢霉最早是在1843年被报道，当时它作为一种污染物出现在法国的面包房中。粗糙脉孢霉，拉丁学名Neurospora crassa，也叫红霉菌、红娥子、红面包霉等。它在分类学上属于子囊菌亚门，粪壳霉目，粪壳霉科，是一种低等的真核生物。
它的外形是一团橘红色的绒毛状或棉絮状的菌丝，上面挂着一串串的卵形或近球形的分生孢子。它广泛分布于自然界土壤中和禾本料植物上，尤其在玉米芯、棉籽壳上极易生长。它的分生孢子在空气中到处漂浮，四处传播。
由于脉孢霉在30℃左右生长迅速，而大型食用菌菌种的生长温度也多为30℃左右。因此，它是食用菌菌种培育期间危害最严重的一种病害真菌。
图1 | 香菇菌袋被粗糙脉孢霉感染
图2 | 粗糙脉孢霉培养在斜面培养基中，产生了大量的橙色粉状分生孢子，图源：参考文献[1]
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粗糙脉孢霉的神奇之处
粗糙脉孢霉之所以能够引起科学家的注意，是因为它本身是一种非常神奇的存在体，它有着自己独有的顽强和个性，让我们来看看吧。
• 粗糙脉孢霉可以在火灾后迅速占领新的领地。这是因为它休眠的分生孢子可以在高温下存活并被激活，且可以利用火灾后留下的灰烬作为营养来源[1]。
• 1927年被正式命名为Neurospora crassa。这个名字来源于希腊语的neuron（神经）和spora（孢子），意思是“神经状的孢子”。这是因为这种霉菌在显微镜下观察时，其分生孢子呈现出一种类似神经元突触的结构。这个名字也反映了这种霉菌具有复杂的细胞结构和功能[2]。
图3 | 粗糙脉孢霉的分生孢子的扫描电镜图，图源：Neurospora Basic Cell Structure (fgsc.net)
• 粗糙脉孢霉可以“自杀”。当粗糙脉孢霉遇到环境压力或者营养不足时，它会启动一种叫做程序性细胞死亡（PCD）的机制，让部分细胞自我毁灭，并且释放营养给其他细胞，以保护整个菌体[3]。
• 粗糙脉孢霉可以“变性”。粗糙脉孢霉有两种配型，A和a，它们可以互相交配，但是同一配型的不能交配。然而，有时候，粗糙脉孢霉会发生一种叫做配型转换的现象，就是它的配型会在生长过程中发生改变，从A变成a，或者从a变成A。这样，它就可以和原来不能交配的个体交配了[1]。
• 粗糙脉孢霉可以“记忆”。粗糙脉孢霉有一种叫做RIP（重复诱导点突变）的机制，可以抑制重复序列的表达。当粗糙脉孢霉遇到一个新的重复序列时，它会在这个序列上引入一些突变，使之失活。这样，下一代的粗糙脉孢霉就不会再表达这个序列了。这就相当于粗糙脉孢霉对这个序列产生了一个特有的“记忆”，并且可以遗传给后代[4]。
• 粗糙脉孢霉的子囊（ascus）是整个生命周期中最大的细胞;它是瞬时二倍体核经历减数分裂和减数分裂后有丝分裂的地方。8个单倍体细胞核随后被隔离成8个线性有序的子囊孢子（ascospores），其中深色子囊孢子的子囊比浅色子囊孢子的子囊更成熟[5]。
图4 | 粗糙脉孢霉的子囊及其中八个线性排列的子囊孢子，图源：参考文献[1]
粗糙脉孢霉与大肠杆菌、酿酒酵母
之间的恩怨
粗糙脉孢霉的一些特性，如营养需求量极低、生长速度极快(~ 3mm /h)、生命周期短以及单倍体遗传，使其成为孟德尔遗传研究中果蝇的一个极有吸引力的替代品，并在20世纪三四十年代，被广泛应用于生物化学与遗传学的研究。
然而不久之后，人们的兴趣转向了一种新的微生物，即革兰氏阴性细菌大肠杆菌。许多关于粗糙脉孢霉基因作用的早期工作在这种细菌中得到了重复和进一步的支持。在大肠杆菌中发现了基因重组的特征，并且由于大肠杆菌培养过程更简单、繁殖周期更短，在20世纪50年代，大肠杆菌迅速被用作生物化学和遗传学研究的模式生物。
虽然大肠杆菌是解释简单代谢反应和线性生化途径的良好模型，但这种微生物不能作为更复杂的真核生物系统的模型。因此，粗糙脉孢霉作为模式生物的研究方向转变为真核特异性遗传学，包括线粒体遗传、减数分裂重组、代谢途径调节等。然而，粗糙脉孢霉与其他模式生物的竞争还没有结束。
在20世纪60年代和70年代，酿酒酵母因其易于培养、繁殖速度快、以及稳定的单倍体和二倍体转换过程，受到许多研究小组的青睐。在此期间，酿酒酵母的研究迅速发展，产生了一系列方法和技术，促进了生物化学、细胞和分子生物学以及遗传学的巨大进步。
再一次，粗糙脉孢霉作为模式生物的研究不得不重新进行定位。从进化角度来讲，粗糙脉孢霉比单细胞的酿酒酵母要高等的多。
因此，多细胞组成的粗糙脉孢霉的研究重新聚焦于复杂的生物学过程，包括细胞发育和分化、基因沉默和表观遗传学、昼夜节律和生物质能源等[1,4]，成为研究多细胞真核生物的良好模型。
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粗糙脉孢霉作为模式生物的
生物学优势
你可能会觉得这种真菌很普通，没什么特别之处，但其实它在生物学领域有着非凡的地位，被誉为“模式生物”的代表之一。
什么是模式生物呢？
简单来说，就是一些被广泛用于科学研究的生物，它们具有一些共同的特点，比如生长容易、遗传简单、基因组已知、实验方法成熟等。通过对模式生物的研究，我们可以揭示许多普遍适用于其他生物的重要原理和规律。比如大家都知道的果蝇、斑马鱼、秀丽隐杆线虫、拟南芥、酵母菌、小鼠等，都是常见的模式生物。
图5 | 常见模式生物，图源：Small Model Organisms - Bionomous
那么粗糙脉孢霉为什么能成为模式生物呢？主要有以下几个原因：
首先，它有着简单而清晰的生命周期，可以在实验室中轻松培养和操作。它有两种世代：无性世代和有性世代。无性世代是通过分生孢子进行无性繁殖，形成单倍体菌丝体。有性世代是通过两个相反配型（A型和a型）的单倍体菌丝体进行交配和减数分裂，形成四倍体子囊果。子囊果中含有八个单倍体子囊孢子，其中四个是A型，四个是a型。这样就可以方便地进行遗传分析和遗传杂交实验[1]。
其次，它有着完整而紧凑的基因组，可以进行全面而精确的基因定位和功能鉴定。它有七条染色体，其中六条是常染色体，一条是性染色体。它的基因组大小约为43Mb，含有约1万个基因。它的基因组序列已经在2003年完成并发表在《自然》杂志上。并且几乎所有非致死基因的基因敲除菌株构建工作已经完成，极大地推进了丝状真菌未知基因的功能研究。
最后，它有着丰富而多样的遗传变异，可以进行深入而广泛的遗传研究和应用。它可以通过自然或人为的方式产生各种类型的遗传变异，包括点突变、插入突变、缺失突变、重复序列诱导的DNA点突变（RIP）、转座子插入、染色体重排等。这些遗传变异可以影响它的表型和生理特性，从而为研究基因与表型之间的关系提供了丰富的材料[6]。
图6 | 粗糙脉孢霉的生命周期。粗糙脉孢霉是一种雌雄异体的子囊菌，有鲜明的的有性生殖周期和无性生殖周期。图源：参考文献[7]
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粗糙脉孢霉在生物学研究中的
科学贡献
正是由于这些优势，粗糙脉孢霉在20世纪中叶就开始被用于分子生物学的研究，为人类解决了许多基本而又关键的科学问题。其中最著名的就是“一个基因一酶假说”，这是由比德尔（George Wells Beadle）和塔图姆（Edward Lawrie Tatum）两位科学家在1941年提出的，他们利用X射线照射粗糙脉孢霉，使其产生突变，然后观察其生化代谢途径的变化，从而证明了基因和蛋白质之间的关系，这一发现奠定了分子生物学的基础，开启了遗传学的新纪元，他们因此获得了1958年诺贝尔生理学或医学奖[8]。
实际上Beadle和Tatum最初并不打算使用粗糙脉孢霉作为他们实验的对象，而是想使用果蝇。但是，由于当时果蝇实验室的空间不足，他们被迫寻找其他替代品。他们听说了Lindegren对粗糙脉孢霉的工作，并决定尝试一下。结果，他们提出了“一个基因，一个酶”的假说，并因此赢得了诺贝尔奖[1]。
粗糙脉孢霉的后续历史发展包括在20世纪50年代，当时Horowitz利用它进行了反向遗传学的研究，揭示了一些代谢途径的演化规律；
在20世纪60年代，当时Perkins开始了系统地收集野生菌株的工作，促进了它在群体遗传学和进化生物学方面的应用；
在20世纪70年代，当时Feldman利用它进行了生物钟的研究，发现了一些控制昼夜节律的基因和机制；
在20世纪80年代，当时Selker等人利用它进行了表观遗传学的研究，发现了一些DNA甲基化和影响基因沉默的因素；
20世纪90年代，Cogoni等人陆续发现了粗糙脉孢霉中存在着两种由RNAi途径调控的不同时期的基因沉默现象；在21世纪初，当时它的全基因组序列被完成，并开始了全基因组敲除突变体项目[4,6]。
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粗糙脉孢霉的应用
• 粗糙脉孢霉可以产生纤维素酶，能降解纤维素生成纤维二糖和葡萄糖等小分子物质，在饲料添加剂、果蔬饮料等食品加工、中草药提取加工等方面用途较广。
• 粗糙脉孢霉可以合成类胡萝卜素，这是一种具有抗氧化、免疫调节、抗癌等生理活性的功能性色素，在食品、医药、化妆品等领域有广泛的应用前景[9]。
• 粗糙脉孢霉可以利用农产品加工的副产物，比如豆渣、甘蔗渣、啤酒糟、玉米芯、稻草秸秆等作为发酵底物，生产高蛋白饲料或者食品添加剂。
• 粗糙脉孢霉可以合成黑色素，这是一种广泛存在于动植物和微生物中的非均质的类多酚聚合体，黑色素在防紫外线辐射、清除自由基、作为无定形的半导体、以及生物杀虫剂的光保护剂、化妆品、染发剂等方面有着广阔的应用前景。
• 粗糙脉孢霉可以发酵葡萄糖和木糖生产乙醇，不仅可以使生产工艺由两步简化为一步，还能够增加生物质的利用效率，为充分而有效地利用纤维性可再生资源生产生物燃料提供了理想研究模型。
• 粗糙脉孢霉可以合成漆酶，这是一类含铜的多酚氧化酶，它具有广泛的底物作用范围，可以氧化降解单酚、邻苯二酚和对苯二酚在内的多种酚类化合物及其衍生物，也可以氧化降解一些不含酚羟基的酚类类似物。在环保、废水处理、纸浆漂白、生物免疫检测等方面有广泛的应用前景，还能能去除酒精中的酚类物质，提高酒类的透明度和质量[10]。
• 随着世界人口的持续增长，传统农业生产的蛋白质将无法满足人们的日常需求，因此利用丝状真菌培养生产可持续的、富含营养的肉类替代品，近年来引起了重大的商业和研究兴趣。
粗糙脉孢霉在发酵食品和分子生物学研究中有着悠久的人类使用历史。对使用粗糙脉孢霉作为动物饲料的研究进行了调查，并没有发现对动物健康造成不利影响。
此外，基因组毒性分析和体外测试没有发现粗糙脉孢霉蛋白质中有任何毒素。并且，营养分析证明了粗糙脉孢霉蛋白质是一种完整蛋白质的良好来源，富含纤维、钾和铁。种种数据表明利用粗糙脉孢霉生产的食品可以普遍被认为是安全的[11]。
图8 | 通过深层发酵和最少加工生产的粗糙脉孢霉菌丝蛋白。A.粗糙脉孢霉菌丝浆B. 清洗、脱水后的粗糙脉孢霉菌丝生物质C.粗糙脉孢霉菌丝蛋白D-F.粗糙脉孢霉菌丝蛋白作为动物蛋白替代品。图源：参考文献[11]
当然，粗糙脉孢霉并不是完美无缺的。它也有一些不太好的地方，比如：
• 它对温度和湿度要求较高，需要在特定的条件下培养和保存。
• 它的分生孢子在空气中到处漂浮，容易污染其他真菌或细菌培养物。小编就有听师兄师姐们说过，毕业一年多的一个师兄，远在海南的实验室培养的细菌被粗糙脉孢霉污染的故事，也可见脉孢霉的生命力有多么顽强。
• 它对食用菌栽培有很大的危害，容易造成食用菌菌种或菌袋报废。
所以，在使用粗糙脉孢霉进行实验或者栽培食用菌时，一定要注意防止交叉污染和控制温湿度。否则，你可能会得不偿失！
结语
可以说，粗糙脉孢霉是分子生物学的一颗明星，它为我们理解生命的本质提供了无数的线索和启示，但同时也是食用菌栽培的一大危害。我们既要欣赏它的优点，也要警惕它的缺点。希望这篇文章能让你对粗糙脉孢霉有一个全面而均衡的认识。如果你喜欢这篇文章，请点赞和分享，让更多的人了解粗糙脉孢霉的奇妙之旅。谢谢你的阅读，我们下期再见！
参考文献
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END
