【LorMe周刊】互帮互助 开疆拓土——交叉喂养扩大细菌生态位
作者：樊哲，南京农业大学硕士在读，主要研究根际模式合成菌群构建。
在自然界中，微生物间存在着复杂多样的相互作用，细菌经常会与其他微生物进行专性代谢共生，这种行为会通过代谢依赖性而影响微生物群落中个体可用的生态位空间，但是该行为如何影响整个群落的生态位空间尚不清楚。本文作者通过在不同种类的碳源中单独地或成对地培养不同的代谢依赖性菌株来解决该问题。实验结果表明，专性交叉喂养更有可能扩大而不是收缩相互作用细菌种群的代谢生态位空间。此外，生态位扩张主要发生在两个具有狭窄生态位空间的类群之间，并且与相互作用伙伴之间的系统发育距离呈正相关。总言之，专性交叉喂养可以显著扩大相互作用的细菌的生态位空间，这也解释了该类型细菌的生态相互作用在自然微生物群落中广泛发生的原因。
为了分析专性代谢交叉喂养如何影响细菌在不同环境中生长和存活的能力，作者设计了五种不同的营养缺陷型细菌。由此产生的突变体无法自主产生四种不同氨基酸中的一种（即精氨酸 ( ΔargH )、组氨酸 ( ΔhisD )、亮氨酸(ΔleuB ) 或色氨酸(ΔtrpB 或 ΔtrpC )），在没有外部供应基本代谢物的情况下单一菌株生长会受到抑制。作者分析了两种营养缺陷型菌株的“生态位空间”（即它们可用于生长的碳源）从而预测两种菌株的共培养物（即两个菌株可利用碳源的交集；图1a,b)。由于营养缺陷型菌株需要外部氨基酸供应才能生长，而在共培养时没有补充氨基酸，因此两种营养缺陷型菌株的生长依赖于与相应的伙伴间相互交换的代谢物。通过对菌株在单独生长时的生态位空间与在共培养条件下生态位空间进行比较，推断专性交叉喂养对相互作用细菌的生态位空间的影响。“生态位扩张”表示共培养中的一株或者两株菌都无法单独生长，但两者在共培养条件下均可以生长的情况（图1c）。而“生态位收缩”表示为双方都可以单独生长但在共培养中不能生长的情况（图1d）。
作者根据菌株在单独培养时的碳源利用情况对共培养时的生长情况进行预测，将预期的碳利用曲线与实验观察到的现象相比较显示，在 41% ± 1.4% 的情况下，单一培养的生长模式正确预测了在共培养条件下观察到的模式（图2）。而在 40% ± 2.1% 的情况下，专性协同相互作用增加了共培养可用的生态位空间，在 19% ± 0.8% 的情况下，生态位空间减少（图2）。并且在所有生态位扩张中两种营养缺陷型都不能单独生长（双生态位扩张）的情况占15%。在这种情况下，使用相应碳源进行生长的能力完全来自两种营养缺陷型菌株之间的代谢相互作用。
图2 对菌株单一培养（预期）和共培养（观察）时使用的碳源数量进行量化
这些结果表明，专性协同相互作用可以强烈影响两种相互作用细菌菌株的生态位的大小和形状，且生态位扩张的频率明显大于收缩的频率。
为了确定影响成对共培养生态位空间的因素，作者进一步检测了单一培养时菌株生态位的大小和重叠对共培养时生态位扩张或收缩的影响。将具有狭窄的生态位空间即利用相对少量碳源的菌株，命名为生态位专家（niche specialists）。而使用大量碳源占据更大的生态位空间的菌株，命名为生态位通才（niche generalists）。作者预测当通才与通才共培养时，菌株间共享彼此都可利用的碳源的可能性（即生态位空间的交集）会很大。如果生态位扩张，共培养可利用的碳源数量则会很少。相反，当专家之间发生互动时，菌株间共享可以利用的碳源的可能性可能会低于通才与通才互动的情况。因此，在专家之间的互动中，如果生态位发生扩展，共培养可利用的碳源数量会很大。
高斯非线性模型分析的结果与预期一致，当专家与专家互动时，生态位扩张更常见（图3a），而通才与通才互动时生态位收缩更明显（图3b）。因此，这些结果证实，两个协同相互作用的个体的专性代谢程度决定了共培养时的生态位是大于还是小于个体单独占据的生态位空间。
合作伙伴生态位空间扩张还是收缩也需要考虑合作伙伴间生态位的相似程度。两个菌株之间的生态位差异是指两者不具有共同（即非重叠）的碳源种类（图3c），而两者生态位重叠程度表示其生态位空间的相似性（图3d）。分析生态位差异与生态位扩展程度之间的统计关系发现两个参数之间存在显著正相关关系（图3c )，两个菌株之间的生态位相似性与共培养时的生态位收缩也呈正相关关系（图3d）。
结果表明了相互作用的菌株所使用资源的数量和种类的差异，是决定协同相互作用合作伙伴代谢生态位扩张还是收缩的关键因素。即相互作用伙伴之间的代谢差异有利于生态位扩张，而代谢相似则倾向于收缩代谢生态位。
最后，作者测试了共培养中的生态位变形是否在一定程度上取决于相互作用伙伴之间的系统发育相关性（图4a）。作者预计两个密切相关的物种会在共培养中表现为生态位空间的大量重叠，这将导致共培养时生态位空间的收缩，因为两个菌株在资源利用方面有很大的相似性，因此竞争更加激烈。相比之下，两个系统发育距离更远的物种的生态位空间预计重叠较少，相对于单一培养的条件，可能有利于共培养中的生态位扩张。实验结果证实，生态位重叠和系统发育距离之间有显著的负相关关系。此外，生态位扩张和系统发育距离显示出明显的正相关（图4b），表明生态位扩张的可能性随着系统发育距离的增加而增加。而生态位收缩与系统发育距离之间存在显著负相关关系（图4c）。
作者进一步观察到，与物种内相互作用相比，生态位扩张在不同物种的菌株间显著较多（图4d )。而同一物种成员之间的相互作用则更有可能收缩该组合的生态位空间（图4e )。总体而言，物种之间的系统发育距离是专性交叉喂养相互作用中生态位扩张或收缩的关键预测因子。
通过利用合成细菌模型系统，作者以高通量方式系统地研究了互利相互作用如何影响相互作用个体的代谢生态位空间。实验结果表明，协同相互作用可以将生态位扩大到超出原本生态位的限制，这一观察结果与经典生态位理论形成鲜明对比。该研究可以帮助揭示复杂微生物生态系统多样性出现和维持的基本原则。此外，基于生态位的预测是一种未被充分利用但很有前景的工具，这项研究的结果可用于指导为医学或生物技术应用合理设计微生物组。未来的研究应该分析如何根据其他更复杂的相互作用确定群落中个体的生态位空间，以及这些变化如何产生生态进化反馈，进而影响生态系统稳定性和功能等基本过程。
论文信息
原名：Obligate cross-feeding expands the metabolic niche of bacteria
译名：细菌间专性交叉喂养扩大了其代谢生态位
期刊：Nature Ecology& Evolution
发表时间：2021.07
通讯作者：Christian Kost
通讯作者单位：奥斯纳布吕克大学生物/化学学院生态系