Science论文解读！没有眼睛的线虫通过辨别颜色来指导觅食

2021年3月12日讯/生物谷BIOON/---线虫没有眼睛，也没有看东西所需的吸收光线的分子。然而，在一项新的研究中，来自美国耶鲁大学和麻省理工学院的研究人员发现，它们可以以某种方式感知颜色：它们利用这种能力来评估吞食分泌蓝色毒素的潜在危险细菌的风险。他们确定了两个有助于这种光谱敏感性的基因，并且这两个基因在包括人类在内的许多有机体中都是保守的。相关研究结果发表在2021年3月5日的Science期刊上，论文标题为“C. elegans discriminates colors to guide foraging”。

论文共同作者、麻省理工学院生物学教授H. Robert Horvitz说，“对我来说，一种微小的线虫---既没有眼睛，也没有眼睛用来检测颜色的分子机器---能够识别和避免一种有毒细菌，这部分是基于它的蓝色。作为一名生物学家的乐趣之一就是有机会发现自然界中从未有人想象过的东西。”

待研究的线虫，即秀丽隐杆线虫，只有大约一毫米长。尽管这些线虫身材微小，神经系统简单，但是它们却显示出一系列复杂的行为。它们有嗅觉、味觉、触觉、对温度做出反应，甚至在明亮的蓝光下逃跑或改变它们的进食模式。虽然科学家们曾经认为这些线虫将自己深埋在土壤中，但越来越清楚的是，秀丽隐杆线虫更喜欢地面上的堆肥堆，这样可以暴露在阳光下。因此，线虫可能需要感知光线和颜色的能力。

秀丽隐杆线虫所居住的分解有机物提供了一系列美味的微生物，包括像铜绿假单胞菌这样的细菌，其中铜绿假单胞菌会分泌一种独特的蓝色毒素。此前的研究已表明，实验室中的线虫在铜绿假单胞菌菌苔上进食几个小时，然后开始避开它们的食物--也许是因为这种细菌继续分裂并分泌出更多的彩色毒素。Horvitz实验室博士后研究员、论文第一作者Dipon Ghosh想知道，这些线虫是否在利用独特的颜色来确定它们的食物是否毒性太大而无法食用。

在实验过程中，Ghosh注意到，如果彩色的细菌菌苔沐浴在附近LED灯泡发出的白光中，他培养的线虫更有可能逃离这种细菌菌苔。这一发现本身就令人好奇，但Ghosh想知道蓝色毒素是否也起到了作用。

为了测试这一理论，他首先将蓝色毒素换成了一种无害的同色染料，然后又换成了一种透明的无色毒素。单独而言，这两种替代物都不足以刺激逃离。只有一起使用时才会有反应---这说明这种线虫在同时评估铜绿假单胞菌分泌物的毒性和颜色。再次，这种行为模式只有在LED的白光照射下才会出现。

Ghosh很感兴趣，他想研究是什么原因让蓝色触发了逃离行为。这一次，他使用了两种颜色的LED灯，一种是蓝色，一种是琥珀色，来给周围的光线着色。通过这样做，他可以控制光线波长的比例，而不改变传递给线虫的总能量。此前，光束包含了整个可见光谱，但混合琥珀色灯泡和蓝色灯泡后，Ghosh可以调整短波长蓝光和长波长琥珀光的相对数量。令人惊讶的是，只有当线虫的环境沐浴在具有特定蓝色/琥珀比例的光中时，它们才会逃离细菌菌苔。

Ghosh说，“我们能够明确地表明，线虫并不是以灰度来感知世界，只是简单地评估亮度和黑暗程度。它们实际上是在比较波长的比率，并利用这些信息来做出决定---这完全出乎我们的意料。”

直到Ghosh再次运行他的实验，这次使用各种类型的野生秀丽隐杆线虫，他才意识到他一直使用的流行的实验室虫株与它的近亲相比，实际上对颜色不太敏感。在分析了这些线虫的基因组后，他能够特别确定两个基因（称为jkk-1和lec-3），这两个基因促成了这些颜色依赖性觅食的变化。

尽管这两个基因在包括人类在内的各种有机体中发挥着许多重要功能，但它们都参与了帮助细胞应对破坏性紫外线造成的应激的分子途径。

Ghosh说，“我们已发现，线虫环境中的光的颜色可以影响线虫如何导航世界。但我们的研究表明，除了我们已经确定的这两个基因外，许多基因都可以影响颜色敏感性，我们如今正在探索如何影响。”

洛克菲勒大学教授Leslie Vosshall（未参与这项研究）表示，线虫能感知颜色的概念是“令人震惊的”，展示了大自然的创新。“这些线虫与五颜六色的有毒细菌在昏暗的泥土中滑动。看到并避开它们会很有帮助，所以这些线虫不知为何进化出一种全新的观察方式。”

Vosshall对秀丽隐杆线虫中的哪些细胞有助于分辨光线，以及jkk-1和lec-3基因在介导光感知方面的具体作用感到好奇。她说，“这篇论文和所有重要的论文一样，提出了许多额外的问题。”

Ghosh猜测这些研究结果可能能够推广到除了线虫之外的其他小动物。如果没有别的原因，很明显，光敏感并不总是需要视觉或眼睛。秀丽隐杆线虫看到了光线，如今生物学家也看到了这一点。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

1.D. Dipon Ghosh et al. C. elegans discriminates colors to guide foraging. Science, 2021, doi:10.1126/science.abd3010.

2.Lauren A. Neal et al. Eyeless worms detect color. Science, 2021, doi:10.1126/science.abg5201.

3.Roundworms 'read' wavelengths in the environment to avoid dangerous bacteria that secrete colorful toxins
https://phys.org/news/2021-03-roundworms-wavelengths-environment-dangerous-bacteria.html