本文最初刊载于 Knowable Magazine。
近9000年前，就在人类开始驯化玉米和猪的同时，中国的一些人在驯化真菌。
其中一种真菌，即曲霉菌（Aspergillus oryzae），后来成为了烹饪界的巨星。通过发酵大豆或大米等原料，曲霉菌帮助我们制作了酱油、清酒以及其他多种传统亚洲食品。它通过分解蛋白质和淀粉，为其他微生物完成发酵过程铺平道路。
但曲霉菌并非一直如此温顺。这种真菌的野生形态会产生强效毒素，这些毒素会毒害食用者，并导致肝脏和其他器官的癌症。此外，它还是一种破坏性的农业害虫，每年对花生和玉米等作物造成数百万美元的损失。
是什么改变了呢？研究正逐渐揭示这种真菌如何从一种危险的有毒霉菌转变为一种在人类环境中茁壮成长的优良食品生物技术工具。随着科学家们对曲霉菌的研究，他们也对微生物的驯化过程有了更深入的了解——尽管在很多方面，这个过程仍然神秘莫测。
“我们所了解的几乎所有关于驯化的知识都来自于动植物，”微生物基因组学家、马萨诸塞大学阿默斯特分校的John Gibbons说。“你可以看到狗和狼、玉米和 teosinte 之间的区别，但你很难看到微生物之间的区别……因为大部分是代谢上的变化。”
消化大师
曲霉菌属于蓝绿霉菌（blue and green molds）的一个真菌家族。该家族约有40%的物种属于曲霉属（Aspergillus），之所以得名，是因为其产生孢子的结构细长的茎和蓬松的顶端，类似于一些基督教派中用于洒圣水的“圣水器”（aspergillum）。该属有几个“声名显赫的成员”，包括能产生有用化学物质（如药物）或发酵食品（如曲霉菌）的工业用菌种。
曲霉菌，也被称为曲霉菌，是一种消化大师。在酱油生产的第一阶段，曲霉菌会处理起始原料，通常是大豆和小麦；在清酒生产中，它则作用于大米。该霉菌的消化酶——蛋白酶和淀粉酶——会将蛋白质和淀粉分解成更简单的分子，供酵母在稍后发酵。塔夫茨大学（Tufts University）的微生物学家 Benjamin Wolfe 表示，这种霉菌“闻起来有一种美妙的蘑菇和葡萄柚混合的香气，还有点酸味”。
其他曲霉属的物种则是祸害——其中，黄曲霉菌（Aspergillus flavus）是曲霉菌的“海德先生”。黄曲霉菌会产生强效毒素，称为黄曲霉毒素，摄入后，这些毒素会被肝脏代谢成化合物，损害 DNA 并扰乱细胞功能。它感染多种作物——玉米、小麦、木薯、辣椒、花生、大米、芝麻、向日葵种子等。它可以在收获前和收获后污染植物，当作物储存或运输时。这些毒素甚至可以污染食用受污染饲料的动物的牛奶。尽管采取了各种控制措施，但散发的黄曲霉毒素疫情仍在全球范围内毒害和杀死人类及宠物。
科学家们长期以来一直认为，危险的黄曲霉菌和食品发酵菌曲霉菌是近亲——这两种菌在颜色和质地上可能看起来完全一样，也可能差异很大，因此很难区分。早期的 DNA 研究报告显示出惊人的相似性，一项对两种真菌部分基因的研究得出结论，曲霉菌是通过黄曲霉菌的驯化而进化而来的。
但曲霉菌不产生黄曲霉毒素，并且已经安全地作为食品发酵剂使用了数千年。现在，科学家们已经开始确定导致其代谢发生重大改变的具体变化。
关键的基因缺失
科学家们长期以来一直渴望获得遗传学证据，证明曲霉菌无法产生黄曲霉毒素，部分原因是为了确保这种霉菌在食品发酵方面是安全的，并且将继续保持安全。多年来，他们已经记录了该真菌祖先用于产生毒素的20多个基因簇中的许多大规模和小规模的破坏性变化。
例如，在一项近期研究中，科学家们比较了中国工业菌株曲霉菌14160的基因组与2005年测序的菌株曲霉菌RIB40的基因组。在2021年发表于《微生物学前沿》（Frontiers in Microbiology）上的一篇报告中，研究小组发现，在菌株14160中，黄曲霉毒素基因簇超过一半被删除了，而菌株RIB40在此处的一些关键基因上存在突变。
但 Gibbons 表示，从菌株到菌株，黄曲霉毒素基因簇中有一个缺失始终存在。他领导了2021年的分析，当时的研究生是Katherine Chacón-Vargas（该团队一直在分析数百种霉菌菌株）。这一发现表明，在某个时候，一种野生黄曲霉菌获得了这个缺失，使其无害。之后，由于不再使用这些黄曲霉毒素基因，其他遗传变化——突变、缺失、其他改变——在其上自由积累。
Gibbons 说，驯化将确保无害特性得以保留。这是因为黄曲霉毒素是一种防御性化合物，霉菌用它来杀死其他微生物。由于其他微生物——特别是酵母——是制作酱油或清酒发酵过程的一部分，因此只有在没有曲霉菌毒素杀死酵母的情况下，发酵才能成功。
Gibbons 说：“在舒适的驯化环境中，毒素本身就不重要了。你拥有稳定、充足的食物来源，不再需要产生防御性化学物质，因为有足够的食物供大家分享。”
Gibbons 补充说，失去产生黄曲霉毒素的能力可能为该真菌提高其淀粉消化能力铺平了道路。这是因为生产防御性化学物质需要消耗大量能量。“如果它们失去了产生这些毒素的能力，实际上就能节省大量能量，并将这些能量用于主要代谢，如消化淀粉、糖和蛋白质。”
研究表明，这种增强的淀粉消化能力已经反复演化。例如，早在1989年，在任何曲霉属物种的基因组序列可用之前，几个科学家团队就通过各种方法证明，曲霉菌具有编码淀粉消化酶α-淀粉酶的基因的多个副本；其中两个菌株有两个副本，而另外两个菌株有三个副本。
研究人员后来进行了更深入的研究，并对更多菌株进行了分析，发现了各种各样的变化。例如，菌株RIB40在染色体2、3和5上都有α-淀粉酶基因，而Gibbons的团队最近报告说，中国的工业菌株14160在染色体2上有两个副本，在染色体6上有一个副本。
Gibbons 说，这类变化在野外可能也发生了很多次，但在驯化之前，它们没有被保留下来，因为它们没有用。“但在食物环境中，你拥有的α-淀粉酶基因越多，产生的酶就越多。”他说，我们人类在驯化过程中就会选择那些具有强大淀粉消化能力的微生物用于发酵。
如果对曲霉菌（Aspergillus）家族中的另一种著名霉菌——青霉菌（Penicillium）的研究有任何参考价值，那么曲霉菌的驯化可能发生得非常快。
卡门贝尔奶酪（Camembert）和布里奶酪（Brie）的白色外皮和独特气味被认为是来自于卡门贝尔青霉菌（P. camemberti），它被认为是从一种深色、产生毒素、带有霉味的普通青霉菌（P. commune）进化而来的。当Wolfe在塔夫茨大学的团队将一种野生的普通青霉菌菌株和另一种非奶酪青霉菌菌株在奶酪上连续培养八代——大约几周的时间——这些野生菌株就表现出了驯化的迹象。该团队在2019年《mBio》杂志上报道称，霉菌产生色素和毒素的能力下降了。同时，它们失去了霉味，并获得了其驯化近亲特有的黄油和奶酪香味。
发酵中的人为因素
比利时VIB和鲁汶大学的微生物遗传学家Kevin Verstrepen表示，在思考曲霉菌驯化的步骤时，记住发酵和人类进化可能一直紧密相连是有益的。
例如，很容易想象早期人类食用被酵母光顾并发酵成酒精糊的水果，而人类也认识到这种水果的优点，无论是其改变心智的效果还是消毒作用。“我不会惊讶于这些东西很快就被发现了，”Verstrepen说。
至于曲霉菌，孢子一直在空气中飘散——研究人员估计我们每天吸入200多颗孢子——如果它们落在一个温暖潮湿的地方就会生长。范德比尔特大学（Vanderbilt University）的进化生物学家 Antionis Rokas 最近对曲霉菌的家族树进行的重建表明，黄曲霉菌和其驯化对应物曲霉菌的某个版本大约在380万年前共享同一个祖先。曲霉菌本身就喜欢大米，而那些不产生黄曲霉毒素的黄曲霉菌版本很可能存在于早期人类食用的野生稻植物上。
随着大约12000年前新石器时代农业的兴起，驯化成为一项全面的攻势。随着人们定居下来，开始规律地种植农作物并饲养牲畜，可能会第一次出现过量的谷物、牛奶或肉类。发酵提供了一种在收获后保存食物并延长保质期的方法。
“最好的例子之一是生牛奶——在室温下放一两天就会变质，” Gibbons说。“但如果将其发酵成硬奶酪，你就可以在室温下随身携带一个月。”
人类有意发酵食物的一个早期例子——很可能使用了曲霉菌——来自中国河南的新石器时代村落贾湖（Jiahu），那里出土的文物暗示了驯化稻和早期乐器。2004年，一个研究小组报告说，该遗址的陶器碎片中含有发酵米酒、蜂蜜和水果的残留物——基本上是米酒或“原始清酒”， Gibbons说。此后，科学家们研究了中国另外两个新石器时代遗址容器中的残留物，发现了真菌的痕迹，其中包括一些与我们今天的主角——曲霉菌——惊人相似的真菌。
最初，人们可能依靠曲霉菌和其他微生物的自发定殖，但到了某个时候，“回舀法”（back-slopping）发展起来，即使用一部分前一次发酵的产物来启动新的发酵，就像制作面包时使用“酵母起子”（sourdough starter）一样。这种使用曲霉菌进行有意的发酵似乎早在2300年前就已经开始了：在公元前300年的中国古籍《周礼》（Rites of the Zhou dynasty）中就有对这种霉菌的提及。过了一段时间，人们开始在蒸米饭上培育曲霉菌；然后用丝筛将孢子从谷物中分离出来，晾干备用。
Verstrepen 喜欢告诉他的学生，啤酒酵母（beer yeasts）整年生活在温暖、食物充足的酵母罐中，它们就像狗一样；而葡萄酒酵母（wine yeasts）则在收获时被利用，但在随后的几个月里可能与其他野生菌种混合，它们更像是猫。
今天的曲霉菌，Rokas说，就像狗一样。有许多经过培育的菌株，人们可以根据自己的具体发酵需求进行订购。但很长一段时间以来，存在着品种繁多的菌种——大量的曲霉菌/黄曲霉菌菌株，它们拥有失效的毒素基因，淀粉消化能力也各不相同，而最终出现在你的酱油或清酒酿造中的菌种则是一种命运的巧合。Rokas说，古代人的霉菌“一定更像猫。”
本文最初发表于 Knowable Magazine，这是一个独立的、来自《年鉴评论》的新闻报道。注册 时事通讯。
