肠道微生物利用多糖的合作进化

肠道与根际，是两个在生态上相当相似的环境。我们LorMeM实验室一直以来都在进行有关根际微生物利用土壤中根系分泌物、矿质元素等物质的研究，也构建了微生物间竞争利用营养物质的网络关系。而在肠道中，同样存在着类似的营养利用的网络。今天，就让我们来学习探讨一下哈佛医学院的研究。

在2014年发表的这篇论文中，科学家们选择了人类肠道中的拟杆菌进行研究，发现了一个基于降解和利用多糖的相互作用网络(Rakoff-Nahoum, Coyne et al. 2014)。

在本研究中，科学家们选择了4种碳源和7种细菌，针对不同的碳源，细菌分为能利用的和不能利用的。其中，根据各自独特的生态功能，细菌利用者扮演着“公共物品生产者”、“公共物品不生产者”的角色，同样，不能利用的细菌可被分为“可诱导的降解产物（PBP）接收者”、“PBP接收者”、和“非接收者”。生产者释放降解产物PBPs被接收者消费。如果有生产者派生的糖苷水解酶，那么接收者就可以在多糖中生长。这些糖苷水解酶就是在胞外囊泡中运输的公共物品，用来给创造PBP和伴随而来的接收者在空间上远离生产者生长留出余地。接收者可以利用这些生态相互作用，有时候甚至长大到不需要生产者。于是，科学家们构建了一个基于这种相互作用关系的交互喂养网络。

到这里，我认为这已经是一项很出色的工作了，而事实上，研究才刚刚开始。2年后，他们进一步的研究工作发表在了《Nature》上(Rakoff-Nahoum, Foster et al. 2016)。

科学家们首先观察了负责胞外降解多糖基因的同基因突变体多形类杆菌VPI-5482，敲除了编码外表层糖苷水解酶的基因BT3698（支链淀粉）和BT1760（果聚糖）然后与野生型一起培养。不出意外，缺乏这两个基因的突变体在单一碳源下长不起来，而与野生型共培养的突变体却能长起来。这是与支链淀粉和果聚糖降解产物的公共物品利用能力有关的。

不过，用同样的方法研究多形类杆菌Bo在菊粉上的生长时，却发现了意外的结果。Bo模式菌株ATCC 8483的基因BACOVA_04502和BACOVA_04503编码了2种相似的外层糖苷水解酶，其目标都是β1,2菊粉果糖聚合物，这两个酶都是用来降解菊粉的。那么，理论上敲除了BACOVA_04502 或BACOVA_04503的突变体将无法在菊粉上生存。然而，无论哪个突变体都活的好好的，哪怕是在资源受限制的条件下。

甚至，比起菊粉的降解物，Bo在未降解的菊粉上长的更为迅速。

面对这样的结果，科学家们给出了2种可能：一是Bo存在其他的酶来胞外分解菊粉，二是菊粉可以不在胞外分解直接进入胞内被利用。对Δ04502、Δ04503 和Δ04502/3 生长物质的分析显示并没有释放出的菊粉降解产物，因此第一种可能被排除了。BACOVA_04504 and BACOVA_04505编码了同源的SusD和SusC，它们被预测用来打包和输入菊粉。敲除BACOVA_04504或 BACOVA_04505后，Bo就长不起来了，这样的结果证实了第二种猜测。

可是，这就产生了一个问题：既然Bo不需要04502/3也可以分解菊粉正常生长，那么这两个基因又有什么用处呢？毕竟在同样的菊粉上，Δ04502/3突变体并不比野生型长的艰难啊。

通过上一篇文章，我们知道04502/3编码的糖苷水解酶是一类公共物品，那么04502/3这两个基因会不会就是专门生产公共物品的呢？从上一篇文章给出的相互作用网络图中，我们可以直观地看出Bo对应地接收者是普通拟杆菌Bacteroides vulgatus(Bv)。事实上，在人体中，Bv经常与Bo一起被发现，其依赖于菊粉降解物但不能直接利用菊粉。研究发现Bv与Bo野生型的共培养比与与Δ04502共培养长得更好，与Δ04502共培养又比自身单独生长好。这种独立于04502/3的生存既不依赖于拟杆菌在菊粉上生长时产生的普遍因子也不依赖于Bo派生的短链脂肪酸。因此，很有可能来自于04502/3的交互喂养。

那么，这就又产生了一个问题：Bv是自私的吗？Bv从Bo那接收了PBPs，有没有给Bo提供回馈呢？为了解决这个问题，研究者们又引入了一个不产生公共物品但是同样利用菊粉的Bf，结果表明Bv和Bo的共培养增加了Bo野生型和Δ04502的适应度但是没有增加Bf的。也就是说Bv确实帮助了对自己有益的Bo而没有帮助对自己无益的Bf。

至此，Bo和Bv的交互喂养关系基本上水落石出了，文章最后给出了这样的两个模型。

a：普遍的有限合作

个体消化胞外分解的多糖，使公共物品私有化，导致了公共物品生产者更大的个体化而不是共享利益，仅有少部分提供给其他生物。

b.：菊粉中生长的Bo和Bv的合作

Bo自身直接利用菊粉，而将表面降解的产物提供给Bv，形成一种“共生酶系统”，Bv也反过来回馈Bo。

进化生物学的一个关键问题是合作的系统如何在进化上稳定。理解微生物群落是否在形成合作是预测进化和生态稳定性的核心。一个物种利用其他物种产生的“废物”的能力是普遍的，但是生产“废物”并不就意味着合作进化。而这项研究则是一个罕见的自然进化出的微生物之间的合作，因此具有独特的意义。

在根际中也同样存在着各种各样的公共物品，例如铁载体等等。既然这种合作进化存在于肠道微生物中，我想也一定存在于土壤根际，而这，就需要我们去探索啦。

参考文献：

Rakoff-Nahoum,S., Michael J. Coyne and Laurie E. Comstock (2014). "AnEcological Network of Polysaccharide Utilization among Human IntestinalSymbionts." Current Biology24(1):40-49.

Rakoff-Nahoum,S., K. R. Foster and L. E. Comstock (2016). "The evolution of cooperationwithin the gut microbiota." Nature533(7602): 255-259.

-The End-

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