【LorMe周刊】初始接种比例调控细菌共培养互作与代谢
作者：李婧璇，南京农业大学博士在读，主要研究合成微生物群落。
共培养是微生物生态学研究中的重要模式系统。初始接种比例作为关键实验参数对共培养系统的结果有着至关重要的影响。但是目前从未在多种生态位条件下研究过这一效应。本文构建了Pseudomonas putida和Escherichia coli的共培养系统，并在71个不同的碳源中以初始比例（EC/PP）为1：1000、1：1和1000：1进行共培养。在确定了两个物种对各种碳源的偏好后，研究了碳源和初始接种物比例对最终比例的影响。在此基础上，通过比较不同培养方式下的碳源使用情况，揭示了初始比率对群落功能的影响。
在所有碳源的共培养中条件下，P. putida的占比较大。因此，培养24小时时，E. coli数量与P. putida数量之比几乎最终都小于1。在59种碳源下三种共培养的最终比例差异显著（图1A）。虽然大多数共培养的最终比例不同，但最终比例比与初始比例的相关性较弱，共培养的最终比例比最高的是1:1000共培养（D -甘露醇和D-丝氨酸）、1000:1共培养（甘油）和1:1共培养（果胶）（图1B）。图1C中列举了一些三种共培养没有差异的碳源。此外，碳偏好与最终的比例没有相关性（图1）。
图1 共培养中物种的最终比例
E. coli偏好18种碳源（图2A），P. putida偏好27种碳源（图2B）。下一步对每种碳源下三种共培养的最终比例进行量化，并按照偏好碳源分组比较结果，发现在E. coli偏好碳源下共培养最终比例最高，而P. putida偏好碳源下共培养最终比例最低（图2C）。在E. coli偏好碳源下三种共培养的最终比例相似，相比之下，在非偏好碳源和P. putida偏好的碳源下，1:1000共培养的最终比例显著低于1:1和1000:1共培养的最终比例（图2D）。
图2 碳源偏好
对71种不同碳源下两种单独培养和三种共培养的代谢能力CUE谱进行测定，绘制了71种碳源之间的差异聚类热图，并将碳源分为三组：U1、U2和U3（图3a）。U1有41个碳源，包含24个非偏好碳源、9个P. putida偏好碳源和8个E. coli偏好碳源，该组的CUE值在所有组中普遍较低，说明这些碳源大多难以利用。U2有14个碳源，包含10个E. coli偏好碳源、2个非偏好碳源和2个P. putida偏好碳源，其中1:1和1000:1共培养的CUE远远高于其他培养方式。U3有16个碳源，均为P. putida偏好碳源，除E. coli单独培养外，CUE均较高。显然，U2碳源下的CUE是造成1:1和1000:1共培养与其他培养方式差异显著的主要因素。图3b显示了这14个U2碳源培养的CUE。E. coli和P. putida需要在适当的初始比例（1:1和1000:1）下进行共培养才能利用U2碳源。上述结果表明初始比例能够调控不同生态位条件下共培养的代谢能力。
图3 初始接种比例调节共培养碳源利用谱
首先对共培养在碳源利用中的相互作用模式进行定义。如果共培养整体的CUE比单独培养的最大CUE要高的话，就是正相互作用，如果整体的CUE比单独培养的最小CUE要低的话，就是负相互作用（图4B）。然而，事实上共培养的CUE不太可能是这种极端情况，因此需要考虑两个物种的占比。共培养的理论CUE为单独培养的CUE乘共培养中的比例再相加（图4C，D）。假设测量CUE和理论CUE为正态分布且平均值分别为μ1和μ2，若μ1显著大于μ2，则表明有正相互作用（图4C）。反之若μ1显著小于μ2，则被认为负相互作用（图4D）。
结果发现，1:1000共培养具有62％的负相互作用和仅7％的正相互作用；1:1共培养具有25％的负相互作用和46％的正相互作用；1000:1共培养具有11％的负相互作用和30％的正相互作用（图5A）。1:1和1000:1共培养中的两个物种比1:1000共培养更有可能协同利用碳源。为了阐明碳源类型对物种相互作用的影响，根据碳源利用分组（图5B）和碳源偏好（图5C）进行下一步分析。结果表明，不管碳源类型如何，1:1共培养中含有最多的正相互作用，而1:1000共培养含有最多的负相互作用（图5B，C），初始比例对细菌相互作用有较大影响，碳源特征可以调整初始比例对细菌相互作用的影响。此外还发现，在共培养条件下，建立正相互作用有利于增加E. coli和P. putida种群数量，而建立负相互作用时，E. coli和P. putida菌群数量较未发生相互作用时显著降低（图5D，E）。
图5 共培养中E. coli和P. putida的相互作用关系
本研究探讨了初始接种比例对细菌共培养最终功能和结构的影响，发现初始比例可以影响群落的结构、功能以及细菌间的相互作用。结果表明，两种物种间的相互作用会随初始接种比例和生态位条件的变化而变化。本文发现1:1和1000:1共培养在利用14种特定碳源下显示出协同合作，从而大大提高了整体CUE（图6）。潜在的原因是因为初始比例导致了物种互作模式的改变。本文证明了初始比例能够诱导共培养中新特性的出现。
图6 利用U2碳源时出现的代谢偶联
论文信息
原名：The initial inoculation ratio regulates bacterial coculture interactions and metabolic capacity