【LorMe周刊】营养物质的化学计量比影响微生物的协同进化
作者：陆春霞，南京农业大学硕士在读。主要研究青枯菌与噬菌体的共进化。
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！本期周刊为您介绍营养物质的化学计量比对微生物协作的影响，原文于2019年发表在《Ecology Letters》上。
物种间的协同进化是产生和维持生物多样性的重要力量。其受环境条件（包括必需资源的稀缺）的影响，而这个过程可能驱动参与者防御和毒力性状的进化。这里，作者开展了一个长期的恒化器实验，令裂解性噬菌体与海洋蓝藻聚球菌在限氮(N)或限磷(P)条件下相互作用。结果表明营养物质的化学计量改变了宿主-噬菌体相互作用的稳定性和协同进化的基本模式。通过评估>18000对的交互侵染，发现在N和P限制条件下，侵染网络的模块化程度降低了50%，反映了宿主范围的收缩和不对称的协同进化轨迹。这一实验表明营养物质的化学计量比可能会通过改变环境和宿主相关的微生物群落的动态和功能，从而影响生态共进化的反馈。
营养物质的化学计量比改变了群落动态
实验使用海洋蓝藻聚球菌WH7803和肌尾噬菌体S-RIM8来评估营养物质化学计量比对两者生态进化动力学的影响。通过在恒化器中设置限制性培养基的氮磷比为10:1（N限制）和 40:1（P限制），利用荧光显微镜追踪聚球菌和噬菌体的密度。发现无噬菌体的对照组在N和P限制下，聚球菌密度一直保持恒定。而在N限制条件下，添加噬菌体后的35天内，聚球菌密度迅速下降并达到其最小平均密度。而后50天里，其密度缓慢恢复，并在第100天左右进入下降的第二阶段（图1a）。与前者相比，在P限制条件下聚球菌的种群动态变化较小，加入噬菌体后的宿主密度下降速度比在N限制条件下慢，且在加入后78天达到其平均最小密度。在整个实验期间，P限制下的噬菌体密度保持较高水平且相对恒定（图1b）。
图1 微生物群落动态受营养物质化学计量比的影响：限N(a)或限P(b)(n=3)；第0天的垂直线表示噬菌体修正的时间。
营养物质的化学计量比改变了共进化过程
将各时期分离到的宿主和噬菌体进行交叉感染试验，以表征共进化过程。结果发现，在加入噬菌体后的9天内，超过50%的聚球菌对N和P限制的恒化器中的原始噬菌体产生抗性。随着时间的推移，那些对原始噬菌体有抗性的聚球菌中的绝大多数(97%)对试验中后期阶段分离出的噬菌体也产生了抗性（图2左），但这种抗性范围的扩大不受营养化学计量比的影响。同样对噬菌体种群而言，随着时间的推移而进化，但与宿主的进化不同，其受营养物质化学计量比的影响显著。在无噬菌体处理中，聚球菌对原始噬菌体仍然敏感。然而，从添加噬菌体处理中分离出的噬菌体中，几乎所有(96%)噬菌体丧失了侵染来自限P和限N条件下无噬菌体处理中的聚球菌的能力。尽管如此，实验还是发现存在宿主范围扩大的噬菌体（图2右）。
图2 在N和P限制下，聚球菌随时间变化对噬菌体的平均抗性（左）；噬菌体随时间变化的平均侵染性（右）。
营养物质化学计量比改变了协同进化动力学
在获得了宿主和噬菌体交叉侵染数据的基础上，通过时移实验（图3和图4）发现当从有噬菌体的恒化器中分离的宿主与当前和过去的噬菌体对抗时，由于宿主抗性和噬菌体侵染性的进化，相互作用强度通常较弱。试验早期（第6、9和23天）分离的宿主对未来的噬菌体更敏感。
在时移实验中，来自无噬菌体处理的宿主与有噬菌体处理中分离的噬菌体互作时，进一步验证了营养物质的化学计量效应。在这些条件下，感染性并不是在整个时间变化中均匀增加的。与从限P对照分离的宿主相比，噬菌体对从限N对照分离的宿主的侵染性高70%。
图3 宿主（聚球菌）与噬菌体的表型协同进化受营养物质化学计量比的影响：基于不同时间点恒化器中分离的聚球菌和噬菌体的成功侵染比例表征侵染性，侵染力与连接节点（符号）的边（线）的宽度成正比。
注：黑色正方形对应于从有噬菌体的恒化器中分离出的噬菌体，白色圆圈对应于从有噬菌体的恒化器中分离出的聚球菌，灰色圆圈对应于从无噬菌体对照的恒化器中分离出的粘球菌。
图4 宿主噬菌体感染性的时移分析揭示了化学计量学对协同进化的影响：当代相互作用（即在同一时间点分离的噬菌体和宿主之间的互作）集中在时间轴（水平）的零点（灰色垂直线），每条黑线对应于从一个特定时间点分离出的平均侵染力。
另外网络分析（图5）也进一步支持了这一结果，感染性模式嵌套性和模块化程度高于偶然性，与军备竞赛动态和负频率依赖性选择相一致。N和P限制环境的侵染网络具有相似的连接度和嵌套度。但是，P限制网络比N限制网络多50%的模块化。
图5 基于N、P限制条件下共培养的聚球菌和噬菌体分离株之间相互作用的宿主-噬菌体感染网络
本文研究了营养物质化学计量比变化对物种相互作用到生态系统水平过程的生态现象的影响。结果证明营养物质的化学计量比也可能通过在氮磷限制条件下噬菌体宿主范围的扩大和收缩的差异影响微生物群落的进化动力学。确定营养环境中的选择目标，将有助于阐明协同进化的遗传机制以及与防御和毒力性状相关的权衡。本文进一步指明氮磷的有效性对协同进化过程有不同的影响，可能影响地球上最丰富和功能最重要的微生物类群之一的生态和进化。
论文信息
原名：Nutrient stoichiometry shapes microbial coevolution
译名：营养计量比塑造微生物共进化
期刊：Ecology Letters
IF：8.665
发表时间：2019年
通讯作者：Jay T. Lennon
通讯作者单位：布卢明顿大学印第安纳生物系