【LorMe周刊】微生物分工的形成与瓦解
导读
分工是社会团体的标志性行为之一，不同的小组成员执行着特定的工作，相辅相成，使整体效率大大提升。在微生物群落内也存在着分工现象，它们通过分工合作进行诸如抗生素产生或生物膜形成等行为。但分工也会面临着瓦解，其稳定性仍有待商榷。
在Streptomyces coelicolor菌落中，抗生素的生产是通过分工来进行协调的。
S. coelicolor菌落中能够观察到表型异质性，并且这些异常表型具有遗传能力（图1）。这些随机产生的突变株具有较大的染色体变化（图2A）。使用PFGE分析，通过染色体右臂的缺失产生了两个可测表型：精氨酸营养缺陷型和氯霉素敏感性。氯霉素敏感性表明至少322 kb的缺失，而精氨酸营养缺陷型表明至少843 kb的缺失（图2B）。
图2 全基因组测序和PFGE测定突变株的基因组多样性
与WT菌株相比，突变株具有明显的颜色，这是由于S. coelicolor产生了诸如蓝色的actinorhodin、红色的prodigines和黄色的coelimycin P1等抗生素所导致的（图1）。突变株颜色改变是否意味着其次级代谢产物和抑制谱的改变？对突变株和WT菌株分泌的代谢物进行检测，通过主成分分析可将菌株分为三组：WT和类WT菌株，为氯霉素抗性（CamR）且精氨酸原养（Arg+）型；而在蓝色聚类为氯霉素敏感（CamS）且精氨酸原养（Arg+）型；红色聚类为氯霉素敏感（CamS）且精氨酸营养缺陷（Arg-）型（图3A）。通过基于质谱（MS）的定量蛋白质组学（图3B、C）以及对其他微生物例如Bacillus subtilis（图3D、E）、Streptomyces（图3F）的抑制能力分析得知，较WT而言，突变株抑制能力更强，抑制范围多样。
图3 突变株的次生代谢产物及抑制谱测定
图4 单独培养突变株或与WT共培养时的菌落适应性以及基因组缺失对适应性和抗生素产生的影响
综上，S. coelicolor通过分工将抗生素生产限制在菌落的一小部分内，消除生物合成成本以维持群体适应性，与此同时最大限度地增加抗生素的产量及多样性。
分工也并非是长久、稳定的。成员的自主进化可能会导致分工瓦解。
Bacillus subtilis的生物膜主要依赖于由胞外多糖（EPS）和纤维蛋白（TasA）构成的细胞外基质。在单独培养中，Δeps和ΔtasA突变体不能形成生物膜，但共培养时二者合作成功产膜（图5a-c，转接 0次；图5d）。尽管初始接种比例为1/1，但膜由少量Δeps与大量ΔtasA组成。如图5a所示，在转接第5次时，产膜能力的快速降低，这是由于共培养中ΔtasA的频率增加并始终占据主导地位，但在进化最后的时间点生产力再次上升，表明ΔtasA最终适应了在没有Δeps的帮助下定殖。单独培养表明两株突变株都通过进化能够在液体空气界面上独立定殖，但ΔtasA进化成功率更高（图5b-d）。
图5 进化过程中产膜能力和产膜形态的变化
但是两株突变株的适应策略截然不同：Δeps进化后产膜涉及TasA蛋白的修饰，TasA中的某些残基替换为半胱氨酸导致了膜的形成；而ΔtasA则是涉及epsA-O过表达。下一步探究了两种适应策略对进化谱系的种群动态以及进化过程中相对适应性后续变化的影响。进化后的Δeps种群结构表现出一种“非有即无”的现象（图6a）；而进化后的ΔtasA种群在产膜能力上表现出高度的多样性（图6c）。相对适应性分析强调了Δeps和ΔtasA种群适应模式的差异：后续进化时间点的Δeps种群比原始菌株的相对适应性有了稳定的提高（图6b）；而尽管ΔtasA种群在早期进化时间点表现出相对适应性的增加，但由于原始菌株可能会“搭便车”，导致后续种群相对适应性降低（图6d）。这些结果揭示了进化后的Δeps和进化后的ΔtasA的可利用性差异：尽管表现不佳的菌株“搭便车”的现象在进化后的Δeps种群中少见，但在进化后的ΔtasA种群中却十分普遍。
图6 进化后∆eps和进化后∆tasA种群结构与适应性
由于Δeps和ΔtasA菌株都能在单一培养条件下适应，因此进一步探究了共培养中Δeps和ΔtasA合作瓦解的原因。在三种不同的情况下对Δeps和ΔtasA组合的生产力进行了评估：（1）ΔtasA 先于Δeps适应；（2）Δeps先于ΔtasA适应；（3）两者同时适应。通过人工模拟这些情况，将（1）Δepsanc+进化后ΔtasA、（2）进化后Δeps+ΔtasAanc和（3）进化后Δeps+进化后ΔtasA与原始菌株组合的生产力比较，当ΔtasA预先适应了产膜条件时，组合的产膜能力减弱；反之，增强。此外进化后Δeps+进化后ΔtasA的部分组合表现出比原始菌株组合更高的生产力，并且整体而言，相对于原始组合，频率向Δeps偏移，有助于他们的长期共存（图7）。
图7 ∆eps或∆tasA进化优势对组合产膜能力的影响
综上，ΔtasA和Δeps能够分工产膜，但由于ΔtasA的进化优势导致在共培养情况下Δeps频率下降，阻碍了Δeps的适应，最终导致分工瓦解。
分工是微生物组合的关键特征，分工的优势在于：通过将不同的任务分给不同成员，成员们共同分担责任，使整个群落模块化。但在进化时间尺度上，合作关系并非牢不可破，合作伙伴适应性的差异、成功进化的背叛者的出现使分工瓦解。因此，在合理设计微生物群落时，需要合理运用并维持分工。
参考文献
[1] Zhang Z R, Du C, de Barsy Frédérique, et al. 2020. Antibiotic production in Streptomyces is organized by a division of labor through terminal genomic differentiation. Science advances 6:eaay5781.
[2] Dragoš A, Martin M, Falcón García Carolina, et al. 2018. Collapse of genetic division of labour and evolution of autonomy in pellicle biofilms. Nature microbiology 3:1451-1460.
[3] Brenner, K., L. C. You, and F. H. Arnold. 2008. Engineering microbial consortia: a new frontier in synthetic biology. Trends in Biotechnology 26:483-489.
[4] Giri, S., S. Waschina, C. Kaleta, and C. Kost. 2019. Defining Division of Labor in Microbial Communities. J Mol Biol 431:4712-4731.
南京农业大学-土壤微生物与有机肥料团队
微生态与根际健康实验室
Lab of rhizosphere Micro-ecology
立足国家需求，探索学科交叉，引领国际前沿
开展微生态研究、致力于根际健康提升、培养一流创新人才
竞争求发展，合作谋共赢Competition & Cooperation
感谢您的关注和支持！