迩安远肃：微生物生物栖息地稳定扩张的策略

作者：张耀予，南京农业大学硕士在读。主要研究青枯菌多态性与动态组控。

周刊主要展示LorMe团队成员优秀周报，每周定期为您奉上学术盛宴！本期周刊为您介绍大肠杆菌的入侵扩张与生长速度和栖息地大小的关系。原文2019年发表在《Nature》上。

导 读

物竞天择，适者生存。多细胞生物们不断地为了生存而迁徙，为了扩张而战斗。有的主张兵贵神速，有的则是见策知变，更有甚者迩安远肃步步为营。那么对于细菌而言，它们的生存策略是否和复杂的多细胞生物一样经过了深思熟虑呢？它们又是以怎样的策略来实现生存与扩张的呢？中国科学院深圳先进技术研究院、深圳合成生物学创新研究院刘陈立研究院团队与加州大学圣地亚哥分销华泰立教授团队合作，试图用数学的方法来描述这一生命发展的本质规律。

科学问题：

细菌的迁移速率是否会影响其空间定殖及种群入侵？具有怎样的内在联系？

研究思路：

为了回答上述科学问题，作者以大肠杆菌为模式菌株，将空间定殖、实验性进化与合成生物技术结合来探索物种空间定殖的最优策略。首先，作者构建了细菌在软琼脂平板上迁徙的实验性进化系统；随后对不同迁移速率菌株单独在软琼脂平板上迁移的动力学特征进行分析；接着构建两个负反馈调控菌株验证竞争性生长迁移模型，对转折点的产生机制进行解释。研究发现对于空间定殖，并不是迁移速率越快的种群越有优势，过快的迁移速率会使种群变得不稳定，容易被迁移速率小的种群所入侵，种群在不同大小生境的定殖，都对应着一个最优的迁徙和生长策略。最终通过数学模型，总结了细菌通过平衡生长和运动的进化策略来实现空间上的分布多样性规律。

                     

背景知识：一个物种定殖于新栖息地的能力对其整体适应能力至关重要。一般来说，运动性和快速扩张被认为有利于定殖，因此有利于生物体的适应性。当生物到达新的环境时，它通过生长和扩张来定殖于新环境，最近一项对细菌趋化作用的定量研究结果表明种群扩张主要是由种群前端存在的一群先驱性细胞主导：这些先驱者向外移动，复制，并留下后代（定居者）在此处定殖繁衍。但我们对于细菌的迁移速率对其空间定殖及种群入侵的影响知之甚少。

主要研究结果

细菌平板迁徙的实验性进化系统

为探究细菌的迁移速率是否会影响其空间定殖及种群入侵，并了解影响其定殖的决定性因素，作者修改了常用进化实验方案，选择到接菌点之间不同距离的细胞接种在新的半固体胰蛋白酶培养基（TB）琼脂平板中心，使其向外扩张并在整个平板上定殖。接种24小时后，细菌分布在整块平板上时，在离中心相同距离的地方取一定半径的小块琼脂(约含7.4×10⁶个细胞)，直接转移到新平板中心(图1a)，共重复50次。

作者首先对不同周期和位置的细胞的生长和扩张特性进行评估。当接种在新的TB板上时，进化后的种群仍稳定地向外扩张, 且细胞扩张速度与细胞采集距离有明显的依赖关系，从外径收集的种群扩张速度逐渐增加，而从内径收集到的样本扩张速度逐渐降低稳定降低，中间距离的细胞(位置C，距离Xc = 15mm)的扩张速度与野生型相似，并称此处为转折点dx(图1b)。同时作者在酪蛋白氨基酸(CAA)、甘油和无趋化剂培养基中重复实验，发现趋化性对于发散进化现象十分重要。

图1 基于位置选择的进化实验

a：进化实验的示意图。b：不同位置大肠杆菌的扩张速度。c：不同细胞在第50个循环时混合种群的平均扩展速度

菌株的空间竞争

为了理解潜在的进化过程，作者首先比较了单克隆种群的扩张动态，他们选择了几个在第50个周期分离出的扩张速度不同但生长速度相似的突变株，(图1C：A,B,B',C,D,E)，采用GFP标记菌株，观察每个菌株密度分布的时空动态，研究发现遗传均一种群单独迁移扩张时扩展速度更快的菌株具有绝对优势。

随后作者将每个突变株分别与野生型进行竞争，同时作者构建了两个负反馈调控菌株再次进行两两竞争实验验证了竞争性生长迁移模型，结果显示在转折点以外的空间迁移速率快的菌株占有优势，在转折点以内的空间迁移速率慢的菌株占有优势（图2a,2b），结果表明，种群在不同位置的适应性依赖于其它种群的存在。通过不同进化突变株与野生型的两两竞争实验和数学模型模拟预测这一竞争性生长迁移现象具有普遍性（图2c,2d）。

当两菌竞争扩展到三个菌之间的竞争时(图2e)，结果显示三菌竞争会形成两个转折点，除了速度大的在外边占优势、速度慢的在里边占有优势外，中间还夹着一个空间区域，中间速度的菌在此区域内占优势。

图2.空间中的竞争扩张

a, b：野生型(anc.;紫色)和突变株(str.)D (a，青色)和B(b，橙色)中的两株荧光衍生物竞争的合成伪彩色图像和细胞密度剖面；c, d：菌株的相对适应度；e：菌株A(红色)、C(绿色)和E(蓝色)的荧光衍生物合并的伪彩色图像和细胞密度剖面

竞争扩张的动力学建模

如果快菌、慢菌的迁移速率无限接近中间菌株的迁移速率时，中间区域会逐渐被挤压成一个点，中等速度菌株在该位置处占有优势且不会被其它速度的菌株入侵，因此可以推出每个空间位置都对应着一个能在此定殖的稳定迁移速率。通过模型拟合不同迁移速率菌两两竞争的适应性景观。适应性景观中每个生存域/位置都对应一个稳定的平衡点（即最佳迁移速率），具有最佳迁移速率的种群不会被迁移速率更大或更小的种群入侵，而这个最佳迁移速率与生存域的大小成线性关系，这个线性关系的斜率由生长速率决定。进一步的进化实验结果验证了该定量规律。

注：（1）普遍结果:对于具有单菌株扩展速度为u的菌株，存在一个具体的距离在这个距离上没有其他速度不同的菌株可以主导；（2）进一步预测,d对于u的斜率将与增长率λ成反比；（3）在给定的距离X下，最适速度u (X*)。

模型稳定性检测

基于以上结果作者认为，通过调控迁移速率和生长速率可以使不同细胞有序且稳定地分布在空间不同区域。为了验证该推测，作者构建了5株不同迁移速率的菌株，在5种琼脂密度、5个选择距离和不同重复的进化结果表现出很高的可重复性（图3）。进一步实验表明，5株菌株从空间中央生长、增殖和迁移，自发性地定殖在空间上不同区域。

图3.进化稳定性线的验证

a，通过在0.2-0.3%范围内改变琼脂密度，可以改变野生型的扩增速度。b,不同琼脂密度下的稳定性距离d 的估计值。c-e，不同琼脂浓度下每五个进化周期的扩张速度。f,对于三次重复中的每一个在CAA中对于每个琼脂密度的稳定距离估计。

总 结

本文通过一个简单的数学关系，总结了细菌通过平衡生长和运动的进化策略来实现空间上的分布多样性规律，该成果对于构建稳定的合成多物种系统、解释均质环境下如何维持生物多样性、或预测物种迁移定殖的最优策略等问题提供了理论指导。

论文信息

原名：An evolutionarily stable strategy to colonize spatially extended habitats

译名：空间扩展生境定殖的进化稳定性策略

期刊：Nature

IF₂₀₁₉：43.07

发表时间：2019

通讯作者：刘陈立

通讯作者单位：中国科学院深圳先进技术研究所

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