Nature Ecology & Evolution | 匹兹堡大学揭示微生物组的生态进化互作决定宿主植物适应性！

生态因素对进化过程具有重大影响。由于进化过程通常会持续很长时间，因此人们认为进化论可能不会影响短期的生态过程。然而，这种传统观点最近受到挑战，研究表明，进化可以在几代后迅速发生，并且对生态动力学具有强烈的反馈作用。生态和进化过程（即生态进化动力学）之间的这种快速相互作用被认为对于适应性辐射、物种共存、入侵、授粉和许多其他生态过程是很重要的。尽管生态变化和进化变化可以在所有生态系统中相互作用，但在具有短生成时间和强种间相互作用的系统中更有可能检测到强大的生态进化动力学。

大多数生物，包括动物、植物，甚至微生物，都栖息着微生物群落（Nature Microbiology | 微生物组创新，实现可持续发展的未来！Nature Reviews Microbiology | 植物-微生物互作：从群落组装到植物健康）。在确定宿主与微生物组相互作用的结果中，微生物组内的生态进化动力学可能特别重要。这是因为，鉴于微生物种群数量庞大且产生时间短，微生物种群可能响应其宿主或微生物种群中的其他物种而迅速进化。微生物物种的快速进化可能与微生物组内物种组成的快速生态变化同时发生并相互作用，从而推动微生物群落的生态进化动态，对宿主产生影响。生物群落的进化可能直接影响宿主的适应性，也可能通过生态相互作用间接影响宿主的适应性。在直接进化效应的情况下，共生微生物组可能会进化出新的互惠共生或致病表型，从而直接促进或抑制宿主的适应性。在间接生态效应的情况下，微生物的进化不会改变其对宿主的影响，而是会改变其相对于未进化的其他微生物的竞争能力。这可能会改变微生物组的群落结构，可能直接改变宿主适应性的物种（例如，互惠共生菌和病原菌）。尽管对单个微生物物种尤其是互惠共生或致病微生物的进化影响进行了大量研究，但宿主-微生物组相互作用研究主要关注微生物物种组成的变化，而不是其进化。因此，对于微生物组物种组成和宿主适应性而言，快速进化的重要性仍然未知。

2021年3月11日，国际顶级学术期刊Nature Ecology & Evolution发表了美国匹兹堡大学Martin M. Turcotte团队的最新相关研究成果，题为Eco-evolutionary interaction between microbiome presence and rapid biofilm evolution determines plant host fitness的研究论文。

微生物群落对于其宿主的存活和繁殖很重要。尽管微生物组中的生态和进化过程可以同时发生，但对于微生物组生态进化动力学如何确定宿主适应性的了解却很少。本研究通过实验表明，水生植物Lemna minor的适应性通过微生物组与一个荧光假单胞菌的进化之间的相互作用而被修饰。微生物组的存在促进了荧光假单胞菌的快速进化，形成了生物膜，从而反过来改变了微生物组的物种组成。这些生态进化动力学改变了宿主的多代适应性。微生物组和不进化的荧光假单胞菌共同促进宿主适应性，而具有进化生物膜的荧光假单胞菌的微生物组降低了对宿主适应性的有益影响。其他实验表明，微生物对宿主适应性的影响可能是通过微生物组的生长素产量变化而发生的。因此，本研究通过实验证明了微生物群落中生态进化动力学对于宿主-微生物组相互作用的重要性。

图1：微生物组的存在对荧光假单胞菌种群生物膜进化和丰度的影响

图2：通过MANOVA测试的微生物群落之间的差异性，并通过非计量性多维缩放，以NMDS1与NMDS2为轴进行可视化

图3：微生物组的存在与荧光假单胞菌的存在和宿主植物适应性进化的互动影响

图4：生长素的产生可能是宿主适应性改变的决定因素

图5：研究结果的示意图

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