新观点：病原菌抗性可能是微生物组为宿主提供的主要进化优势

近日，北卡罗莱纳州立大学Benjamin J. Callahan课题组提出“Pathogen resistance may be the principal evolutionary advantage provided by the microbiome”的观点，认为共生菌提供的病原菌抗性与其他的益处是微生物组在生命树上为宿主提供的主要进化优势。

为了生存，动植物必须不断抵御病原菌的入侵并破坏它们的组织。然而，它们并不试图消灭所有的微生物。相反，它们容忍甚至鼓励共生菌的生长，这些微生物与病原菌竞争生存资源。作者认为，宿主已经进化能与共生菌合作以增强这种竞争提供的病原菌抵抗力。本文简要描述了宿主体内共生菌和病原菌之间的竞争，考虑了自然选择如何有利于宿主将这种竞争向共生倾斜，并描述了现存的宿主性状的例子，这些性状可能有助于实现这一目的。最后，作者考虑了这种合作免疫可能促进非病原菌相关宿主性状的适应性进化的方式。基于这些现象，作者认为共生菌提供的病原菌抗性与其他的益处是微生物组在生命树上为宿主提供的主要进化优势。

多细胞生命进化并且不断地重生形成微生物世界。对于这些多样的微生物来说，多细胞宿主是它们争夺的另一个潜在的食物和住所来源。一个典型的微生物组主要由共生菌组成，它们以一种相对良性的方式在宿主体内生长和存活。对于大多数共生菌来说，植物或动物宿主只是一个好客的生长环境，不受某些环境胁迫的影响，并且由于营养物质的获取和代谢活动，宿主表面附近含有高浓度的营养物质。然而，宿主组织内的营养物质浓度仍然较高，使得宿主实际上是一个抵抗力较弱的营养物质储藏库。因此，其他微生物类群已经进化出闯入这些储藏库的致病生活方式，迅速消耗它们所能消耗的东西，并转移到下一个宿主。一个人一生中可能会遇到数以千计的病原微生物，在现代医学兴起之前，病原菌造成的人类死亡约占一半。虽然对其他物种缺乏这样的估计，但毫无疑问，病原菌最终造成了野生动植物很大一部分的死亡甚至使其失去生育能力。为了生存，多细胞生命进化出了大量昂贵的防御机制。但尽管存在危险，这些多细胞生命也不能简单地将自己与微生物世界隔绝。植物和动物宿主面临着相互竞争的制约因素，既需要不断地与环境交换养分和废物，又需要保护它们不被环境中的微生物利用。宿主在物理上可以在一定程度上容纳微生物，但不能将自身与环境完全隔离。宿主必须具有半多孔的表面和开口，物质和微生物才能进入。宿主的防御机制，如产生抗菌化合物、受感染细胞的程序性死亡、激活先天性和适应性免疫反应等，是对许多病原菌的有效威慑，但要付出沉重的代价，即自身造成的组织损伤和从正常的稳态和生长过程中转移资源。

同时宿主内的微生物通过竞争相互制约。宿主内的众多微生物类群相互竞争生存空间和营养物质，它们通过向环境中分泌有毒化学物质或进入竞争细胞而直接抑制对方，或通过共同的病毒捕食者和宿主的免疫系统间接抑制对方。新加入的微生物要想在已有微生物群落的宿主内定殖，就必须在这种来自现有群落的激烈竞争中生存下来。

从宿主和微生物的制约因素中，出现了一种对宿主来说可能有利可图的策略：与其试图将所有微生物拒之门外，不如利用共生微生物的存在进行病原菌防御。对于入侵宿主微生物群的病原菌来说，存在来自以下方面的竞争。

共生菌会降低病原菌在群落内生存和生长的能力，并限制其对脆弱宿主组织的物理接触(图1a,b)。因此，宿主从共生菌那里获得病原菌抵抗力只是微生物竞争的副产品。宿主特征如果有利于共生菌的生长而不是病原菌的生长，则可以进一步增加入侵病原菌被共生菌竞争的比例。通过降低新的感染率，这些特征可以给宿主带来强大的健康效益(图1c,d)。这种性状可能在进化上比完全抑制微生物的繁殖更容易获得和/或成本更低，并且可以减少基于宿主的病原菌密集防御所消耗的资源和成本。在本文余下的部分，作者将探讨宿主已经进化到使共生菌成为病原菌防御的关键部分的理论论点和经验证据。本文还考虑了共生菌提供的病原菌抗性可能促进了其他（与病原菌无关的）宿主性状的适应性进化的方式。

图1.共生菌和病原菌之间的竞争影响宿主的生存和进化。(a,b) 所有的植物和动物都会遇到病原菌，它们试图破坏宿主的上皮和其他保护组织以摄取其中的营养物质，而共生菌则可以在宿主体内生活，同时造成最小的伤害。共生菌限制了病原菌可利用的营养物质和进入脆弱的宿主组织的物理途径，也直接伤害了病原菌的分泌系统和其他微生物武器。(c,d) 在强大的病原菌胁迫下，获得并维持共生菌的宿主，在抵抗多种病原菌方面更有效，往往会比竞争对手存活并留下更多的后代。

图2.合作免疫的概念模型。宿主遇到随机的病原菌，其先天感染力各不相同，用各病原菌的指数增长率分布来表示。

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