【LorMe成果】碳源丰富度如何在竞争中助有益微生物一臂之力？
作者：杨春兰，即将完成南京农业大学博士学位。董月，南京农业大学优秀毕业生。推送作者：李婧璇，南极农业大学硕士在读，主要研究营养资源对根际有益菌群抑病力的影响。
LorMe成果主要展示LorMe实验室原创研究成果！本期为您带来LorMe实验室近期发表在《functional ecology》上的文章，介绍资源和微生物互作之间的关系。
竞争是微生物群落生态学中最重要、最基础的概念之一，它被认为是推动微生物群落的组装、多样性、共存、运作和进化的重要因素。微生物会争夺共享的有限资源或通过抗生素相互拮抗，在复杂的自然微生物群落中，这两种形式的竞争可能会同时发生，进而影响群落中微生物的共存和繁衍。复杂的竞争关系不仅受群落结构的影响，还受到权衡表达（trade-offs）和外界环境的限制。例如，如果生产抗生素的成本很高，那么在营养限制的情况下，产抗生素菌株的适应性则会通过资源竞争而降低；另外，大多数细菌会选择性地使用资源，对某些资源的偏爱会影响其他分解代谢系统的表达和活性，从而抑制抗生素的表达，导致生长-产抗生素权衡。当资源成为限制因子时，资源的丰富度决定了微生物生长和次生代谢之间的代谢成本。
文章探究了不同的碳源种类和组合是如何影响有益菌Bacillus amyloliquefaciens T-5和土传病原菌Ralstonia solanacearum（RS）的竞争互作关系，提出假设：（a）在单一碳源环境中，碳源的种类会影响B. amyloliquefaciens的生长和抗生素产量；（b）多种碳源可以使得生长和抗生素相关特性同时表达。因此文中首先确定了在糖、氨基酸和有机酸等不同类型的单一碳源下B. amyloliquefaciens 的生物量和抗生素产量，接着研究了增加碳源丰富度对B. amyloliquefaciens 这两个特性表达的影响，并比较了两种条件下的差异。
针对单一资源对B. amyloliquefaciens T-5的生长和抗生素产生的影响，我们发现糖类主要促进了B. amyloliquefaciens T-5的生长。通过HPLC分析得出B. amyloliquefaciens T-5主要通过聚酮类化合物bacillaene和 macrolactin来抑制RS，氨基酸和有机酸则可以为抗生素bacillaene和 macrolactin的产生提供支持（图1b）。
图1：不同碳源（氨基酸、有机酸和糖）对B.amyloliquefaciens T-5（a）生长（生物量）和（b）产抗生素bacillaene（ba）、macrolactin（ma）的影响
增加碳源丰富度能促进了B. amyloliquefaciens的生长（图2a）和抗菌活性（图2b），提高了抗生素bacillaene和 macrolactin基因的表达（图2c）。此外，还发现随着碳源丰富度的增加，bacillaene的产量显著提高，然而macrolactin的产量和碳源丰富度之间没有观察到显著的相关性（图2d）。
图2：碳源多样性（1、9或18种碳源组合）对B. amyloliquefaciens T-5（a）生长（生物量）、（b）RS抑制、（c）抗生素基因表达和（d）抗生素产生的影响。
当B. amyloliquefaciens在单一碳源中生长时，出现了生长-抗生素的权衡，增加不同类型的可利用碳的数量可以使B.amyloliquefaciens兼顾生长和产抗生素两种特性（图3）。
图3：在单一碳源和多种碳源下
B. amyloliquefaciens T-5抗生素产生与生长之间的关系。
在这项研究中，我们评估了资源竞争和抗生素是否受到碳源存在及类型的影响，结果表明不同类型的碳源诱导不同的生理反应，单一资源下出现了生长-抗生素的权衡，但增加不同类型碳源的可利用性可以允许多种细菌特性同时表达。简单的单糖和双糖很容易分解，促进了T‐5的生长，氨基酸和有机酸能促进了抗生素的产生，这可能是因为氨基酸可以用于合成和补偿抗生素生产的代谢成本。而多种不同类型碳源的存在可以减少所需的从头合成酶，有助于多个功能表达。因此碳源的可利用性是一个关键的非生物因素，其通过影响资源竞争和产抗生素的相对强度来驱动细菌之间的相互作用，能潜在地改变微生物群落中的细菌竞争动态和植物促生效果。
参考文献：Carbon resource richness shapes bacterial competitive interactions by alleviating growth‐antibiosis trade‐off
期刊： Functional Ecology
DOI： 10.1111/1365-2435.13292
关键词: 抗生、竞争、基因表达、资源复杂性、权衡