科研 | Nature子刊: 微生物群落动态和功能受短程相互作用的支配
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编译:gu作成熟,编辑:小菌菌、江舜尧。
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微生物群落的相互作用在地球上所有的栖息地都扮演着重要的角色。这些群落通常由大量进行不同代谢过程的物种组成。微生物群落的功能最终来源于这些不同微生物之间的相互作用。为了了解微生物群落的动态和功能,我们需要了解这些相互作用的性质和强度。本文,我们量化了微生物群落中单个细胞之间的相互作用强度。我们研究了合成的大肠杆菌群落,它们通过交换代谢物来生长。我们将单细胞生长速率测量与数学模型相结合,以量化单个细胞之间的代谢相互作用,并绘制这些群落的空间相互作用网络。我们发现细胞只与邻近的细胞相互作用。这种短程相互作用范围限制了不同物种之间的耦合,降低了它们共同进行代谢过程的能力。我们的实验和模型表明,生物相互作用的空间尺度在塑造群落的生态动态和生态系统的功能方面起着根本性的作用。
论文ID
原名:Short-range interactions govern the dynamics and functions of microbial communities
译名:微生物群落的动态和功能受短期相互作用的支配
期刊:Nature Ecology & Evolution
IF:10.965
发表时间:2020.2
通讯作者:Alma Dal Co
通讯作者单位:瑞士苏黎世联邦理工学院环境系统科学系
实验设计
实验菌株均从E. coli MG1655家族选取,分别为ΔtrpC-GFP (MG1655trpC::frt, PR-sfGFP), ΔtrpC-RFP (MG1655 trpC::frt, PR-mCherry), ΔproC-GFP(MG1655 proC::frt, PR-sfGFP) and ΔproC-RFP (MG1655 proC::frt, PR-mCherry)。ΔproC菌株由于proC缺失而无法产生脯氨酸,而ΔtrpC由于trpC缺失而无法产生色氨酸。通过使用lambda Red介导的重组将卡那霉素转移到TB204和TB205中来制备营养缺陷型菌株。TB204和TB205是大肠杆菌MG1655的衍生物,它们从染色体的lambda启动子上表达sfGFP或mCherry。简而言之,卡那霉素包括同源侧翼区域从JW0377 (proC)和JW1254 (trpC)中进行PCR扩增,转化为携带pSim8质粒的TB204和TB205。成功转导后,确认菌株的表型(没有脯氨酸或色氨酸就不能生长),利用质粒pCP20的FLP重组酶从基因组中去除卡那霉素。本文证实了两个营养缺陷性菌株通过接收它们不能从伴侣身上产生的氨基酸而共同生长的能力。之后,俩种营养缺陷型菌株静止14h后,再离心100次后转入到60×60×0.76μm3 微流控装置观察其生长状况。最后对营养缺陷型菌株进行电镜观测和建模分析。
结果
细胞之间的相互作用范围会极大地影响个体和群落的生长。这可以通过对两个相互作用的伙伴物种组成的系统中细胞动力学的简单模拟来说明(图1a)。模拟基于三个一般假设:首先,每个细胞只能从位于相互作用范围内的伙伴物种的细胞中获得化合物;第二,单个细胞的生长取决于在相互作用范围内的合作物种细胞的比例;第三,如果一个细胞分裂,它会把一个后代放在邻近的地方。这个简单的模拟表明,当相互作用范围很小时,单个细胞的平均生长速度较低(图1b)。当生物体依赖于两个或多个其他物种的化合物时,效果会更强:较小的相互作用范围会降低个体同时与所有其他菌株接触的可能性(图1b)。模拟结果表明,当细胞需要与其他基因型交换化合物才能生长时,短程的相互作用会降低细胞的生长速度,这与之前的观察结果一致。
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1 密集微生物群落中的细胞在几个细胞长度范围内相互作用
我们构建了一个用于单层细胞生长的微流控装置,并开发了一种分析方法来提取时间分辨的定量单细胞数据(图2)。我们重点研究了由两个营养缺陷型大肠杆菌菌株组成的合成菌群。第一株不能产生脯氨酸,第二株不能产生色氨酸(图2a)。因为细胞会自然地产生氨基酸,所以这两个营养体可以通过扩散交换这两个氨基酸来共同生长。我们在微流体设备中使用自动图像分析来识别和跟踪单个细胞,这样我们就可以测量它们的生长速度(图2b)。这项分析的目的是确定一个单细胞可以获取氨基酸的空间范围。一个细胞的生长速度取决于它接收到的氨基酸的数量,而这反过来又取决于相互作用范围内的伙伴细胞的数量。为了确定相互作用范围的大小,我们因此寻找细胞组成最能预测单个细胞生长速度的空间范围(图2c)。我们测量了伴侣在细胞d距离内的比例fd,并确定了这一比例与大量单个细胞的细胞生长速度之间的相关性。然后将交互作用范围定义为d的值,在该值处相关性最大(图2d)。
这一分析表明,相互作用的范围只有几个细胞的长度(图2d)。在十个生物重复样本中一致地都发现了该范围(总共分析了约10,500个细胞)。具体来说,色氨酸营养缺陷型细胞的相互作用范围是3.2±0.4μm(平均±s.e.m),而脯氨酸营养缺陷型细胞的相互作用范围在12.1±0.5μm(图2e)。换句话说,这些细胞生活在一个小世界里:它们只与周围的一小群个体互动。只有当它们的伴侣在这些个体中,细胞才能生长良好(图2f,g)。
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图2 交换细胞构件的营养细胞在小范围内相互作用。a,两个相互依赖的大肠杆菌营养缺陷型菌株的合成群落,并被组成性表达的荧光蛋白标记(此处描绘为黄色和紫色)。 b,细胞在单层中生长的微流体腔室的假彩色图像。当细胞被推出腔室时,腔室顶部的培养基的连续流动就会将细胞移除。c,细胞被分节和跟踪(左)。细胞的颜色编码是基于它们的个体生长速度,更亮的颜色表示更高的生长速度(右图)。被伴侣包围的细胞比被自身类型包围的细胞生长得快。d,我们计算了给定邻域大小下单个细胞的增长率与伴侣的分数之间的相关系数(斯皮尔曼ρ)。当我们绘制相关系数作为邻域大小的函数时,我们观察到相关强度对于中间邻域大小(用虚线标记)最大;我们称这种邻域大小为相互作用范围。e,两种生长营养体相互作用范围不同(10个生物重复,共10500个细胞)。f,g,在交互作用范围内,随着伙伴比例的增加,两个营养体都生长得更快。色氨酸营养缺陷型(ΔT f)通常有较低的增长率比脯氨酸营养缺陷型(ΔP g),如图所示的斜坡线性回归ΔTΔP(0.75和0.21)。黑点代表单个细胞(1985ΔP和1769ΔT细胞)和开放的符号是扔进垃圾箱中位数的值;线表示绑定值上的线性回归。
2 数学模型为小相互作用范围提供了一种力学解释。
我们的第二个主要目标是获得对决定相互作用范围的因素的机理性理解。我们使用基于个体的模型(图3a)解决了这个问题,其中细胞占据了40×40网格上的位点。在每个网格位置,我们用一组微分方程式描述了两个交换的氨基酸的内部(I)和外部(E)浓度。首先测试我们的模型能否预测我们实验测量的相互作用范围。然后,我们通过将细胞的理论生长率与相邻伴侣的比例相关联来估计相互作用的范围,就像我们对实验测量的生长率所做的那样。我们发现的相互作用范围与实验相互作用范围的偏差小于7%(图3b)。此外,我们的模型预测,在交互作用范围内,营养体的生长速率随伙伴比例的增加而增加,这与实验数据一致(图3c)。我们的结论是,我们的模型与实验数据是一致的:我们提出的氨基酸交换机制可以解释细胞在这些群落中是如何相互作用的。
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图3 数学模型揭示了局部相互作用的机理。a,基于单个细胞的模型,其中氨基酸被动泄漏,在环境中扩散并被主动吸收。在每个网格位置,我们使用一组微分方程来描述氨基酸I的内部浓度和外部E的浓度。我们假设营养缺陷型细胞的生长速度受到其所需氨基酸的限制,并且细胞会主动吸收氨基酸并将其被动泄漏到环境中,并在其中扩散。当c细胞密度较高时,Deff较低。:b,基于模型的相关分析(深色曲线)与实验数据的结果(浅色曲线,如图2d所示)相吻合。预测ΔP互动范围是12.8μm(12.5μm实验测量相比,P = 0.25, t检验)和ΔT 3.0μm(3.2μm实验测量相比,P = 0.51, t检验)。c、预测和实验测量增长率有关(r2 =0.95ΔP和r2 = 0.99ΔT皮尔逊相关性)。我们根据互补伙伴在相互作用范围内的比例对细胞进行分组,并将每组的测量生长速率(与图2f,g相同的数据)与预测生长速率进行比较。每个符号代表一个组。
3 交互范围由几个关键参数设置
我们的模型显示,我们测量的短相互作用范围主要是由于氨基酸的高摄取率和细胞的密集堆积造成的。当我们观察与相互作用范围成正比的第二个长度尺度时,这就变得明显了:生长范围,长度范围描述了在分离两种细胞类型的直交面上生长的减少(图4a)。当这两种细胞在这样一个对称的结构中,氨基酸的浓度可以近似分析,并由此可以预测这两种细胞的生长。这种对称构型中每种类型的生长范围与任何复杂空间构型下的相互作用范围成正比(图4b)。各营养体生长范围的解析表达式为:
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图4 当吸收速率高时,相互作用范围小。,对于两种类型之间具有直界面的对称排列,我们可以分析计算出细胞生长速率至少为该界面所观察到的最大生长速率的一半的区域(阴影部分);我们称这个地区为增长范围。生长范围可以从生化参数中计算出来。b,增长范围(GR)互动范围成正比(IR) (r2 = 0.95为ΔTΔP和r2 = 0.99,皮尔森相关)。当我们降低模型中细胞吸收氨基酸的速率时,细胞的生长范围和相互作用范围都会增大。开放符号表示用我们的模型计算出的不同氨基酸吸收速率值的生长范围和相互作用范围。对生长范围进行分析计算,对相互作用范围进行数值估计。c,生长范围作为泄漏和吸收速率的函数(分别相对于最大生长速率和扩散常数)。增长范围(范围和交互)ΔT(黄色的圆圈)和ΔP(紫色圈)是小因为吸收和扩散之间的比例很高。
4 相互作用范围和斑块大小是两种不同的长度尺度
根据我们的机制模型,相互作用的范围代表了周围环境的大小,细胞可以从这个环境中获取伴侣产生的氨基酸。用一个更简单的量化方法,例如不同基因型的斑块大小,来测量这个邻域似乎是很直观的。我们测试了该方法的有效性,发现交互作用范围和斑块大小可能是两个不同的长度尺度:我们验证了在我们的试验室内观察到的两个生长因子的相互作用范围在斑块大小范围内的变化小于50%。:这是因为相互作用的范围是由细胞密度和一些生化参数(吸收相对于扩散)决定的,而斑块的大小主要取决于细胞分裂和运动的物理性质。一般来说,我们没有发现斑块大小与这些斑块的平均生长有显著的相关性。
5 互动范围较小,会影响整个群落的成长和动态
我们的群落在时间上表现出一致的动态:在大约25小时内,所有61个复制群落都达到了稳定的组成,除了两个群落外,其他所有群落的色氨酸营养因子都属于少数(总生物量的中位数分数=0.23,图5a)。这种群体构成的变化源于我们所测量的个体水平属性。由于具有双重优势,脯氨酸营养缺陷型倾向于增加频率:与色氨酸营养缺陷型相比,它具有更高的μmax和更大的相互作用范围。因此,脯氨酸生长速率对空间分布的敏感性降低。此外发现,当两种类型的混合程度较高时,群落增长得更快(图5 b, c)。
我们使用我们的模型进一步测试了混合对群落平均增长的影响。具体来说,我们测试了我们的简单细胞自动机的预测,即如果相互作用范围更大,或者空间布局更混合,我们群落中的细胞会生长得更快。我们随机化了观察到的破坏kin簇的空间排列,我们发现个体的平均预测增长率增加了(图5d)。同样,如果我们模拟一个封闭的系统(例如,对应于一个大的生物膜),其中没有氨基酸从群落中丢失,我们发现降低氨基酸的吸收率,从而增加相互作用的范围,会导致个体的平均预测生长率的增加(图5 e)。
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图5 细胞之间小的相互作用范围降低了群落的生产力。群落平衡了23%的组成(中位数,n = 61)的色氨酸营养缺陷型,ΔT;偏差在两个复制是由于大型集群的ΔT室。b, c,群落的增长增加混合的两个细胞类型(偏相关分析以分数为控制变量,斯皮尔曼的ρ= 0.44,P < 10−3, n = 61)。两种细胞类型的混合被测量为两种类型之间的边界长度和它们共同占据的总面积的比值。每个点表示一个群落的生长和混合。在c语言中,ΔT也显示的分数。平面上描绘了多元线性回归的增长率的混合和分数ΔT(表面的颜色表示增长率);平面上方的数据点为亮红色,平面下方的数据点为暗红色。d,随机化的群落安排导致更高的混合和更高的预测的个体平均增长率(随机化的数量= 20,P < 10−5,配对t检验,n = 22)。这表明,这两种类型的混合(通过随机排列来消除)降低了平均增长率。e,模型预测了平均增长率的增加(相对生长1以上),当生长范围(从而交互作用范围;见图4b)增大。这里我们模拟了一个封闭的系统,其中氨基酸不会通过扩散从系统中消失;通过改变模型中氨基酸的吸收速率来改变生长范围。
讨论和结论
本文开发了一种直接测量相互作用范围的方法,可以应用于大量的微生物系统。我们把重点放在两个基因型交换氨基酸的合成群落上,我们发现我们群落中的细胞相互作用的范围很短,这降低了它们的生长速度。一般来说,我们期望相互作用的范围从根本上影响相互作用微生物的任何组装的功能。具体的影响将取决于相互作用的性质。例如,短距离的相互作用可以稳定分子的协同生产,因为它们确保这些分子只有对生产有贡献的细胞才能接触到,而非生产的个体是无法接触到的。相比之下,短距离的相互作用通常会阻碍互惠互食,尽管它们可以通过防止非贡献突变体的生态入侵而起到稳定作用。
合作与竞争的生态和进化结果可能在相互作用仅限于一个群落时发生巨大变化。因此,相互作用范围是任何空间结构生态系统的重要特征。在这里,我们发现个体之间的相互作用范围是在微生物组装中几个细胞长度的数量级上,在微生物组装中,细胞构建块的生产分布在不同类型的细胞中。我们预测,当细胞密度较高时,其相互作用范围通常较小,且调节相互作用的分子的吸收速度比其扩散速度快。最后,我们发现,如果相互作用范围较小,细胞类型通过局部生长的空间为非混合状态会阻碍不同细胞类型之间的代谢交换,降低群落的生长。
我们的工作表明,了解空间尺度上的生物相互作用对于理解生态动态和群落功能是至关重要的。在这里,我们研究微生物系统,在那里,物种间的相互作用通常基于可扩散代谢物的吸收和释放。在植物群落中,形成生态动态的主要是对光线和营养物质的竞争以及促进。在捕食者和猎物的群落中,相互作用是建立在遭遇率的基础上的,因此也是基于个体的运动。在所有这些情况下,个体之间的距离越远,交互强度越低。因此,了解相互作用如何扩大以确定这种空间结构的群落的动态和功能是一个中心目标。
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