从有毒真菌到酱油巨星

大约 9000 年前，大约在人类首次驯化玉米和猪的时候，中国的一些人已经开始驯化真菌。

霉菌就是这样一种真菌 米曲霉后来成为烹饪巨星。通过发酵大豆或大米等原料， 米曲霉 酵母菌帮助我们生产出酱油、清酒和其他几种亚洲传统食品。酵母菌通过分解蛋白质和淀粉，让其他微生物完成发酵，从而生产出酱油、清酒和其他几种亚洲传统食品。

但 米曲霉 并不总是那么好相处。野生霉菌会产生强效毒素，毒害消费者，导致肝脏和其他器官发生癌症。此外，它还是一种破坏性的农业害虫，每年给花生和玉米等农作物造成数百万美元的损失。

到底发生了什么变化？研究正在逐步揭示这种真菌是如何从一种危险的有毒霉菌转变为一种在人造环境中茁壮成长的优质食品生物技术工具的。随着科学家们研究 米曲霉， 他们正在更多地了解微生物驯化的过程——这在很多方面仍然是个谜。

“我们所知道的几乎一切都来自植物和动物，”马萨诸塞大学阿默斯特分校的微生物基因组学家约翰·吉本斯 (John Gibbons) 在谈到驯化时说道。“你可以看到狗和狼、玉米和大刍草之间的差异，但你无法真正看到微生物之间的差异……因为其中大部分是新陈代谢的变化。”

消化大师

米曲霉 属于一个更大的真菌家族，被称为蓝霉菌和绿霉菌。该家族中约 40% 的物种属于该属 曲霉之所以这样命名，是因为其孢子产生结构的细长茎和蓬松尖端类似于圣水洒水器，一些基督教教派使用圣水洒水器。该属有几种 知名成员包括生产有用化学物质（如药物或发酵食品）的有益工业物种，以及 米曲霉 做。

被称为曲霉菌， 米曲霉 是一位蒸煮高手。在酱油生产的第一阶段， 米曲霉 霉菌处理发酵剂成分，通常是大豆和小麦；在清酒生产中，霉菌处理大米。霉菌的消化酶——蛋白酶和淀粉酶——将蛋白质和淀粉分解成更简单的分子，这些分子随后会被酵母发酵。波士顿附近塔夫茨大学的微生物学家本杰明·沃尔夫说，霉菌“闻起来像蘑菇和葡萄柚的美妙混合物，还有一点酸味”。

其他 曲霉 物种是威胁——其中包括， 黄曲霉海德先生 米曲霉 杰基尔博士。 黄曲霉 使 被称为黄曲霉毒素的强效毒素 黄曲霉毒素在人体摄入后，会被肝脏代谢成破坏 DNA 的化合物，并干扰细胞功能。它会感染各种农作物，包括玉米、小麦、木薯、辣椒、花生、大米、芝麻、葵花籽等。无论是在收获前还是收获后，在农作物储存或运输时，它都会污染植物。这些毒素甚至会污染食用受污染饲料的动物的奶。尽管采取了各种控制措施，但偶尔发生的黄曲霉毒素爆发仍会毒害和杀死世界各地的人和宠物。

科学家们早就认识到危险的 黄曲霉 和 食品发酵罐 米曲霉 它们是非常近的亲属——它们的颜色和质地可能完全相同，也可能看起来截然不同，因此很难区分。早期对它们的 DNA 的研究报告了它们惊人的相似性，1998 年对每种真菌的少数基因的研究得出结论： 米曲霉 通过驯化进化 从 黄曲霉。

但 米曲霉 霉菌不会产生黄曲霉毒素，数千年来一直被安全地用作食品发酵剂。现在，科学家已经开始查明导致霉菌代谢发生重大改变的具体调整。

关键基因缺失

科学家们一直热衷于建立基因证据来证明 米曲霉 无法制造黄曲霉毒素，部分原因是他们想确保这种霉菌对发酵食品是安全的，并且会一直安全。多年来，他们记录了这种真菌祖先用来制造毒素的二十多个基因簇中发生了许多大大小小的破坏性变化。

例如，在最近的一项研究中，科学家比较了 米曲霉 14160，来自中国的工业菌株，其基因组 米曲霉 RIB40 菌株于 2005 年进行了测序。在发表于 微生物学前沿 2021 年，研究小组发现，超过一半的 黄曲霉毒素基因簇被删除 在菌株14160中，而菌株RIB40的关键基因出现了多处突变。

但吉本斯表示，从一种菌株到另一种菌株，黄曲霉毒素基因簇中总有一个缺失，这种缺失是持续出现的。吉本斯与当时的研究生凯瑟琳·查孔-巴尔加斯 (Katherine Chacón-Vargas) 一起领导了 2021 年的分析（该小组一直在分析数百种霉菌菌株）。这一发现表明，在某个时候，一种野生的 黄曲霉 霉菌获得了缺失，使其变得无害。此后，其他遗传变化——突变、缺失、其他改变——自由地在黄曲霉毒素基因中积累，因为它们不再被使用。

吉本斯说，驯化可以确保无害特性得以保留。这是因为黄曲霉毒素是霉菌用来杀死其他微生物的一种防御性化合物。由于其他微生物（特别是酵母）是制作酱油或米酒清酒的发酵过程的一部分，因此唯一有效的发酵是那些 曲霉 没有毒素可以杀死酵母。

而且在舒适的驯养环境中，毒素根本不重要。“你一直都有这种非常稳定的食物来源，不再有理由生产防御化学物质，因为每个人都有足够的食物，”吉本斯说。

科学家认为，微生物的驯化过程大致如下：微生物与其他微生物一起生活在野外，环境因素（如温度和湿度）会发生变化（左下）。随着时间的推移，微生物逐渐适应稳定、舒适的食物环境（中间），最终在严格控制的环境中以纯培养物的形式存在。

吉本斯补充道，失去制造黄曲霉毒素的能力可能为真菌增强其消化淀粉的能力铺平了道路。这是因为防御化学物质的制造成本很高。“如果它们失去了产生这些毒素的能力，实际上就节省了大量的能量，它们可以把这些能量投入到初级代谢中，比如消化淀粉、糖和蛋白质，”他说。

研究表明，这种消化淀粉的能力是经过反复进化而来的。例如，早在 1989 年，任何基因组序列都还未公布之前 曲霉 物种，几组科学家使用方法来证明 米曲霉 具有编码淀粉消化酶α-淀粉酶的基因的多个拷贝；两种真菌菌株有两个拷贝，而另外两种菌株有三个拷贝。

此后，研究人员对更多菌株进行了更仔细的研究，并发现了该主题的各种变体。例如，菌株 RIB40 在第 2、3 和 5 号染色体上含有 α-淀粉酶基因，而 Gibbon 的团队最近报告称，来自中国的工业菌株 14160 在第 2 号染色体上有两个拷贝，在第 6 号染色体上有一个第三个拷贝。

吉本斯说，这类变化在野外可能也发生过很多次，但在驯化之前，它们没有被保留下来，因为它们没有用处。“但在食物环境中，你拥有的这些 α-淀粉酶基因越多，你产生的这种酶就越多，”他说。然后我们人类就会选择驯化过程中消化淀粉的强力微生物进行发酵。

日本国立国会图书馆

这幅插图来自日本江户时代（1603-1867 年）的一本农业书籍《麴麴国产》，展示了酱油的生产过程。右上角，曲霉正在大垫子上与大豆和小麦混合，这是制作调味品所需的两次发酵中的第一次。

驯化 米曲霉 如果研究 青霉菌 曲霉菌是曲霉菌家族中另一种著名的霉菌，它是任何事物的参考标准。

P. 卡门培尔干酪这种物质形成了卡门贝尔奶酪和布里奶酪的白色外皮和独特的气味，人们认为这种物质是从 P. 公社一种颜色深、产生毒素、有霉味的物种。当沃尔夫在塔夫茨大学的团队采集野生 P. 公社 菌株和另一种非奶酪 青霉菌 菌株并在奶酪上连续培养它们，仅仅经过八代——几周的时间——野生菌株 显示出驯化迹象. 期刊报道 生物通 2019 年，研究小组发现，霉菌产生色素和毒素的能力减弱了。与此同时，它们也失去了霉味，转而散发出驯化近亲特有的黄油味和奶酪味。

发酵中的人为因素

在思考驯服的步骤时 米曲霉比利时 VIB 和鲁汶大学的微生物遗传学家 Kevin Verstrepen 表示，记住发酵和人类进化可能一直都是相互交织的，这很有用。

例如，很容易想象早期原始人类会吃被酵母发酵成酒精糊状物的水果，而人类也会认识到这种水果的优点，既有改变思维的效果，又有消毒作用。“如果这些东西很快就被发现，我不会感到惊讶，”Verstrepen 说。

如果是 曲霉孢子不断四处飘荡——研究人员估计，我们每天吸入的孢子多达 200 个——如果它们在温暖潮湿的地方定居下来，就会生长。最近重建的 曲霉 家谱 范德比尔特大学进化生物学家安东尼斯·罗卡斯认为 黄曲霉 以及它的一些驯化版本， 米曲霉， 最后一次共同祖先是在大约 380 万年前。 米曲霉 天生喜欢米饭， 黄曲霉 早期人类食用的野生稻米中可能存在不产生黄曲霉毒素的物质。

随着大约 12,000 年前新石器时代农耕的出现，驯化成为一项全速前进的事业。随着人们定居在社区，开始定期种植农作物和饲养动物，谷物、牛奶或肉类可能首次过剩。发酵提供了一种在收获后保存食物的方法， 延长保质期。

“最好的例子之一就是生牛奶——它在室温下一天左右就会变质，”吉本斯说。“但如果你把它发酵成硬奶酪，你可以把它放在口袋里，在室温下保存一个月。”

早期人类有意发酵食物的例子——很可能是使用 曲霉 ——来自中国河南省贾湖新石器时代村落，该遗址出土的文物表明，当时已经有人开始种植水稻和使用早期乐器。2004 年，一个研究小组报告称，该遗址的陶片中含有 发酵饮料的残渣 吉本斯说，这种酒由大米、蜂蜜和水果制成，基本上就是米酒或“原始清酒”。此后，科学家们研究了中国另外两个早期新石器时代遗址的器皿残留物，发现 真菌痕迹其中包括一些与我们的英雄——曲霉菌惊人地相似的霉菌。

L. LIU 等人 / PNAS 2019

对中国馆陶园新石器时代遗址陶片残渣的分析揭示了一些微生物结构（上两行，GTY 古真菌）。这些古微生物与米曲霉（第三行）、根霉（第四行）和酵母菌（下行）有着惊人的相似之处，这些真菌用于制作各种发酵食品和饮料。

Verstrepen 喜欢告诉他的学生，啤酒 酵母酿酒酵母就像狗，它们一年到头都生活在酿酒桶里，温暖而又营养充足；而葡萄酒酵母则像猫一样，在收获季节被利用，但在接下来的几个月里可能会与野生酵母混合。

如今，罗卡斯说， 米曲霉 就像狗一样。人们可以根据自己的具体发酵需求订购多种培育的菌株。但很长一段时间以来，一直存在着不受约束的品种——很多 米曲霉/黄曲霉 菌株的毒素基因已失效，消化淀粉的能力也各不相同，幸运的话，它们最终会进入你的酱油或清酒中。罗卡斯说，古代的霉菌“一定更像猫”。