【LorMe周刊】竞争感知改变链霉菌抗生素产生
作者：姚感，南京农业大学博士在读，主要研究链霉菌代谢产物对植物根系微环境的影响。
产生抗生素是细菌争夺生存资源和空间的高效竞争方式之一，但这一成本高昂的行为必须受到严格的管控，通常来说负责合成抗生素的基因簇需要特定“信号分子”来诱导表达，其中许多信号来源于细菌的竞争对手，这种由竞争引起的细菌抗生素生产的变化在自然界中是普遍存在的。为研究这一现象，研究使用24株抗生素生产链霉菌菌株，在资源丰富和资源胁迫两种条件下进行互作，结果表明链霉菌抗生素产生对菌株间竞争和资源环境具有高度敏感性。
研究主要使用包括模式菌株天蓝色链霉菌A3(2)在内的24株抗生素产生链霉菌，分别将其作为实验焦点菌株（橙色）和目标菌株（灰色）进行覆盖培养实验，得出24*24种组合共576组基础拮抗实验结果，并使用焦点菌株对目标菌株的拮抗效果表示目标菌株抗生素生产能力。然后将24株链霉菌分别作为竞争菌株（蓝色）引入实验体系（接种位置距离焦点菌株1cm接种，可以通过扩散性分子实现与焦点菌株互作），获得24*24*24种组合共13824组实验结果，用来比较在有无竞争菌株和不同竞争菌株情况下链霉菌抗生素产生（拮抗效果）的差异。同时，所有实验均在资源丰富和资源胁迫两种不同条件下进行，获得两组不同资源下实验结果。
图1 实验设计与原理
在24株链霉菌基础拮抗实验中，约有一半（47.7%，图2A）组合出现菌株之间拮抗活性。同时，在基础拮抗实验中获得了每株链霉菌独特的抑菌指纹图谱，即每株链霉菌的拮抗表型，将其与系统发育间的距离进行相关性Mantel分析，发现其具有显著性相关(图2B)。使用BiG-SCAPE将菌株的生物合成基因簇(BGC)进行聚类分析后与拮抗表型间进行相关性分析，结果显示也具有显著性相关(图2C)。
图2 基础拮抗结果
(A)图中每个正方形展示不同链霉菌菌株组合间的基础拮抗结果，同时每个正方形又被分为两个三角形，其中左上角三角形表示资源丰富条件下拮抗结果，右下角三角形表示资源胁迫条件下的拮抗结果。其中白色表示正常生长，黑色表示有拮抗活性，蓝色表示自我抑制。(B)链霉菌菌株的抑制表型差异和系统发育间的相关性Mantel检验(P<0.001,r=0.27,n=552)。(C)生物合成基因簇(BGC)之间的相关性Mantel检验(P<0.001,r=0.43,n=552)。(D) 抑制概率与系统发育和生物合成基因簇(BGC)距离之间的逻辑回归（Pphylogenetic distance<0.001, PBGC distance=0.046,McFadden R2=0.02, n=536）
相比基础拮抗结果，在引入竞争菌株后，约有一半(48%)的组合中拮抗表型发生了改变，即在约半数情况下，竞争菌株诱导或抑制焦点菌株至少对一株目标菌株的拮抗改变(图3B)。总体来说，竞争菌株的存在，观察到了33%的诱导拮抗效应和45%的抑制拮抗效应。同时竞争菌株的存在也改变了相同菌株间的菌落竞争(58%，图3A中的对角线)。不同的链霉菌菌株对竞争菌株的出现有不同的反应，有些菌株对任何竞争菌株都没有反应，有些菌株几乎对所有竞争菌株都有反应(图3C；诱导拮抗效应范围：0-20，抑制拮抗效应范围：0-22；平均焦点菌株的拮抗效应被7.46±1.5个竞争菌株诱导，被9.66±1.7个竞争菌株抑制)。
图3 资源丰富条件下竞争的存在改变了链霉菌拮抗表型
(A)交互热图显示当竞争菌株存在时焦点菌株对目标菌株拮抗的影响。每个方块被分成两个三角形：上面的三角形用红色表示诱导拮抗效应，下面的三角形用蓝色表示抑制拮抗效应。灰色三角形表示由于实验设计，该菌株不可能进行诱导或抑制。（不拮抗任何目标的应变不能被抑制，而拮抗所有目标的菌株不能被诱导。）（B）灰色条表示单独生长时，被焦点菌株拮抗的目标菌株的数量。黑点表示同一焦点菌株在与24个可能的竞争对手共培养时被诱导/抑制的目标菌株的净数量。显示被拮抗的目标菌株数量与灰色条形图相同的点表明，竞争菌株对目标产生相同水平的诱导和抑制，导致无净变化。(C)诱导或抑制每个焦点菌株的竞争菌株数量。
让人感到意外的是，非拮抗性竞争菌株诱导焦点菌株中抗生素产生的可能性几乎是拮抗性竞争菌株两倍（诱导概率为0.41对0.22），这表明细胞损伤不是抗生素诱导的最主要原因。焦点菌株可以感知竞争菌株的其他方式是检测到其产生的化合物，例如抗生素和群体感应信号，或者由于资源竞争而遭受营养压力。由于初级代谢和次级代谢都与系统发育距离相关，研究检查了诱导是否与系统发育距离相关。正如预测的那样，焦点菌株更容易受到亲缘关系较近的竞争菌株影响（图4B，实线）。为了验证这种效应是否与类似次生代谢物的产生有关，研究测试了诱导差异是否可以用BGC相似性来解释。事实上，焦点菌株更有可能由与它们共享更多BGC的竞争菌株诱导（图4C，实线）。这表明诱导线索更多地依赖于分泌化合物的检测，而不是这些化合物造成的损害。这使得自诱导的情况发生，即焦点和竞争菌株是同一菌株，也可能是由于局部增加了自动诱导剂的浓度的改变。
图4 共培养期间的诱导
(A)在资源丰富（P<0.001，McFadden R2=0.06，n=354）和资源胁迫（P<0.001, McFadden R2=0.12,n=419)条件下，当竞争菌株与焦点菌株的关系是拮抗时，竞争菌株存在对焦点菌株的诱导性低。(B) 资源丰富(黑线)和资源胁迫(虚线)条件下诱导概率和系统发育距离的Logistic回归（P<0.001，McFadden R2=0.02，n=487和P=0.205，McFadden R2=0.00292，n=445) (C) 资源丰富（黑线）和资源胁迫（虚线）条件下诱导概率和BGC距离之间的逻辑回归（P<0.001，McFadden R2=0.04，n=487和P=0.174，McFadden R2=0.003，n=445）。
研究将碳源浓度降低10倍后进行了相同的实验，发现在基础拮抗实验结果中，资源胁迫会略微增加诱导拮抗活性的概率(从资源丰富的47.7%上升至资源胁迫的49.2%，图2A右下三角形)，并且两种资源条件之间只有6.7%的情况出现结果不同。焦点菌株在不同资源条件下对竞争菌株的存在反应不同(图5)，在资源胁迫和资源丰富条件下诱导拮抗表型的变化分别为56.1%和49.1%(图6)。虽然我们预期资源压力会导致更多的诱导，但根据竞争感知假说，在资源胁迫水平下诱导拮抗的发生率略低(30.2% 相对33.0%)。相比之下，在资源胁迫水平下抑制拮抗显着增加，从45.0%到59.1%（图6）。正如在资源丰富水平上，菌株更有可能被无拮抗关系的竞争菌株诱导（图4A，灰色）。与资源丰富条件相比，系统发育和BGC相似性都与资源胁迫环境中的诱导相关（图4B和C，虚线）。
图5 资源胁迫条件下竞争的存在改变了链霉菌拮抗表型（注释信息同图3）
图6 资源丰富和资源胁迫水平下的抑制展示了两种资源水平下的基础拮抗占比、引入竞争菌株时改变拮抗关系数量占比、引入竞争菌株是诱导拮抗占比、引入竞争菌株时抑制拮抗占比
土壤中相邻的微生物为了生存空间和资源进行竞争是常见的，其中最常见竞争的方式就是分泌抗生素或细菌素等细胞毒素，前期研究这些化合物产生的时候通常没有考虑到菌株间互作关系，这使得菌株间互作对抗生素生产的诱导和抑制效应往往被忽视。本研究通过实验证明在资源丰富和资源胁迫条件下，竞争菌株的出现改变了焦点菌株的抗生素产生（图6），在很大程度上扩展了早期研究的结果。同时，结果也表明在资源胁迫的情况下，链霉菌间抑制率明显增加（图2）。这些研究结果表明，链霉菌的抗生素生产对其社会和资源环境具有高度响应，同时研究还建立了BGC相似性对抗生素诱导的重要性。这些研究使我们对自然土壤中抗生素生产的作用和维持微生物多样性的因素有更进一步的了解，同时还有助于识别可用于诱导链霉菌中潜在的抗生素BGCs的因素。
论文信息
原名：Competition Sensing Changes Antibiotic Production inStreptomyces
译名：竞争感知改变链霉菌的抗生素生产
期刊：mBio
发表时间：2021.02
通讯作者：Sanne Westhoff
通讯作者单位：加拿大麦克马斯特大学