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“花非花,雾非雾”:噬菌体表示交互喂养关系绝不简单!

来源:admin    发布时间:2020-07-14   阅读数:102

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。

作者简介


摘要

已有研究表明噬菌体可影响菌群的结构和功能,但其在菌群互作方面的效应尚未阐明,如对交互喂养菌群的影响。本文,作者通过模型预测和试验验证先后分析了两株裂解性噬菌体(T7:大肠杆菌的裂解性噬菌体,P22:沙门氏菌的裂解性噬菌体)对大肠杆菌-沙门氏菌组成的交互喂养菌群的影响。模型分析表明,T7和P22均会短暂抑制相应宿主的生长,但随着宿主抗性的进化,最终与无噬菌体侵染下的菌群组成无显著差异;试验结果表明,P22的实际作用效应符合模型预测,但T7却显著增加了沙门氏菌的生物量,改变了大肠杆菌和沙门氏菌的丰度之比。进一步的研究指出,造成该差异的原因是由于T7裂解大肠杆菌释放可供沙门氏菌利用的细胞碎片,同时驱动部分抗性进化的大肠杆菌产生更多的碳,提高沙门氏菌的生物量。综上,噬菌体对微生物菌群有着广泛的间接影响,且本质上取决于代谢和进化机制,而对微生物抗性进化的认知程度将导致不同的菌群互作预测结果。

问题的源头——模型预测与实验结果之间的差异。 


一、模型预测:T7和P22对菌群组成无显著影响

“大肠杆菌-沙门氏菌”是常见的交互喂养模式菌群,前者以乳酸为碳源并产生后者所需的碳源物质乙酸盐,而后者可以为前者提供必须营养物质甲硫氨酸(图1A)。

首先,作者通过模型分析预测了T7和P22对大肠杆菌-沙门氏菌菌群互作的影响。结果表明,无论是T7还是P22,裂解性噬菌体仅短暂抑制了其宿主微生物的生长,对菌群最终组成无显著影响(图1B);此外,T7和P22也均未显著改变其相应宿主的最终丰度以及菌落形成单位(图1C、1D)。

模型下的噬菌体效应图

图1 模型下的噬菌体效应 (A)大肠杆菌、沙门氏菌和噬菌体的系统模型;(B-D)不同培养条件下ES的生长曲线、物种比例和CFU

二、试验验证:T7改变大肠杆菌和沙门氏菌的丰度之比

与模型分析相对应,作者通过试验进一步研究了不同噬菌体对“大肠杆菌-沙门氏菌”菌群的实际影响。结果表明,P22滞后了菌群的整体生长,但对大肠杆菌和沙门氏菌最终的菌落形成单位以及丰度之比均无显著影响,此结果与模型预测基本一致。相反,T7基本不会阻碍菌群生物量的增加,但却显著降低了大肠杆菌的丰度,并促进了沙门氏菌的生长,该现象与模型预测相矛盾。

问题的延伸——从噬菌体侵染可能造成的结果中寻找答案

模型无法完全模拟复杂的实际环境,因此即便出现差异也在情理之中,但追根溯源,仍可能是模型中缺少与实际试验相对应的关键参数。因此,有必要思考相比于模型,实际的微生物互作中究竟还多出哪些关键的要素呢?带着这个问题,作者首先想到噬菌体的侵染会造成1)细菌抗性进化和2)细菌被裂解两种主要的结果。也正是如此,后续的研究紧密围绕着这两方面展开。


三、抗性——抗性菌株促进其合作者的生长

在噬菌体的胁迫下,部分宿主可能会产生抗性,那么相比于正常宿主,抗性菌株是否能促进其合作者的生长呢?

为了研究该问题,作者对原始菌群进行部分改造,构建了“大肠杆菌(抗性)-沙门氏菌”和“大肠杆菌-沙门氏菌(抗性)”两种不同的交互喂养菌群,并分别研究了两个菌群各自共培养条件下每种菌的生长情况。结果表明,在“大肠杆菌(抗性)-沙门氏菌”菌群中,大肠杆菌(抗性)比例显著下降,沙门氏菌比例显著上升;在“大肠杆菌-沙门氏菌(抗性)”菌群中,两者的比例均无显著变化。造成这种现象的原因很有可能是大肠杆菌(抗性)可以分泌更多的乙酸盐供沙门氏菌生长。


四、裂解——裂解残体促进其合作者的生长

为了研究裂解细胞残体对其合作者生长的影响,作者设置了四个处理:大肠杆菌(非抗性)裂解液+大肠杆菌、大肠杆菌(非抗性)裂解液+沙门氏菌、沙门氏菌裂解液(非抗性)+大肠杆菌、沙门氏菌裂解液(非抗性)+沙门氏菌。所有处理中均不添加甲硫氨酸,单纯研究裂解细胞残体是否可满足另一方的生长需要。

结果显示,大肠杆菌裂解液可显著促进沙门氏菌的生长,但不利于大肠杆菌本身的生长;沙门氏菌裂解液对大肠杆菌及其本身生长均无显著影响,这与上文结果吻合。同时也发现,相比于大肠杆菌,沙门氏菌更能利用其合作者的裂解残体。

问题的本质——来自试验的探究与模型的验证


五、数学模型的完善

通过上述研究发现,在T7的胁迫下,大肠杆菌可能通过产生更多的乙酸盐或将其本身的裂解残体作为养分以支持沙门氏菌的生长。故,作者将这两个因素纳入数学模型,分别模拟了再添加乙酸盐、添加细胞裂解物和两者组合的情况下沙门氏菌的生长情况。

结果显示,乙酸盐、细胞裂解液以及两者组合分别使沙门氏菌的生物量提高了1.45、6.16和6.60倍。该预测虽一定程度上与实验结果相对应,但与实验条件下的实际倍率变化仍相差甚大(图2B左-模型、图2B右-实验),即上述两个因素只能部分解释实验结果。

不同因素的数学模型分析
图2 不同因素的数学模型分析
(A)T7侵染条件下的数学模型;(B)模型分析与实验结果比较,Ac:乙酸盐,CDE:细胞裂解物

六、抗性进化机制也是促进沙门氏菌生长的原因之一

是否存在其他促进沙门氏菌生长的机制呢?作者通过对比大肠杆菌和沙门氏菌抗性菌株形态学的差异发现,大肠杆菌(抗性)是通过产生粘液蛋白来抵御T7的侵染(图3A)。

有研究指出,通过产生粘液蛋白抵御噬菌体侵染是一种缺陷性的防卫机制。所以即便大肠杆菌(抗性)可以在T7噬菌体下生长,但其密度只能稳定在较低水平,相反,敏感菌株则无法生长(图3B)。此外,对大肠杆菌(非抗性)和大肠杆菌(抗性)两个种群中的噬菌体PFU测定发现,即使在抗性种群中,仍然有较多噬菌体的存在(图3C)。这些结果说明,大肠杆菌的抗性机制允许噬菌体持续侵染,从而为沙门氏菌的生长不断地提供细胞残体作为养分物质。

随后,作者将上述三种因素(乙酸盐产生、细胞残体利用、非完全性抗性进化)纳入模型进行分析。结果发现,沙门氏菌的生物量提高55倍有余,显著高于实验测定的数据(图3D),为本文问题的解释提供了较为准确的答案。

裂解性噬菌体T7侵染过程中大肠杆菌抗性的定量研究及沙门氏菌生物量的影响图

图3 裂解性噬菌体T7侵染过程中大肠杆菌抗性的定量研究及沙门氏菌生物量的影响

(A)不同菌株的菌落形态;(B)T7作用下敏感和抗性大肠杆菌的生长情况;(C)敏感和抗性大肠杆菌菌群中T7的PFU;(D)T7吸附常数对沙门氏菌生物量的影响

总结与思考

交互喂养被认为是一种较为稳定的互作模式,代谢物的交换将彼此紧密地联系成一个整体。因此,不少研究指出通过抑制其中一方可以间接抑制另一方的生长,从而实现对病原菌的间接防控。但通过本文的研究,我们不得不注意,交互喂养或许只是一方对另一方施加的“枷锁”,而非共同进步的“阶梯”。在该研究中,大肠杆菌便是施加“枷锁”的一方,沙门氏菌则为“受害者”,表面上“有来有往”,但当T7打破该束缚时,沙门氏菌便获得“自由”,“翻身农奴把歌唱”。 辩证的思维告诉我们,凡事具有两面性。这,或许就是交互喂养这种看似简单的互作关系背后更为复杂的另一面!



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