【LorMe周刊】移动性和空间竞争驱动细菌共存

作者：任鹏，南京农业大学硕士在读。主要研究根际资源与微生物互作。

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，移动性和空间竞争如何驱动细菌共存以及背后潜在的机制。原文来自于2020年发表在Nature上的文章《Bacterial coexistence driven by motility and spatial competition》。

摘要

细菌以竞争、合作、代谢物交换的互作方式已有大量研究，但移动性在细菌共存方面的作用尚不清楚。文章中，作者表示种群数量低的一方会产生更大的竞争优势，且数量低、迁移率强的种群限制数量多、生长速率强的种群向外迁移；相反，后者抑制前者在最初接种区域的定殖，从而形成空间上的分离与稳定共存结构。该现象与生长-迁移权衡关系、总接种量和生长区域面积相关。结果显示，移动性的差异和生长-迁移权衡关系可以促进细菌的多样性，且移动性对生态位的形成和种间稳定共存具有重要作用。

一、竞争关系倒置是共存的前提

为了研究空间因素在细菌共存的作用，作者对两株来自同一宿主的大肠杆菌A和B进行标记并按一定初始比例R₀（R₀=A/B）分别接种于液体培养基和半固体培养基中（图1a）培养。结果显示，在液体培养基中，最终的R值与R₀无关，即无论A的初始浓度是多是少，A都占据相对优势（图1b）；相反，在半固体培养基中，R与R₀表现出负相关关系，即初始浓度小的一方反而占据更大生长优势（图1c）。当负选择函数曲线不通过横轴时（R的倍数变化恒>10⁰），一个种群无论初始数量如何都会被压制，最终被淘汰（图1d左）而无法达到稳定共存。因此，微生物共存应该根据竞争关系倒置严格定义，即：种群数量低的一方必须有更强的竞争优势，才能保证两者最终达到一个共存的平衡点（图1d右）。

图1  液体和半固体培养基共培养实验

（a）大肠杆菌A和B不同体系下的混合培养；（b，c）不同体系培养下R值的变化；（d）竞争关系的倒置与稳定共存，左图：有竞争关系倒置（上方曲线）和无竞争关系倒置（下方曲线），右图：有竞争关系倒置（实线），无竞争关系倒置（虚线）

二、共存原因初探

为了进一步探究，首先对A和B进行单培养和共培养（R₀=1，半固体培养基）。结果显示，单培养条件下，A和B在均能长满整个平板；共培养条件下，A和B的分布表现为空间上的分离（图2a）。实验证明，该现象并非由拮抗物质的产生而导致，且作者另外发现有生长优势的一株菌和有迁移优势的一株菌也表现为空间上的分离，无或弱生长-迁移权衡关系的两株菌之间无空间分离现象（图2b）。

生长-迁移权衡关系是否影响着菌与菌之间的分布和共存?作者对只有生长和迁移两种特性不同的菌两两组合进行实验。结果显示，具有生长-迁移权衡关系的菌株对表现为空间上的排斥，尤其是工程菌株对“LAB1-LAB5”（图2e，2f，2g），而无和弱的生长-权衡关系不会导致空间分离现象（图2c，2d，2g）。

结合已有研究和上述结果可以得知：分泌物如拮抗物质的产生与菌之间的生长排斥不存在绝对的因果关系，生长-迁移权衡同样可以造成空间上的分离进而形成共存结构。

图2  生长-迁移权衡与空间排斥

（a）不同培养模式下A和B的空间分布；（b）不同野生型菌株对之间的生长-迁移权衡关系，数字为菌株代号；（c-f）不同生长-迁移权衡关系的工程菌株对之间的作用，μ和v分别表示生长速率和迁移速率；（g）不同工程菌株生长和迁移速率的定量分析

三、从移动性和空间竞争阐述共存机制

生长-迁移权衡使不同细菌发生分离进而共存，而背后的潜在机制是什么？作者通过实验（图3a）和模型分析（图3b）从两方面解释了原因：1）B（迁移速率快，生长速率慢）将A（生长速率快，迁移速率慢）限制在中心区域，消耗菌落边缘养分并阻断养分流入中心，限制A的生长(图3c)和迁移(图3d)，随后向外围扩散；2）A通过控制养分消耗占据中心区域直到养分阻断的发生，从而限制B在中心区域的生生长(图3a-c)。此外，A迅速消耗养分，加速养分梯度形成，刺激B迅速离开其领域。

上述的研究分析以R₀=1为基础，而后作者对野生菌株对“A-B”以及工程菌株对“LAB5-LAB1”分别进行不同R₀条件下的共培养。结果显示，无论初始比例如何，生长速率快但迁移速率慢的菌株（A和LAB5）占据中心区域，迁移速率快但生长速率慢的菌株（B和LAB1）占据外围区域。此外，初始种群数量越小的一方，竞争强度越大，尽管数量上被压制，但仍然可以形成一个密封的包围圈（图3e，3f）。最终，形成稳定共存的局面。

图3  竞争迁移中的排斥与阻遏

（a，b）实际测定和模型下的A（红色）和B（蓝色）的时空分布，实线：单培养，阴影区域：共培养（R₀=1），黑色实线：A的养分，虚线：B的养分，灰色区域：共培养时的养分；（c，d）种群大小和菌落半径随时间变化，实线：共培养，虚线：单培养；（e）不同R₀的共培养结果；（f）实际测定和模型的选择函数曲线，红色：“A-B”，蓝色：“LAB5-LAB1”，灰色：“A-B”液体培养基中共培养

四、稳定共存的三个条件

通过上述分析得知，具有不同生理特性的细菌最终可以达到一种平衡状态，如果打破这种平衡，应该会使某一亚群发生改变甚至灭亡。因为X（生长速率快）生长需要纵向延伸的高度，Y（迁移速率快）生长需要横向延展的宽度，此外还需要生长-迁移的权衡关系（图4a，4b）。MKS模型分析显示，当改变上述条件时，稳定共存的平衡被打破（图4c-e）。以工程菌株对“LAB5-LAB1”为材料，通过三种实验方法：增加菌株总的接种量（减少纵向延伸高度）、以涂布代替点接（减少横向发展宽度）和弱化LAB5生长能力（打破生长-迁移权衡关系）研究两者的生长情况。结果显示，菌株之间平衡关系均被打破（图4f-h）。

图4  限制共存的条件分析

（a，b）稳定性的限制因素；（c-e）模型分析：横向延展半径、纵向延伸高度和生长-迁移权衡关系对菌株稳定共存的影响；（f-h）实验测定：横向延展半径、纵向延伸高度和生长-迁移权衡关系对菌株稳定共存的影响

总结

代谢功能互补、群感效应调节甚至是拮抗作用均对微生物的共存具有重要意义。但在本文中，作者指出竞争关系倒置和生长-迁移权衡关系也能使不同微生物形成稳定共存结构，并指出其背后潜在的机制——移动性和空间竞争。该研究从不同的角度阐述了微生物共存的机制，为今后进一步研究微生物互作提供更多元化的方式。

论文信息

原名：Bacterial coexistence driven by motility and spatial competition

译名：移动性和空间竞争驱动细菌共存

期刊：Nature

IF：43.07

发表时间：2020.2.19

通讯作者：Sander J. Tans

作者单位：荷兰代尔夫特理工大学