【LorMe周刊】如何通过限制养分来提高菌群稳定性？

作者：任鹏，南京农业大学硕士在读。主要研究根际资源与微生物互作。

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！本期周刊为您介绍不同养分限制条件下铁载体的分泌对菌群稳定性的影响。

论文ID 

原名：Nutrient limitation determines the fitness of cheaters in bacterial siderophore cooperation

译名：营养限制决定了细菌铁载体合作中“欺骗者”的适应性

期刊：Nature Communications

IF:12.353

发表时间：2017.6

作者：D.Joseph Sexton

作者单位：俄勒冈州立大学微生物系

导读铁载体与Fe具有很高的亲和力，可以作为一种“public goods”被生产者分泌到细胞外供其它微生物（如cheater）无偿利用，而“cheater”本身并没有对菌群产生有效贡献。本文以铁载体PVD为例推测：由于PVD分子结构中含有大量的C和N元素，其合成成本受C源或N源调控，在外界限制C源或N源的条件下，细胞会将非PVD合成途径中的中间代谢产物用来合成PVD，在这种情况下PVD的合成和细胞生物量的合成之间会存在一个“trade-off”。所以，当限C或限N时，生产者因需要去承担生产PVD的代价，其生长速率会低于“cheater”；当限制的养分为P、S、Fe等时，一定范围内，PVD的合成不会对细胞的生长产生影响（图1）。因此在这种情况下生产者和“cheater”之间可以实现稳定共存。根据这个研究，我们可以通过调节养分使生产者的生产成本最小化进而提高菌群的稳定性。

图1  PVD的结构与其分泌代谢成本之间的关系

实验结果

WT与pvdS突变体的单培养实验

研究选用了两株假单胞菌WT和pvdS突变体，WT可以正常合成铁载体PVD，在实验中作为生产者；pvdS突变体由于其编码PVD的基因被敲除，因此无法正常合成PVD，在实验中作为“cheater”。研究通过单培养、分批培养、恒化培养等一系列实验验证了不同条件下pvdS突变体相对于WT的适应性，发现在限C条件下，pvdS突变体表现出更高的适应性优势，但在限P条件下，两者可以稳定共存。

单菌株培养所用的培养基为限C和限P两种培养基（葡萄糖和磷酸作为单一C源和单一P源，同时加入三价铁和铁的螯合剂，以保证Fe的含量既可以刺激PVD的分泌又不会成为限制性养分）。结果显示，WT能够在该培养基上生长，且随着C源或P源的增加，其生物量随之增加；pvdS突变体不能在该培养基上生长（图2）。以上结果说明WT可以通过PVD的合成利用环境中的Fe，而pvdS突变体由于不能合成PVD，无法利用培养基中的Fe，其生长受到抑制。上述两株菌均符合各自的生理特征。

图2  低铁分批培养条件下WT和pvdS突变体的生物量：灰色WT，黑色pvdS

WT和pvdS突变体的共培养——分批培养和恒化培养

研究进行了分批培养实验，分批培养是指在密闭体系内一次性投料培养微生物的方法，微生物的生长曲线表现为S型。结果显示：在限P条件下，pvdS突变体（cheater）和WT（生产者）的适应性基本相等；在限C条件下，pvdS突变体（cheater）的适应性小于WT（生产者），并表现出显著差异，此结果与预期不符（图3a）。研究猜想其原因可能是由于分批培养过程中，培养基的组分是处于动态变化的，虽然最初限制性养分为C或P，但随着养分的消耗，限制性养分可能转变为其他元素，进而出现了与预期相反的结果。为了进一步验证其猜想，将分批培养改为恒化培养，以此来保证体系中营养液的组分保持基本不变。结果表明：在限P条件下，pvdS突变体（cheater）和WT（生产者）的适应性基本相等；在限C条件下，pvdS突变体（cheater）的适应性大于WT（生产者），并表现出显著差异，此结果符合预期（图3b）。

图3 不同培养方式、限制性养分下pvdS突变体相对于WT的适应性

限C条件下“cheater”拥有更高的适应性优势

由于分批培养过程中养分的浓度会发生动态变化，为了排除这些因素的干扰，研究在恒化培养中探究了WT（生产者）和pvdS突变体（cheater）两种菌的总密度、pvdS突变体的占比以及PVD的产量变化。结果显示，在培养过程中，总菌的密度基本稳定，但pvdS突变体的占比随着时间推移呈上涨趋势，因为WT比pvdS突变体多出了生产PVD的成本，且这个成本来自于自身的细胞生物量，所以在共培养生长中处于劣势方，这与预期相符；在曲线的后半段，曲线渐渐平缓，研究猜测造成这个现象的原因是因为随着WT占比降低，PVD的产量下降，当PVD下降到一定阈值时，限制性养分不再是C而是Fe，而根据前面所述，当限制养分为P、S、Fe时，WT和pvdS表现出相同的适应性，可以稳定共存，所以出现了平缓的一段曲线（图4）。

图4  限C条件下菌的总密度、pvdS突变体占比以及PVD产量变化

总结

本文以铁载体为背景研究了资源的可利用性如何影响菌群互作的稳定性。事实上，不止是铁载体，许多经酶降解的产物也属于public goods，在菌群互作中，public goods扮演着一个特殊的角色，它为其他微生物的生命活动带来便捷，但对生产者自身而言，却需要付出一定的成本，且当这个成本过大时便会对菌群的稳定性产生消极的影响。本文通过简单的实验向我们展示了如何通过调节资源的有效性，从而尽可能使这个成本最小化，为我们稳定菌群的互作提供了一些思路。

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