科研 | ISME：空间结构对土壤微生物间一种新型营养缺陷相互作用的影响
本文由micro菌编译，董小橙、江舜尧编辑。
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要深入了解微生物群落并设计合成微生物群落，关键的先决条件是确定关键物种之间的个体代谢相互作用，以及这些相互作用如何受到不同环境因素的影响。在空间组织的环境中破译物种和物种环境相互作用的生理基础需要使用生态学和功能相关的物种的还原方法。
为此，作者将研究重点放在一个已定义的系统上：对植物有益的内生真菌Serendipita indica与土壤模式菌Bacillus subtilis的互作，以研究空间环境下的代谢相互作用。作者关注了在特定条件下S.indica的生长动力学，在该生物体内发现了一种硫胺的营养缺陷，硫胺是中枢碳代谢中关键反应的辅助因子。发现与B.subtilis共同培养时，在无硫培养基中可以恢复S.indica的生长。然而，这种营养缺陷相互作用的成功依赖于系统的空间和时间组织，B.subtilis的有益影响只有在时间和空间上与S.indica的接种分离时才能显现。
论文ID
原名：Impact of spatial organization on a novel auxotrophic interaction among soil microbes
译名：空间结构对土壤微生物间一种新型营养缺陷相互作用的影响
期刊：ISME
IF：9.520
发表时间：2018年
通信作者： Xue Jiang
通信作者单位：School of Life Sciences, The University of Warwick, Coventry, CV4 7AL, UK
实验内容
1 Serendipita indica是硫胺的营养缺陷型
Serendipita indica 在不同培养条件下进行培养，在培养皿中添加不同维生素的培养基，每一行所使用的维生素都被标记在图上。每一种处理都有三个重复出现在三个相邻的平板上。实验证明Serendipita indica是硫胺的营养缺陷型。
图1，白色的平板表示Serendipita indica的生长。图像于生长两周后拍摄。
2 Serendipita indica营养缺陷在其基因组酶含量上的反映
图2. a展示了硫胺素相关的基因和反应，基于酿酒酵母硫胺素生物合成途径综述以及KEGG中的代谢途径。图2. b描绘的是简化的细胞质和线粒体分隔的真核细胞的中心反应代谢图。
图2，a黄色方框表示对应反应中酶的基因编码，红色的边界表示在S. indica中有酿酒酵母S.cerevisiae基因的同源物；b 橙色外壳显示中心新陈代谢的反应。蓝盒子显示了催化这些反应的酶，需要ThPP作为辅助因子(绿色)。绿色椭圆表示ThPP，红色框表示单元格内的位置。
图3，在a和b两个面板上，每个物种的5个硫胺生物合成基因的存在/缺失用不同的颜色和符号表示(如图所示),填充(空)符号表示给定物种的存在(不存在)。a 使用162种真菌建立的系统发育树。关键物种S.cerevisiae, S.pombe, S.indica和S.vermifera用粗体突出显示。这棵树中有77种来自子囊菌门(红色背景)，85种来自担子菌门(绿色背景)。后者中有76种属于伞菌纲(蓝色分支)。b 更近距离地观察伞菌纲中76个物种的系统发育关系。
3 枯草芽孢杆菌补充了S.indica对硫胺的营养作用，促进其生长
在琼脂平板中，观察S.indica和B.subtilis的相互作用。图4.a中从上到下的排列显示了在没有硫胺的情况下，S.indica、B.subtilis和它们的共培养的单克隆的生长情况。
图4，a图像上的黄点圆圈表示S.indica接种点,红色虚线圈表示B.枯草接种点。绿色正方形以伪色突出菌落，其中S.indica菌丝覆盖区域为黄色，B.subtilis菌落为红色。b 蓝色、黑色和红色的线对应于板块上的水平部分，显微镜图像来自平板的中间截面，经过S.indica和B.subtilis接种点，接种后0、15、30 h。红色、黑色和蓝色的突出部分分别对应于靠近B.subtilis的S.indica菌落一侧，靠近B.subtilis属于菌落的中间，远离B.subtilis的菌落一侧。
4 代谢谱显示S.indica和B.subtilis之间有额外的代谢交互作用
图5，S.indica在不同的培养基组合物下生长。Y轴上显示在S.indica生长中补充铵、谷氨酰胺、硫胺素或B.subtilis。X轴示S indica生长发育一周后近似总干重。三个技术重复用于生成权重数据。这里显示的数据来自两个生物复制中的一个，其他的给出了相似的定量结果。
5 S.indica和B.subtilis的成功共存依赖于系统中的时空组织
图6，不同时空培养条件下枯草芽孢杆菌和S.indica的生物量。“No separation”指的是枯草芽孢B.subtilis培养基和S.indica孢子以1:1体积比预混合后接种为单一溶液。“Spatial separation”是指S.indica(左)和B.subtilis(右)接种点之间约1.5 cm的分离。“Temporal separation”是指在接种枯草芽孢杆菌前3天进行接种S.indica。图像上的黄点圆圈表示S.indica接种点。红色虚线表示B.subtilis接种点。
下图显示的是平板图像，伪色表示S.indica菌丝区域(黄色)，B.subtilis菌落(红色)。在S. indica接种后2周内测量被吞噬区域的图像强度。测量数据来自三个复制的琼脂平板，底部显示一个代表性的平板图像。在“No separation”的情况下，1周后就没有再观察到S.indica菌丝扩张。
结论
作者报告了内生真菌S.indica中硫胺的营养缺陷，以及B.subtilis如何满足其硫胺的需求。有趣的是，作者发现S.indica和B.subtilis之间的营养缺陷相互作用只能在两个物种的接种(和萌发)在时间或空间上被分离的条件下才能实现。这一发现为最近的一系列研究提供了证据，证明了时空组织对于微生物和其他系统中代谢相互作用的产生和维持的重要性。细菌和真菌这种互作模式可以为今后垂直耕作和作物生产提供新的应用。