【周刊】假单胞菌捕食者：探究噬菌体-宿主的相互作用
作者：王孝芳，南京农业大学博士在读。主要研究噬菌体介导的土传病害防控的生态进化学过程。
自然环境中的假单胞菌物种很丰富，“亦敌亦友”：包括了人体致病菌铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa），植物致病菌丁香假单胞菌（Pseudomonas syringae）和益生菌荧光假单胞菌（Pseudomonas fluorescens）。同一个细菌尚且有多个不同的噬菌体，丰富的假单胞菌资源更是提供了更加多样化的假单胞菌属专性噬菌体。假单胞菌-噬菌体是研究宿主-噬菌体相互作用机制的理想模型。这篇综述以假单胞菌及其噬菌体的相互作用为例，从个体到群落水平解析了噬菌体对细菌生态-进化动力学的影响。
图1 三种主要的假单胞菌的菌落形态
在单细胞水平，噬菌体需要克服宿主的抗性系统才能实现侵染。首先噬菌体需要分泌一些酶来降解假单胞菌产生的胞外多糖，生物膜和藻酸盐聚合物，靶定受体。然后利用MTase标记自己，或结合DarA和DarB蛋白及单突变来响应细菌的限制性修饰和CRISPR-Cas系统。最后噬菌体会干扰细菌的毒素-抗毒素系统（Toxin-antitoxin systems），限制细胞膜的去极化，成功侵染细菌。在侵染的过程中，不同噬菌体参与并干扰了假单胞菌的很多重要过程：影响宿主的转录，RNA降解，细胞运动性，CRISPR介导的噬菌体免疫及噬菌体DNA沉默（图2）。
图2 噬菌体影响宿主细菌的关键过程
在细菌群落水平，噬菌体能够驱动假单胞菌生态型的多样性。例如，通过诱导运动型细菌逃离富含噬菌体的环境，或通过触发细菌群体中的粘液转化以逃避噬菌体感染（图3）。“杀死胜利者”模型表明，噬菌体对种群中高丰度细菌侵染的机率增加，最终导致该物种的数量减少，阻止了单一物种主导环境。除了维持多样性外，噬菌体还可以通过选择抗性细菌基因型（暗红细胞）来增加环境中的细菌多样性。当然噬菌体也通过溶原转化为宿主提供选择性优势，温和噬菌体可以增加环境中的宿主适应性，杀死敏感细胞，溶原菌占据对应的生态位。
图3 假单胞菌噬菌体对复杂细菌群落的影响
噬菌体对假单胞菌致病性的影响主要集中在生物膜的形成，毒力和抗生素抗性。噬菌体D3112抗性突变体会减少菌毛的形成，导致粘附性降低，因此，生物膜形成减少。温和噬菌体Pf4在细胞外DNA（eDNA）的释放中起主要作用，降低生物膜基质的稳定性。一些假单胞菌属通过脂多糖（LPS）的改变或截短获得噬菌体抗性，则与生物膜形成和毒力降低有关。假单胞菌对抗生素的敏感性也受噬菌体的影响：作为噬菌体受体的特定外排泵的损失使得它们对抗生素更敏感。然而，噬菌体还可以通过产生特定的毒力因子来增加毒力，例如外毒素（例如，霍乱毒素）和多糖（例如藻酸盐）。所有这些实例都表明噬菌体在塑造环境中假单胞菌属的致病性方面可以具有的复杂作用（图4）。
图4噬菌体对假单胞菌致病性的影响
尽管假单胞菌-噬菌体共进化研究取得了突破，但在噬菌体和宿主之间的相互作用中，生态和分子水平的调控机制之间存在有待进一步研究。进化研究和组学方法的整合以及未知病毒基因的功能阐明仍然是重要的挑战。
参考文献：Pseudomonas predators: understanding and exploiting phage–host interactions
期刊：Nature Reviews Microbiology
DOI：10.1038/nrmicro.2017.61
作者：DS.Joroen et al.
关键词：噬菌体；假单胞菌；相互作用；群落；致病性