皮肤之战:两栖动物携带的细菌能否拯救它们免于灭绝?

共生细菌可能帮助青蛙和其他两栖动物抵御正在全球范围内消灭它们的壶菌瘟疫


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多达全球已知 6260 种两栖动物的三分之一正面临灭绝的危险。主要的杀手——除了持续不断的栖息地破坏之外——是一种被称为壶菌(Batrachochytrium dendrobatidis)的真菌病。现在,加利福尼亚州和弗吉尼亚州的研究人员已经确定,生活在两栖动物皮肤上的共生细菌可以保护它们免受致命的真菌疾病的侵害。今年夏天晚些时候,科学家将收集一些微生物样本,在实验室中培养它们,并使用该产品在加利福尼亚州内华达山脉接种一些青蛙,以观察该方法是否能在野外阻止壶菌。詹姆斯·麦迪逊大学(J.M.U.)的生物学家里德·哈里斯(Reid Harris)在电话采访中说,如果能制定一项管理计划,“创建一个自我传播的系统(来对抗壶菌)将是革命性的”。哈里斯是该研究导致分离和识别该细菌群体的科学家之一。

B. dendrobatidis,或 Bd,一种真菌游动孢子,于 1999 年首次被发现,被认为是全球两栖动物数量下降(包括青蛙和蝾螈)的主要原因。科学家估计,它导致了 200 种物种的灭绝或绝迹,包括自 20 世纪 90 年代中期以来,高山黄腿蛙从内华达山脉的几个流域消失。这两个物种曾经数量众多,现在已经从其历史范围的 93% 中消失。事实上,旧金山州立大学的生物学家万斯·弗雷登堡(Vance Vredenburg)将壶菌的破坏性到来比作人类中艾滋病毒的出现。他认为,就像艾滋病毒一样,这种疾病在过去的某个时候是地方性的,仅限于一个有限的人群。例如,人们知道非洲爪蟾携带 Bd,这种真菌会导致壶菌病(俗称壶菌),但不会因此而死亡。非洲爪蟾曾被用于妊娠试验,于 20 世纪 40 年代被圈养。在它们被现代技术取代后,它们被简单地释放了。现在,美国各地都有非洲爪蟾的野生种群,甚至在旧金山的金门公园国家公园中也有。

但是,在对抗这种致命的两栖动物疾病的斗争中,仍然存在希望。野生的山地黄腿蛙(Rana muscosa)和红背蝾螈(Plethodon cinereus)拥有天然存在的细菌,其代谢物对引起壶菌病的真菌 Bd 有毒。代谢物是活生物体中不断发生的生命支持化学反应的副产物。

在实验室使用从野外采集的卵中人工繁殖的山地黄腿蛙进行的实验中,哈里斯和他的同事们确定,从野生青蛙中培养的细菌Janthinobacterium lividum可以预防壶菌病。

哈里斯发现,如果在感染 Bd 之前用含有J. lividum 的溶液对青蛙进行接种,它们就能存活下来。青蛙实验使用了每毫升 26.25 x 106J. lividum 细胞的初始浓度和每毫升 20 个 Bd 游动孢子的初始浓度。随着为期 20 周的实验的进行,Bd 的数量呈指数级增长,直到它们的种群因细菌的影响而减少。一项类似的蝾螈实验从每毫升 6.7 x 107J. lividum 细胞和相同浓度的 Bd 游动孢子开始。

任何浓度的J. lividum 的存在是决定生存的关键因素。Bd 游动孢子的浓度、J. lividum 的浓度或它们的比率本身都与生存无关。所有未接种的青蛙一旦接触壶菌就全部死亡。似乎最重要的一项因素是 J. lividum 的代谢物紫罗兰菌素的浓度。哈里斯发现,青蛙皮肤上的紫罗兰菌素的含量与J. lividum 的种群密度成正比。蝾螈实验也得出了生存率与紫罗兰菌素浓度之间的直接相关性。J. lividum 产生的紫罗兰菌素量在不同的细菌菌落之间差异很大。在预防壶菌病方面,哈里斯、弗雷登堡及其同事在 2009 年发表在《ISME Journal》(国际微生物生态学会)上的一项研究表明,更多的紫罗兰菌素绝对更好:具有更高浓度的肽的青蛙没有屈服。

由 J.M.U. 生物学系的研究生布里安娜·拉姆(Brianna Lam)在 2009 年发表在《生物保护》杂志上的一项研究的野外结果(以及弗雷登堡和哈里斯于 2008 年发表在《美国微生物学会年会摘要》中的结果)表明,内华达山脉的野生山地黄腿蛙种群的皮肤J. lividum 的含量差异很大。细菌的存在和数量是它们在 Bd 爆发后生存的关键。壶菌出现在缺乏 J. lividum 的池塘中,导致青蛙迅速灭绝。

哈里斯指出,物种之间的这种互惠共生在自然界中无处不在。“例如,在荧光假单胞菌中发现了这种有益的关系,它们可以保护植物根部免受病原真菌的侵害。在固着(或不能移动)的海洋生物中,海莴苣中的附生细菌可以防止结垢,”他指出。

生物强化——获取现有的有益细菌,培养它们,然后将更多的它们添加回生物系统(与食用益生菌酸奶以其据称对人类肠道有益的作用没有什么不同)——是恢复两栖动物种群的关键。

然而,使用 J. lividum 的生物强化方法的真正考验将取决于其在自然界中的安全有效使用。对青蛙来说幸运的是,在国家公园管理局的支持下,在加利福尼亚州内华达山脉的红杉和国王峡谷国家公园开始的工作可能会为生态系统增加微生物力量。弗雷登堡和他的同事们今年夏天正在进行一项测试,该测试涉及将 J. lividum 应用于壶菌刚刚出现的地区的山地黄腿蛙种群。

哈里斯指出,现有的解决壶菌问题的管理工具是有限的。用捕捞网从池塘中收集单个青蛙,并对个体施用抗真菌药物是不可行的。

范德比尔特大学医学中心的微生物学和免疫学系的路易丝·罗林斯-史密斯(Louise Rollins-Smith)说,尽管生物强化可能很有前景,但这是一个必须谨慎进行研究的领域。她指出,生物强化在农业中很常见:“引入苏云金芽孢杆菌来控制毛毛虫。它会影响其他蝴蝶,但它仍然被商业使用。它被认为是安全的——一种‘环境友好’的害虫问题解决方案”——主要是因为它避免了使用化学物质的需要。

她指出,J. lividum 是青蛙皮肤上天然存在的生物。当非本地物种进入天真的种群时,可能会出现意想不到的负面结果——例如,现在危害极大的葛藤(Pueraria lobata),一种原产于日本的豆科植物,在 19 世纪后期被引入美国南部——可能不会以同样的方式适用于解决壶菌问题的生物强化方法。微生物和青蛙已经作为自然界中的天然共生体存在。而且,无论如何,罗林斯-史密斯说,重新引入细菌群落发生变化的青蛙应该首先在位于偏远地区的受保护池塘中进行。

弗雷登堡正在开发一个项目来做到这一点。从三周后开始,他和他的同事将从内华达山脉偏远的杜西盆地地区收集山地黄腿蛙的皮肤细菌:“我们将用皮肤拭子进去,采集样本,培养细菌,在旧金山州立大学的实验室中培养它,然后等待一周,然后再出去接种一群青蛙,”弗雷登堡说。他补充说,由于到目前为止,关于保护的研究仅在实验室中进行,因此不可能推测结果。

哈里斯说:“我们的目标是让科学家增强天然存在的细菌”,以便这些有益的共生体可以传播给更多的青蛙和其他两栖动物。

Erica Rex has written for 大众科学, The New York Times, The Times (UK), The Independent, Salon, The Economist and many other publications. She is a recipient of National Magazine Award for Fiction. She is working on a book about PTSD, depression, and the reintroduction of psychedelic drugs as therapy.

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