【周刊】名人实验室之牛津大学Foster实验室

作者：李梅，南京农业大学博士在读，即将去荷兰Utrecht University进修学习。主要研究根际微生态调控、根际菌群互作特征与番茄青枯病病原菌入侵等。希望与大家加深交流，相互学习。

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！本期周刊主要为您介绍微生物研究领域的重要实验室——牛津大学Foster实验室。

牛津大学Foster实验室以领头人 Kevin Foster 教授的名字命名，成立于牛津大学动物学系。主要研究微生物之间和其他群体生物物种之间的社会互作：生物体经常与自己的和其他物种的成员发生相互作用，当这些相互作用影响到达尔文自然选择的流通——生存和繁殖时，它们在进化上就是“社会性的”。我们研究社会互作如何影响和定义生物系统，研究动物群体和基因组内的相互作用，包括转座子进化。但我们主要关注的是微生物，它们通常生活在密集和多样化的群落中。最近，我们将注意力转向宿主共生系统，包括哺乳动物的微生物群落。

实验室领头人Kevin Foster教授

Foster实验室主要研究成果

（1）物种两两相互作用模型

Foster等人定义了物种两两相互作用的模型（图1）：根据两个物种共培养前后的生物量变化将物种两两之间的相互作用划分为（B）没有作用、（C）合作作用、（D）竞争作用。他们通过将树洞中的微生物随机组合成两个物种群落，来研究不同菌株两两间的相互作用，发现菌株两两之间的作用模式表现为竞争的可能性更高，从而得出结论：支配可培养微生物之间相互关系的不是合作，而是竞争(Foster and Bell 2012)。

图1 物种相互作用模型（适合度fitness表示两个物种的生产力）。（A）被两个物种占领的初始生态位空间。（B）如果没有相互作用，物种的生产力不会被其他物种的出现影响。（C）如果存在负相互作用，比如干预竞争，一些物种的生态位可能被改变，并且群落全部生产力会降低。（D）如果存在正相互作用，比如促进作用，某物种从其他物种的出现获益并且群落总生产力增加。图中虚曲线是为了和（A）中最初始的生态位比较。

（2）面对压力时细菌或“战”或“逃”

或“战”或“逃”策略是心理学中人面对压力时做出的反应，要么接受挑战，要么选择逃避。细菌在面对竞争压力的时候也会选择这两种策略。随着种群密度的增加、种群丰富度的增加和这两者同时增加，细菌会受到来自养分的压力、由其他细胞产生毒素引起的细胞损伤的压力和非生物源压力，并会做出相应的响应（图2）。这时种群会通过群体感应信号交流对压力作出反应，比如分泌毒素、胞外酶、次级代谢产物等等。那么对于不能产生这些物质的没有竞争力的细菌来说，只能采取“逃”的战略避免压力(Cornforth and Foster 2013)。

图2  竞争感应和群体感应的相关信息。养分压力（N），由其他细胞产生毒素引起的细胞损伤（D），相关群体对同一种细胞产生的混合物的响应（Qs）和相关群体对其他细胞产生的混合物的响应（Qo）。

（3）微生物之间互作与群落稳定性

人类肠道靠着巨大复杂的有益微生物群落来维持长期稳定。这种稳定性对健康非常关键，但我们却知之甚少。这里作者用大量的生态理论来帮助我们理解微生物稳定性。尽管微生物之间合作时会比较高效，但是那样的关系并不稳定。相反，当竞争能抑制合作关系并且增加稳定性时，宿主会受益于微生物之间的竞争。一般地，限制正回馈作用可以促进稳定性：因为作者发现逐渐增加群落中合作关系的比例几乎总是降低群落的恢复力，可能也会降低群落的稳定性；尽管竞争可能会驱动低效现象，但是它会抑制合作的不稳定效应导致的群落成员丢失(Coyte et al. 2015)。

图3 群落中合作比例的增加降低群落稳定性。（A）群落相互作用网络中合作关系的改变，Pm表示合作在相互作用类型中所占的比例；（B）在竞争群落中增加合作比例时群落稳定性的变化，Pc表示竞争在相互作用类型中所占比例；（C）（D）（E）表示随着群落中合作比例的增加群落稳定性的变化；（F）基于个体模型的动力学。即使物种密度没有恢复到初始值，永久群落也会在扰动之后保持所有的原始物种；而在非永久群落中，物种密度的扰动会导致部分或全部物种灭绝。