2021-09-29
期刊：ISME Communications
近期，派森諾生物與華中農業大學資源與環境學院高春輝老師合作，在Nature子刊ISME Communications發表了題為《Emergent transcriptional adaption facilitates convergent succession within a synthetic community》的文章，該論文研究內容在菌群收斂機制方面取得了新的進展。
研究背景
收斂現象在菌群的演替過程中十分常見，但是其潛在的分子機制尚不清楚。因此我們在肉湯培養系統中組建了一個相對封閉的環境，對由兩種物種組成的群落收斂現象進行了時間梯度上的轉錄組分析。通過基因表達分析和群落結構監測，我們發現基因表達主要在前期發生變化，而群落結構在后期發生顯著變化。基因表達在開始時就發生了顯著的變化，稱為“零時效應”，說明物種互作對基因表達的影響是不可避免的。此外，互作對基因表達的影響具有“群體效應”，即多數物種對少數物種基因表達的影響大于少數物種對多數物種基因表達的影響。基因集富集分析顯示，在總共63條特殊的途徑(占兩個物種全部代謝通路的約50%)中，40條(63%)被持續抑制，16條(25%)被條件激活，只有7條(11%)被持續激活。因此，我們提出微生物響應和誘導的基因表達變化在群落演替過程中起重要作用。
分析內容
收斂是生物進化的共同特征，對微生物群落的演替有重要影響。對于腸道、土壤、沉積物、根際、葉際等天然微生物群落，收斂一般是指不同群落向相似的物種趨同，并伴隨物種的喪失和獲取。
本研究以大腸桿菌K-12和惡臭假單胞菌KT2440組成了一個合成菌群體系，以此來演示菌群收斂的過程。在單獨培養時，兩物種的生長曲線與細菌生長模型標準曲線基本吻合（上圖a），分為前4h的對數期和后20h的穩定期。當共培養菌數量相同時，其數量與單培養菌數量基本相似，特別是在對數階段(上圖b-d)。相比之下，共培養中少數菌種的數量繼續增加，共培養24 h后與單培養的數量接近。另外，統計分析顯示3個共培養體系中惡臭假單胞菌的種群數量都高于單獨培養時能夠達到的值，而大腸桿菌的數量則不高于單獨培養時所能夠達到的值（上圖b-d）。這說明，惡臭假單胞菌對于大腸桿菌的生長有抑制作用，而大腸桿菌對于惡臭假單胞菌的生長具有促進作用。
在共培養中，兩個物種的比例最初分別固定在約105:108、108:108和108:105，培養24 h后，其比例趨近于約109:1010。具體來說，“1:1000”和“1:1”共培養的最終比例沒有顯著差異。群落結構從4h開始發生顯著變化，但在0 h和4h之間，各共培養的群落結構比例總體上沒有顯著差異。該簡單群落收斂主要表現為物種共存和物種相對比例趨于一致。
在轉錄組的結果中也同樣觀察到了收斂現象。轉錄組PCoA結果顯示，大腸桿菌基因表達變化遵循相似的軌跡:首先從右下角中上,然后從中上到左下角。同樣，惡臭假單胞菌隨著時間的推移，基因表達軌跡遵循從左上到中下再到右上的規律。
總體而言，大腸桿菌的基因表達受惡臭假單胞菌的影響更大，大腸桿菌中所有DEGs的總數約為惡臭假單胞菌的4倍。且共培養中基因表達在過渡階段受到的影響最大，在“1:1000”共培養時，大腸桿菌中有139個基因表達上調，274個基因表達下調。在“1000:1”共培養中，8 h惡臭假單胞菌中有12個基因表達上調，73個基因表達下調。
GSEA富集分析顯示，在大腸桿菌和惡臭假單胞菌中分別有50和38條通路受到了顯著影響，分別占其代謝通路的61%和46%，即兩個物種中約有一半的代謝途徑參與了群落收斂的調控。
在大腸桿菌中發現的50種途徑可分為5組。第一組的18條通路在0 - 8小時持續受到抑制，但有幾個在24小時被激活。第二組的4個通路均在共培養中被激活。第三組的17條通路在共培養中有條件激活。此外，第四組的7個通路在所有共培養中都持續受到抑制。然而，在“1000:1”共培養中，這7條通路的抑制普遍存在，這與第一組的18條通路不同。第五組的4條通路在“1:1000”共培養中被激活，但在其他共培養中有條件地表達(激活或抑制)。惡臭假單胞菌中富集到了38條代謝通路可以分為兩組。第一組包含29條通路。在“1:1”和“1000:1”共培養中，除24 h有5條通路被激活，0 h和4 h有2條通路被激活外，其余通路基本沒有變化。第二組包含9個通路，它們在共培養中大多被激活，但在“1:1”和“1000:1”共培養中0 h和4 h有2個通路被抑制。
綜上所述，在63條顯著代謝通路中，有25條同時在大腸桿菌和惡臭假單胞菌中被鑒定出來，分別有25和13條途徑是它們所特有的。此外，40條通路在共培養中被抑制，占多數，其中7條被激活，16條被條件表達。總的來說，這些數據表明，與單一培養相比，共培養的基因表達大多受到抑制。然而，抑制途徑因物種而異。此外，在大腸桿菌和惡臭假單胞菌中分別發現了4條和2條特異性激活通路。這些數據進一步表明，這兩個物種的變化模式是特殊的。具體來說，在大腸桿菌和惡臭假單胞菌中，包括氨基酰-tRNA生物合成、ABC轉運體、核糖體、苯丙氨酸代謝和不同環境下的微生物代謝等5個通路都被有條件地抑制/激活。
總結
兩個物種組成的共培養體系是研究群體數量變化和種間相互作用的一個經典且理想的系統。根據我們的實驗結果，可以得到三條菌群收斂基因表達的典型特征：
第一，無論營養供應(生態位條件)或細胞密度如何，共培養中細菌相互作用是不可避免的。
第二，在共培養中，少數物種的基因表達受多數物種的影響更為顯著。
第三，菌群中基因表達同時受到時間和初始群落結構的影響。
綜上所述，我們分析了整個收斂過程中的基因表達變化，并確定了轉錄調控的三種一般模式。由于群落結構的變化晚于基因表達的變化，并且我們的實驗設置是基于封閉的肉湯培養系統，因此可以得出結論，群落的收斂是由基因表達的變化引起的。因此，這些模式提供了深入了解細菌群落收斂的分子基礎。
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