【LorMe周刊】噬菌体与细菌相互作用的网络结构
作者：王佳宁，南京农业大学博士在读。主要研究噬菌体-宿主病菌的生态互作。
周刊主要展示LorMe团队成员优秀周报，每周定期为您奉上学术盛宴！本期周刊介绍采用meta分析技术解析细菌-噬菌体之间互作的基本规律。原文来自2011年PNAS。
导读
细菌和噬菌体是地球上数量和多样性最丰富的两种有机体，它们之间的相互作用在生态进程中有深远的影响，比如噬菌体能影响宿主菌的数量、功能、基因转移，从而对群落产生“自下而上”的影响。但即使如此重要，我们对噬菌体-细菌间的感染和抗性的普遍结构还不了解。群落中噬菌体-细菌间的互作是呈现统一规律还是有特异性而难以预测呢？这一问题关系到人类健康和生态系统功能。为此，该研究采用meta分析技术，收集并分析了38个研究的噬菌体-细菌感染矩阵，包括1009株细菌、502个噬菌体在内的12000次相互作用。发现噬菌体-细菌的互作网络不是随机的，而是拥有一个嵌套结构。
噬菌体和细菌的互作网络可以分为四种（如图1所示）：对角线型：一个噬菌体只能对应感染一个宿主（1A）；模块型：噬菌体只能感染数量有限且特定类型的宿主（1B）；嵌套型：指群落中有的噬菌体能感染抗性最强的细菌也能感染抗性最弱的细菌，而特异性最强的噬菌体只能感染抗性最弱的细菌（1C）；随机型：噬菌体和细菌的互作关系没有明显的规律（1D）。当噬菌体-细菌共进化使双方的感染性和抗性趋于显著特异性时可能会出现对角线型或模块型的结果。而当共进化的双方进化到更广泛的宿主范围和更广泛的抗性范围时则呈现嵌套模式。
图1 噬菌体-宿主互作的四种类型模式图（白色代表感染）。
模块性的测定是通过比较体系中是否存在感染一组细菌比感染另一组细菌的能力更强的一组噬菌体，这一性质被认为是维持生物多样性的重要特征。嵌套性是测定宿主最广泛的噬菌体（能感染大多数细菌）侵染抗性最特异（被最少噬菌体感染的）细菌的程度。嵌套性常被用来描述物种间的相互作用，因为这一性质被认为对群落有重要影响，比如它能影响群落的稳定性和消亡的趋势。
该文章对38个研究的模块性和嵌套性分别进行了单独的研究。研究过程如图2所示：A、B的左侧是原始数据，用模块算法、嵌套算法重新排序后得到新的结果（中间：模块、右边：嵌套）。图2A表示显著模块化但嵌套性不显著；2B表示显著嵌套化但模块化不显著。
图2：通过算法最大化模块性和嵌套性的两个例子。
根据这一标准，对38个实验进行模块化（图3）、嵌套化（图4）运算后发现，噬菌体-细菌的互作网络往往是嵌套类型而不是模块类型的。图中的红色标题代表显著的模块化或嵌套化，蓝色标题代表显著的非模块化或非嵌套化，黑色标题代表没有显著的模块化或嵌套化。所以，38个研究中有6个显著模块化、20个非显著模块化（图3）；27个显著嵌套化（图4）。
图3 所收集研究的模块化。
图4 所收集研究的嵌套性。
噬菌体-细菌的互作结构往往是嵌套模式而不是模块化模式。出现这一结果的原因，作者给出了两点解释：一是噬菌体和细菌都能进化出更强的侵染性和更强的抗性；二是自然环境条件可能更倾向选择嵌套结构，因为嵌套结构更稳定。但值得注意的是，嵌套模式和模块模式往往不是独立存在的，相反，它们之间可以相互转化。
参考文献：Statisticalstructure of host–phage interactions 期刊：PNAS (2011)DOI：10.1073/pnas.1101595108关键词：噬菌体；复杂网络；生态学；进化学；嵌套
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南京农业大学-土壤微生物与生物有机肥料团队
微生态与根际健康实验室
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