科研 | Nature 子刊: 细菌的适应能力在复杂的群落中受到限制
编译：IAM Spring，编辑：小菌菌、江舜尧。
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一个尚未解决的主要问题是，生活在复杂群落中的细菌是如何应对环境变化的。在群落中，生物的相互作用可能促进或限制进化，这取决于相互作用是扩大还是缩小生态机会的范围。一个基本的挑战是要了解随着物种适应新的环境条件，周围的生物群落如何改变进化轨迹。本研究用一种新颖的方法证明了群落可以极大地改变微生物进化动态，即在复杂的群落中“囚禁”个体的局部应变。
研究发现，菌株的进化取决于菌株和周围菌群的特性。特别是，在低多样性群落中，当重点物种有一个较大的基因组并且最初适应能力较差时，会有更强的进化反应。本文探究了群落环境如何影响资源使用，并检测了涉及碳代谢和种间相互作用的遗传变化。这些发现表明，对新环境条件的适应应该在种间相互作用的背景下进行研究。
论文ID
原名：Bacterial adaptationis constrained in complex communities
译名：细菌的适应能力在复杂的群落中受到限制
期刊：Nature Communications
IF：11.878
发表时间：2020.02
通讯作者：Thomas Scheuerl
作者单位：伦敦大学
实验设计
微生物材料: 2013年8月至2014年4月期间在充满水的树洞取样，取样地点为在英格兰南部，针对不同程度的生物多样性和健壮性共选择11个微生物群落。采用16S扩增子测序。通过在R2A琼脂分离菌株，并鉴定个体菌株。将这些'菌株保存在-80℃。
进化实验：
在实验过程中，每周更换10%的培养基。在实验结束时，在“共同进化”群落存在的两周内，对进化后菌株与原始菌株的表现进行了评估。流式细胞术检测细胞计数，以平均细胞数增加为指标。我们以1:1的比例启动了这些进化/原始竞争实验，并跟踪了比率随时间的变化。比例>1表明，在与群落竞争时，进化的菌株比相应的祖先建立了更高的细胞密度(通过分析比较时比例的正斜率表示)。
利用统计方法分析数据：
采用线性混合效应模型解释了“应变-群落”组合的比例变化。“时间”作为解释变量，解释随时间的复制，个别微观世界作为随机效应。
外部属性和内部属性以及资源使用：
根据16S rRNA位点测序数据，通过量化群落的生物多样性(Shan- non’s Index)来量化群落的外在属性。使用Bactiter-Glo试验测量了pH7培养基和pH 5.5培养基的瞬时活性差异，从而测量了原始群落的生态性。使用酶分析试剂盒，通过测定进化菌株的和原始菌株的酶活性，来评估微生物如何进化的。这些酶可以代谢顽固的(纤维素)、不稳定的(木糖)和中间的(几丁质)底物。通过对原始克隆的全基因组测序来估计基因组的大小。
基因组测序和群落组成的变化：
进化的和原始的种群进行全基因组测序。
结果
1. 各群落菌株的演化不同
目标菌株(图1)在不同群落中的表现差异很大(图1)。一些进化物种对实验室条件有很强的适应能力，其种群密度较原始种群(如Raoultella sp.2, Curtobacterium sp.1，Rhizobium sp.1)有较大的增加，而另一些则表现出较弱或不显著的适应能力(如Serratia sp., Microbacterium sp)。类似地，一些群落(图1)允许目标菌株适应(如群落1、3、4和7)，而其他群落是限制性的(如群落2、5、6和8)。相似性并不是简单地用遗传相似性来解释:Raoultella sp.1显然具有在某些群落中快速适应的能力，但Raoultella sp.2却没有表现出相同的模式。相反，大多数物种的进化依赖于目标菌株和群落之间的相互作用，解释了38%的进化变化（图1）。
图1 复杂群落中菌株的演变
2 外在属性和内在属性决定菌株进化
我们根据群落的多样性来描述群落的特征和它们对环境扰动的生态“稳健性“从而量化外部因素对目标菌株演化性的影响。将生态稳健性量化为各个原始群落在低pH条件下的瞬时活性降低程度。稳健的群落几乎不受pH值变化的影响。发现表明，在低多样性的群落中，目标菌株表现出更高的性能（低香农指数，图2a）。结果表明，尽管菌株具有很强的适应能力，随着群落变得更加多样化，这种能力也在减弱。这似乎不仅仅是丰富度(分类单元的数量)的结果，而是丰富度分布不均的结果。有几个因素可能导致这种模式。例如，目标菌株可能更容易适应少数优势种(低香农指数)，而不是多个丰富的物种。资源的竞争可能是一个因素，限制了菌株在不同的群落的适应能力。另一种情况是，物种多样性较低的群落自身适应新环境的速度可能较慢，因为大部分物种的丰度较低，这使目标菌株具有相对优势。在低稳健性的群落中，进化株有更大的能力将几丁质作为一种资源。这可能表明几丁质在pH值为5的群落中更容易利用。
我们还量化了原始菌株的四个内在特性：它们在单一栽培条件下遇到低pH值时的适应程度（在pH值为5.5与pH值为7时的瞬时活性降低）。它们在所有群落中的平均丰度，(iii)它们推断的基因组大小，(iv)它们与某一目标菌株的系统发育距离。研究发现，基因组较大的菌株具有更强的适应实验室环境的能力（图.2b）。较大的基因组更可能包含对新环境的预先适应能力。具有最高可进化性的目标菌株在它们的本地群落中也相对罕见，而且与具有最高平均可进化性的菌株(Raoultella)在系统遗传学上关系更密切，因此可能占据未被充分利用的生态位。
外在表现和内在表现的相关性表明，预先适应在提供进一步适应的机会方面起着关键作用。在这种模式下，生态机会由外部因素(如低多样性群落)提供，而适应能力由适应前(适应不良程度)和可用的工具包(基因组大小)决定。研究发现，内部和外部因素对资源利用的演变有显著影响，特别是与纤维素和几丁质降解有关(图2)。
图2 外因和内因对菌株性能和酶用量的影响
3 进化的目标菌株利用了顽固的资源
更详细地观察基质的使用是如何演变的，发现了一致的进化轨迹(图3a)。首先，对于大多数的菌株-群落组合，酶活性变化不大，这表明，这些菌株要么受到内部因素的影响，要么受到外部因素的影响，原始的生态位是局部菌株最优的，或者没有足够的时间进行重大的进化变化。对于那些通过生态位转移，选择做出反应的重点菌株，它们的底物使用情况发生了一致的变化，以几丁质为能源，增加了使用纤维素的能力。总的来说，这个结果是合理的，因为培养基的低置换率可能会导致顽固的底物积累。最后，那些纤维素和几丁质降解能力最强的原始菌株的选择反应(图3a)有最高的趋势。这一结果再次暗示了对资源环境的预先适应的重要作用。
图3 基质降解能力的演化及原始资源利用的影响
4 遗传变异是进化的基础
使用基因组测序来确定遗传变化是否为观察到的表型变化的基础。特别的，对进化的Raoultella sp.1和sp.2在整个群落中进行测序（图4）并将其与原始群体的基因组序列进行比较。这种方法揭示了几种遗传变异，包括在实验过程中获得的变异。有证据表明，其中一些变异与碳变质有关(kdgT基因;调节果胶代谢的2-酮-3-脱氧- D -葡萄糖酸转运体)。在种间相互作用中(pipB2基因，一种可改变细胞相互作用的分泌效应蛋白)。与观察一致，基质降解和群落相互作用可以解释目标种群进化的轨迹。在Raoultella菌株进化过程中，群落多样性对遗传变异的分布和特征没有明显的影响，这可能是因为选择的目标是不同社区的相似位点。
图4 不同群落进化的Raoultella菌株的遗传变异
5 最终群落相似类群为主导
为了观察在实验过程中生物环境是否发生了变化，我们通过16S扩增子测序来确定群落的变化。虽然所有的最终群落都是分散且高度多样化的，但群落之间的初始差异在实验过程中逐渐消失，最终群落逐渐趋同，实验结束时各群落之间没有显著差异。特别是，所有的最终社区都由Erwinia sp.,Klebsiellasp., Serratia sp., Pseudomonas sp., or Pantoea sp.组成。这一结果还表明，在不同的群落中，对目标菌株选择的反应是不同的，可能是由于实验早期群落组成的差异。
虽然不同的非生物选择性压力无疑会在菌株和基因进化方面产生不同的结果，但我们认为这些结果说明了细菌群落的一般特征：不能孤立地看待对适应的外在和内在影响，因为这两个组成部分之间的相互作用比单独一个组成部分要重要得多(图1)。在这种情况下，外部因素提供了适应的机会，但是，只有在有能力的情况下，目标菌株才能利用这些机会。生态位变化和进化能力之间的相互作用很可能对种群如何应对环境条件的变化产生重大影响。
图5 实验前后群落组成变化
讨论
本研究为细菌的适应能力在复杂的群落中受到限制提供了一个初步的了解。当细菌种群进入到复杂的群落中时，它们是如何适应环境的，揭示了理解生物环境对物种进化是至关重要的。为了需要做更多的工作来理清所观察到的变化机制，但是关于群落进化需要联合考虑内在物种变量和外部群落变量之前的关系。
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