土臭素是一種以土壤爲基礎的化合物，它賦予了春天特有的令人回味的泥土氣息。 最好是在最近的降雨之後或者挖掘的時候。 人類的鼻子對這種化合物非常敏感，可以檢測到萬億分之一的濃度。 換句話說，我們能比鲨魚更好地感受到土臭素。
但是爲什麽它會存在，這種氣味已經在地球上散發了將近5億年的時間？ 瑞典和英國科學家的最新研究幫助解釋了其中的原因。
根據發表在《自然微生物學》上的研究，秘密在于土壤細菌鏈黴菌和原始的六足生物跳蟲(彈尾蟲)之間的相互關系。
鏈黴菌是一種全球重要的細菌，它能産生一系列有機化合物，包括用來擊退土壤中敵人的化學武器。 這些已被開發用于人類使用的一些世界上最有效的抗生素。
它們還産生土臭素和一系列其他揮發性有機化合物(VOCs)。 鏈黴菌作爲抗生素産生的分子種類大不相同，但毫無例外，它們都會産生土臭素。
該研究報告的作者之一、約翰英納斯中心的馬克 · 巴特納教授解釋說: “他們都制造出土臭素這一事實表明，土臭素對細菌具有選擇性優勢，否則他們不會這麽做。
“因此，我們懷疑它們在向什麽東西發出信號，最明顯的可能是一些動物或昆蟲，它們可能有助于傳播鏈黴菌孢子。
爲了找出土臭素的氣味可能吸引什麽，瑞典的研究人員領導了這項合作，他們設置了一個以鏈黴菌爲誘餌的陷阱網絡。 其他人則用控制物質作誘餌。
實驗表明，跳蟲被鏈黴菌誘餌所吸引。 在實驗室進行的進一步對照實驗中，我們每隔20分鍾將跳蟲一只一只地插入 y 型管中，以避免群體反應，觀察它們是否跟隨土臭素和其他揮發性有機化合物的氣味。
最後，研究小組使用了一種稱爲觸角電位術的方法，該方法將微小的電極插入1.5毫米長的彈尾蟲的觸角中，觀察它們對一系列分子的反應。
所有這些實驗加在一起形成了一個清晰的觀察結果: 跳蟲被強烈地吸引到土臭素和另一種具有泥土氣味的化合物，這種化合物由鏈黴菌産生，稱爲2-甲基異莰醇。
但是爲什麽這種關系會在鏈黴菌屬到達地球的5億年間發生演變，大約在彈尾目與昆蟲分離的同一時間？
研究發現，土臭素和2-MIB 是一種化學信號，可以將彈尾菌引向鏈黴菌，作爲一種特殊的食物來源——它們可以殺死線蟲和果蠅等其他生物——但彈尾菌可以承受，因爲它們有一組酶，可以對鏈黴菌産生的抗生素進行解毒。
作爲回報，跳蟲有助于通過兩種方式傳播鏈黴菌孢子: 通過排便和通過分布孢子粘附在他們的身體上。 這項研究發現，這些孢子通過彈尾菌腸道存活下來，形成了 Streptomyces 新的菌落。
Buttner 教授解釋說: “這是互利的。 彈尾蟲吃掉鏈黴菌，所以土臭素吸引它們到一個有價值的食物來源。 而且，跳蟲分布的孢子，都粘在他們的身體和糞便中，這是充滿了可行的孢子，所以鏈黴菌得以分散。 這類似于鳥類吃植物的果實。 他們得到食物，但也分發種子，這有利于植物。”
掃描電子顯微鏡的圖片也顯示，彈尾蟲的身體被鏈黴菌孢子所覆蓋—- 兩種生物都是疏水的，因此覆蓋鏈黴菌孢子的疏水鞘附著在覆蓋彈尾蟲的防水蠟層上。
基因組分析完成了這幅圖，揭示了在 Streptomyces 制造土臭素的基因受控于控制孢子形成的相同的調節因子。
這一機制使土臭素和2-MIB 的釋放與孢子産生時菌落發育的最後階段相協調。
“這些發現解釋了之前報道的土臭素生産和 Streptomyces 孢子形成之間的相關性，” Buttner 教授解釋說
“我們過去認爲，鏈黴菌的孢子是通過風和水傳播的，但在土壤的小空間裏，風和水幾乎沒有發揮作用的空間。 所以，這些小的原始動物在完成鏈黴菌的生命周期中變得非常重要，鏈黴菌是科學上已知的最重要的抗生素來源之一，”他補充說。
所以，下次你在樹林裏散步或者在花園裏挖掘時，注意到春天的氣息時，不妨想想跳蟲和鏈黴菌在下面的土壤裏辛勤勞作的樣子; 這是一個已經存在了4.5億年的化學交流的例子。
文獻來源:
More information: Paul G. Becher et al. Developmentally regulated volatiles geosmin and 2-methylisoborneol attract a soil arthropod to Streptomyces bacteria promoting spore dispersal, Nature Microbiology (2020). DOI: 10.1038/s41564-020-0697-x
新聞報道：
https://phys.org/news/2020-04-unearths-science.html
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