编译：艾奥里亚，编辑：小菌菌、江舜尧。
原创微文，欢迎转发转载。
导读
物种内的快速进化可以改变群落结构，但这种影响的机制尚不清楚。快速进化出的大量表型多样性种群可能与群落中许多物种相互作用，这对群落结构具有很大的影响。然而，表型多样性的进化反过来又受到其他物种存在的影响。本研究中，我们采用Pseudomonasfluorescens作为焦点物种，探究了种内多样性的快速进化是如何导致微生物群落结构的改变。无论是它们预先适应在分离的纯培养环境中还是在自然群落环境中，进化的P. fluorescens种群在资源利用（和相关的基因组变化）方面表现出实质性的表型多样性。对多样性进行调控表明，P. fluorescens种群的多样性对群落结构的影响最大，抑制了一些细菌类群，但促进了另一些细菌类群的形成。这些发现表明，促进种群内高度多样性进化的条件应该会对群落结构产生更大的影响。
原名：Evolution of diversity explains the impact of pre-adaptation of a focal species on the structure of a natural microbial community
译名：多样性的演变解释了焦点物种的预适应对自然微生物群落结构的影响
期刊：The ISME Journal
IF：9.18
发表时间：2020年9月3日
通讯作者：Daniel Padfield，Elze Hesse
作者单位：埃克塞特大学（University of Exeter）
预培养：分离的Pseudomonasfluorescens SBW25被预先适应于堆肥环境中。该焦点物种中包含LacZ遗传标记物和一个庆大霉素抗性基因，以便用于观察识别。简单而言，首先将P. fluorescens在King’s MediumB （KB）中于28°C环境下过夜培养，随后将5*107 CFU细菌接种到12个无菌微环境中（这些微环境中包括30 g经两次高压灭菌后的堆肥样本）。其中一半无菌微环境（n=6）同时接种含有2 mL自然微生物群落的堆肥样本浸提液，其余微环境接种等量的M9盐溶液（图1a）。微环境在28°C下培养6周后，每个微环境取1g堆肥样本与6 mL M9盐溶液进行混合，随后在28°C、180 rpm摇晃2h，结束后其上清液至于甘油中在-80°C冷冻。用X-gal和庆大霉素（30 µg/mL）将每个土壤浸出液涂在LB琼脂上，以鉴定LacZ标记的耐庆大霉素的P. fluorescens。从每个样品对应的平板中挑选4个克隆子，分别在28°C的KB培养基中过夜生长，然后在-80°C的甘油中保存。综上所述，本研究获得了已经预先适应堆肥环境的克隆子以及单一纯微生物的克隆子。实验步骤：实验过程中共设置三种不同的群落多样性，包括单clone、4倍clones和24倍clones（图1b）。在每个水平的多样性中，焦点物种要么预先适应了微生物群落，要么属于盐溶液中的clones。其中在接种了4倍clones的混合微宇宙中，我们同样调控了这些克隆在相同或不同微宇宙中是否进行了预适应。对于相同微环境下的clones采用来自同一预适应环境下的clones（即共域适应；预适应clones[n=6]和纯培养clones[n=6]）。对于异位种群，clone的选择与它们的预适应历史无关。实验过程中所有的实验设备中都包含75g经两次高压灭菌堆肥样本中进行。预先适应的clone和LacZ原始物种在28°C的KB肉汤中摇晃生长过夜，然后将总共1*107 CFU的P. fluorescens接种到M9缓冲液中，在多样性处理的基础上进行归一化。将其与含有50µL自然群落的土壤浸提液混合，并在M9缓冲液中进一步稀释。
图1 实验设计概述。a代表P. fluorescens在天然微生物存在（+ nmc）和不存在（- nmc）的情况下，预先适应在堆肥环境中，并在培养6周之后被分离及冻存；b代表分离的clones被组配形成不同的多样性水平和不同的预适应历史，并与自然微生物群落一起在堆肥中再培养6周，以探究预适应如何改变局部物种对常驻微生物群落的影响。
1 预适应堆肥导致了焦点物种更高的功能多样性
分离所获得的clones在不同的碳基质上生长不同，不同clones之间以及不同处理之间均存在差异（图2a）。预适应导致了比原始物种（ancestral）表现出更高的表型变异和克隆变异，每个预适应群落都有比ancestral群落表现出更高的值（图2b）。然而，在预适应的微生物群落和预培养但未适应的微生物群落之间，无论是在表型或克隆变异方面都未表现出明显差异（图2b和3a）。为了对多样性的进化进行进一步的研究，我们在跨种群的资源利用多样性中探究clonal与环境之间的交互作用。我们将VCE分为不一致性和响应性两方面因素。预适应群体表现出比原始群体更高的不一致性（即不同clones在不同基质上的专有化程度）（图2d）。而无论是否存在自然微生物群落，两者在进化方面并无显著差异（p=0.39）。此外，是否经过自然微生物群落预适应的种群之间就响应性而言无显著差异（图2c）。总体而言，预适应种群比原始物种具有更高的功能多样性，但这并不受自然微生物群落存在与否的预适应所调控。
图2 clones之间资源使用的差异。a代表原始clones（红色）和预先适应（灰色）和不适应（黑色）自然微生物群落的clones的分级底物适合度曲线；b代表预适应群体比Lacz原始物种具有更高的clone变异；c代表不同处理间就响应性而言无显著差异；d代表无论预适应过程中微生物群落的存在如何，预适应处理的不一致性都较高。
2 表型变异模式与基因组进化模式大致相同
为了探究资源使用多样性的增加是否与基因组变化有关，我们在预适应阶段之后对实验中使用的所有49个克隆（48个预适应和1个原始物种）进行了测序。除一个种群外的其余所有种群的基因组多样性均高于单个clones或原始clone（图3b）。在两种不同的预适应处理中，24倍clones混合物的基因组多样性高于4倍clones混合物中6种组配中的5种。基因组多样性的模式也与表型变异的模式大致一致（图3），这些研究结果表明，焦点物种资源利用的多样化可能是由快速进化驱动的。与此相一致的是，无论是否存在自然微生物群落，预先适应的P.fluorescens种群之间的基因组多样性没有差异。
图3 预适应后资源利用的表型变异反映了相关的基因组变化。a代表种群间资源利用表型变异的差异；b代表群体间基因组多样性的差异。
3 焦点物种多样性驱动着焦点物种对群落组成的影响
我们通过将适应前处理集中在一起，以探究多样性对群落组成的整体影响。焦点物种多样性显著改变了群落组成（PERMANOVA，F3,85=2.30，R2=0.08，p=0.01；图4a）。第一主坐标解释了23.7%的总变异度，同时能够将多样性处理最高的处理（24倍clones）与其他多样性水平分开（图4b）：其中24倍clones焦点物种的群落中有83%被映射到X轴的正轴上，相比之下，单clone样本的仅为31%，4倍clones样本平均为44%，而接种了LacZ原始物种样本平均为33%。进一步，我们采用置换多元方差ANOVA分析，以确定这种分离程度是否具有显著差异。24个P.fluorescensclones接种的群落组成与单一预适应clone（PERMANOVA：R2=0.08，Padj=0.01）、4倍预适应clones（PERMANOVA：R2=0.12，Padj=0.008）和LacZ原始物种种群（PERMANOVA：R2=0.17，Padj=0.036）的组成不同。其他任何多样性处理之间的对比均不显著（PERMANOVAS：所有Padj>0.05）。当观察同一预适应处理中多样性的影响时，在没有自然微生物群落的预适应种群中也发现了类似的结果（高多样性改变了群落组成），但多样性并不影响预适应自然微生物群落的种群的群落组成。
图4 多样性对群落组成的影响。
如同表型分析所预期的那样，在焦点物种任意一种多样性水平上，预适应对群落组成（基于加权Unifrac距离）没有影响（图5）。此外，同源进化和异源进化的群落组成差异不显著（PERMANOVA：F1,21=0.6，R2=0.03，p=0.63）。综上所述，这些结果表明，预适应种群中多样性的进化导致预适应P. fluorescens对群落组成的影响与原始P. fluorescens对群落组成的影响不同。
图5 预适应对不同多样性水平下群落结构的影响。a-c分别代表单clone，4倍clones和24倍clones。
在所有样本中最常见的100个ASVs中，其中的22个ASVs在低多样性（LacZ原始物种、单个clone和4倍clones样本）和高多样性（24倍clones样本）处理之间总丰度有显著变化（图6），其中12个ASVs丰度增加，10个ASVs丰度下降。与焦点物种（P. fluorescens）的系统发育距离与分类单元丰度的变化之间没有相关性。
图6 多样性对常见细菌ASVs丰度的影响。
4 在预适应后，群落中的焦点物种更加丰富
在4982个独有ASVs中，焦点物种的ASV在所有样本中排名第39位。由于焦点物种的不同种类多样性水平最终种群密度不受预适应与否的影响，进一步探究了多样性对焦点物种种群密度的影响发现（图7），不同多样性处理的种群密度不同（多样性存在与否的成对模型的ANOVA方差分析：F3,84=3.78，p=0.013）。LacZ原始物种的最终密度驱动了这种结果的产生（平均每克土壤的多样性密度的log10=5.47，95% CI=5.0 6-5.87），在该组分中，其焦点物种终浓度显著低于其他处理（图7）。然而，焦点物种多样性终浓度在预适应的不同种群密度处理间无显著差异（平均每克土壤的多样性密度的log10=6.16，95% CI=6.05-6.2，图7）。
图7 实验结束时焦点物种的密度。
5 β多样性和α多样性几乎没有变化
群落间多样性（β多样性）在处理水平之间均无总体差异（p>0.05）。然而α多样性在不同处理之间仅便显出微小的变化。有24倍clones处理下，在没有自然微生物群落的情况下预适应群落的α多样性较低，但在焦点物种其他多样性水平处理中没有观察到这种预适应的影响。基于以上结果，焦点物种多样性对整体不造成显著影响。
虽然有研究发现，焦点物种的预适应与该物种存在的纯生态效应一样重要，但如何以及为什么预适应问题的潜在机制仍不清楚。本研究中，我们通过探究焦点细菌菌株（P. fluorescens SBW25）在不同生物和非生物环境中的预适应如何改变天然堆肥微生物群落的后续结构来阐述这些机制。通过研究我们发现，推动群落结构变化的是多样性的快速进化，而不是单纯的适应本身。与原始物种相比，焦点菌株的适应导致了资源使用多样性的进化（图2）。表型多样性的这些变化与遗传变化相关（图3）。与此相一致的是，相对于原始物种对于群落结构的影响，预适应种群只在高水平进化多样性方面改变了群落结构（图4）。多样性的这种影响不能用焦点种群的密度变化来解释（图7），这有力地表明，支撑这种模式的是进化的多样性，而不是伴随的密度变化。焦点物种种群是否共同进化，并没有改变焦点物种对随后群落结构的影响；我们也没有发现焦点物种对群落多样性度量的任何影响。我们的工作重现了先前研究的关键发现，表明预适应在塑造群落组成方面非常重要。然而，至关重要的是，我们表明，预适应后不断增加的多样性水平是推动这一效果的关键特征。在低多样性（单clone或4倍clones）时，与P. fluorescens本身的存在相比，预适应种群对自然微生物群落没有影响（图4-5）。预适应对群落组成的影响只有在高水平的多样性（24倍clones）时才能观察得到。在遗传和表型多样性水平较高的情况下，焦点物种的clones多样化，以专门利用不同的底物资源，焦点物种作为一个整体可能会与更多的其他物种相互作用。然而，量化焦点物种与哪些自然微生物群落的直接相互作用超出了本研究的范围。在100个最常见的ASVs中，22个ASVs在较高水平焦点物种多样性处理中有显著的丰度变化（图6），但ASV的丰度是否显著增加或减少与ASV与焦点物种的关系有多密切并不相关。这可能是由于物种之间的关联性通常不能很好地预测微生物的资源利用和竞争特性。尽管我们的研究不能告诉我们任何关于这些生物资源利用的信息，但它们丰富度的显著变化仍然反映了焦点物种以多种不同的方式与广泛的生物相互作用。预适应增加了生态位分化（图2），这可能以多种方式改变了种间竞争的影响。首先他们可以增加与更多物种的生态位重叠，其次，由于重点物种中较少的个体能够与一些竞争物种对底物进行竞争，因此也可以通过减少与这些竞争物种的生态位重叠来降低所产生的影响。即使在这个包含数百个独特物种的高度多样化的自然微生物群落中，我们也看到了种内多样性的整体影响。因此，种内多样性越高，对群落结构的影响越大，这很可能是生态进化系统的普遍规律。与预期相反，在不存在已有群落的预适应处理下（即进化优先效应），我们并未观察到对群落组成的进化产生影响的现象（图5）。这大概是因为基于分解代谢特征的进化多样性在群落存在或不存在的情况下没有区别（图2）。由于形态类型之间的生态位互补比形态类型内的生态位互补要大得多，因此，我们没有看到预适应对焦点物种的分解代谢剖面有任何影响也许就不足为奇了。考虑到我们假设前者具有更大的多样性，我们曾预计焦点物种的共同进化基因型比随机组合的基因型对群落组成的影响更大。为了验证这种猜想，在设计实验过程中，有一些处理随机组配的，而另一些是来自相同的预适应重复。但我们并没有发现焦点物种共同进化对群落组成的影响。然而，这种效应的缺失与近期的研究相一致。我们的实验设计特别阐述了共同进化如何在进化优先效应的背景下影响群落组成：快速的局部适应加强了定植秩序对群落特点的既定生态影响。当然，在大多数情况下，单个物种不会孤立地进化，相反，物种会同时（共同）进化。目前尚不清楚这将如何改变同时进化的影响，很可能取决于这种共同进化是否增加了物种间资源划分的范围，或者增加了由于种内生态位互补而导致的竞争性排除的机会。综上所述，我们的研究表明多样性的快速进化在决定物种的共同进化对其竞争对手的影响方面是重要的。因此，促进适应多样化的非生物和生物条件很可能导致预适应对群落结构的最大影响。因此，更好地理解促进适应多样化的条件是理解预适应可能强烈影响群落动态的情况的关键因素。
你可能还喜欢
2019年度回顾 | 微生态环境微生物类微文大合辑
2019年度回顾 | 微生态人体/动物微生物类微文大合辑
2019年度回顾 | 技术贴合辑大放送
