Science子刊: 长期杀虫剂诱导选择下的宿主基因组与微生物组的共适应

导读

物种分化以及物种分化的因素一直是生命领域备受关注的科学问题。作者用实验进化的方法验证了宿主基因组-宿主微生物组共进化。为此，作者将丽蝇蛹集金小蜂（Nasonia vitripennis）暴露于广泛使用的除草剂莠去津（atrazine），长达85代。研究结果表明，莠去津暴露不仅介导了微生物组内的适应性变化，赋予了宿主对莠去津毒性的抗性，而且还对宿主基因组施加了选择性压力，并改变了宿主基因的表达和免疫反应。此外，微生物组移植实验显示，暴露于莠去津的对照组成虫的存活率有降低，而在移植组中并未发生降低。这些结果表明，杀虫剂导的选择介导的宿主-微生物组适应，最终导致新的宿主基因组-微生物组的平衡。

论文ID

原名：Coadaptation between host genome and microbiome under long-term xenobiotic-induced selection

译名：长期杀虫剂诱导选择下的宿主基因组与微生物组的共适应

期刊：Science Advances

IF：13.116

发表时间：2021.5.5

第一作者：王关红

通讯作者：Robert M. Brucker

通讯作者单位：哈佛大学链接：http://advances.sciencemag.org/content/7/19/eabd4473

背景

所有健康的动植物都定殖共生微生物组在宿主生理和进化中起着重要作用。由于每个微生物不仅会与宿主相互作用，而且还会与多种其他微生物相互作用，从而形成复杂的相互作用模式，因此解开共生系统内多个组分之间的关系仍具有挑战性。微生物组被认为是宿主后生表型和进化的新来源。微生物组可能能够对新的选择压力例如变化的环境条件更快地做出反应，从而促进宿主的适应性。例如，豆虫Riptortuspedestris通过获取能够降解杀虫剂的新型共生细菌而对杀虫剂产生抗性。同样，作为植物根部微生物组的放线菌的增加也与几种植物的抗旱性有关。这些观察结果说明了微生物组通过选择性压力的适应性对宿主健康做着隐形的贡献。然而，急剧的微生物组变化对于宿主也可能是有害的，例如，导致宿主营养不良。为了避免不利的健康影响，宿主需要通过调节如免疫力的变化等机制来耐受微生物组的快速变化。因此，外部选择压力可能以两种方式作用于宿主：（i）因宿主暴露于选择压力下而直接作用；（ii）通过其微生物组的变化间接作用于宿主。

结果

1 饲喂莠去津的金小蜂（Nasonia）的适应性微生物组进化在实验室中，建立两个实验种群，蔗糖溶液CCc和AAa饲养溶液两组。两个种群的85代后代利用16s测序得到结果证实：AAa种群逐渐与亲代分离，而CC溶液随时间变化与亲本相对稳定。同时，发现了两个菌株赋予了宿主对莠去津的抗性。总的来看，这些结果表明，暴露于莠去津时， N. vitripennis的微生物组发生变化，这反过来又赋予了宿主在莠去津存在下的适应性优势。去除莠去津后，获得的抗莠去津的遗传特细可遗传超11代，因此在此期间暴露于莠去津时，可以为宿主提供持续的益处。图1. 适应性微生物组进化介导了N. vitripennis莠去津的抗药性。

2 AAa微生物组的变化增加了莠去津的解毒效率通过LC-MS的代谢组学分析，比较了CC，AA的代细物，我们发现，GF群和常规种群仅有0.94%的代谢物相同，这表明肠道微生物组对Nasonia的代谢具有重要意义。与蔗糖饮食相比,去莠去津的次生代谢产物Desethylatrazine（图S2C）在暴露于3 ppm 莠去津饮食中的两种AAa中均升高（978倍））和CCc群体（与蔗糖饮食相比增加333倍）（图2C），但在无菌蜂中却不存在，因为无菌蜂无法自身代谢莠去津（图2C）。

图2. 微生物组的变化影响N. vitripennis的代谢组并增加莠去津的解毒效率。

3 莠去津诱导的宿主基因组选择的特征接下来，我们研究了莠去津对宿主基因组的影响。在这里，我们使用全基因组重测序来研究CCc和AAa种群之间的遗传差异。祖先种群CCc1和莠去津种群AAa70之间的固定指数（Fst）略高于CCc1与衍生的对照种群CCc70之间的固定指数（Fst值0.0031）。与祖先CCc1群体相比，该方法鉴定了343个基因，代表了总共1.7 Mb的基因组序列，在AAa70群体中具有最大Fst值（最高10％）和最小Pi1 / Pi2值（最高10％）。当将AAa35和AAa70群体与CCc1群体（表S2）进行比较时，会检测到这些候选选择性区域，但是当将CCc35或CCc70群体与CCc1群体（表S2）进行比较时，这些候选选择区域不存在于相同的基因组区域中。这表明在AAa群体中鉴定出的候选选择区可能不是由随机遗传漂移引起的，而是由从莠去津或暴露于莠去津后从改变的微生物组中选择而引起的。在保守的选择区中大多数基因的功能是未知的（表S2）。
图3. AAa种群中具有选择性扫描信号的基因组区域。4 莠去津暴露会改变宿主的免疫能力和免疫基因表达鉴于宿主先天免疫系统对健康和介导宿主-微生物组相互作用的关键作用，我们接下来使用免疫激发实验和RNA测序（RNA-seq）。对F69代CCc，AAa和AAc种群的雌性进行了免疫刺激实验。热灭活细菌通常用于通过识别细菌细胞壁或表面成分（例如肽聚糖或脂多糖）来引发免疫反应，从而可以研究免疫激活的作用，同时避免由于细菌增殖引起的病理作用。在种群之间比较了刺激后120小时封闭的成虫的比例，将其作为免疫激活的指标，理由是诱导的免疫应答将引导能量资源远离变形。虽然接种PBS后未观察到成虫的脱落情况，但细菌刺激后CCc和AAa种群之间的成虫封闭比例明显不同，这取决于细菌的类型（图4A）。
图4. 暴露于莠去津会改变宿主的免疫反应和免疫基因表达。
5 F1杂种的免疫应答和免疫基因表达 鉴于F1杂种的免疫应答和免疫基因表达鉴于先天免疫应答的失调是介导不同Nasonia物种之间杂种分离的重要因素之一，我们接下来研究了CCc和AAa种群的F1杂种。在F68代，AAa雌性与CCc雄性交配（种群为F1AC），CCc雌性与AAa雄性交配（种群F1CA）。在细菌挑战后，在亲本种群中上调的七个免疫相关基因中，没有一个在F1CA种群中差异表达（图4D和表S3）。但是，即使在PBS刺激后，这些基因的表达水平也往往高于亲本群体的表达水平（图S4B），表明这些基因在F1CA群体中的组成型表达水平更高。相反，在革兰氏阳性细菌刺激后，抗菌肽2在F1AC群体中上调，而在革兰氏阴性细菌刺激后，所有三种防御素都上调（图4D和表S3）。这表明与亲本种群相比，两个F1杂种群体的免疫基因表达模式差异很大。考虑到宿主的遗传背景应该相似，这可能是由于母体效应或杂种中宿主基因型-微生物组相互作用的改变。
图5. 宿主基因组与微生物组相互作用。
6 微生物组移植验证了宿主基因组与微生物组之间的相互作用莠去津暴露后宿主基因型和改变的微生物组之间的相互作用是使用种群内和种群间微生物组移植实验进行的。为此，使用无菌饲养获得了来自CCc和AAa种群（F69）的成虫厌食症。一天大的成虫要么暴露于蔗糖溶液中作为对照，要么暴露于补充有来自CCc或AAa种群（F69）的微生物组的糖蜜溶液，两种不同浓度。我们观察到，暴露于较高剂量的AAa微生物组后，CCc成虫的存活率显着降低，而将AAa成虫暴露于祖先的CCc微生物组后，CCc成虫的存活率没有发生这种下降（图6）。这些结果表明，当使二者接触而没有一段时期的协同适应时，进化的AAa微生物组和CCc基因型之间就不相容。
图6. 种群内和种群间微生物组移植后的存活率。

参考文献

1. Wang G-H, Dittmer J,Douglas B, Huang L, Brucker RM. Coadaptation between host genome and microbiomeunder long-term xenobiotic-induced selection. Science Advances 7, eabd4473(2021).

2.Wang, G.-H., B. M. Berdy, O. Velasquez, N. Jovanovic, S. Alkhalifa, K. P. C.Minbiole, and R. M. Brucker*. 2020. Changes in Microbiome ConferMultigenerational Host Resistance after Sub-toxic Pesticide Exposure. Cell Host& Microbe 27:213-224.e217.

作者简介

王关红，中国科学院动物研究所研究员，博士生导师。2016年获得中科院动物所和耶鲁大学联合培养博士学位。2016-2021年在哈佛大学、加州大学圣地亚哥分校进行博士后研究。2021年加入中国科学院动物研究所农业虫害鼠害综合治理研究国家重点实验室成立昆虫微生物组学与应用研究组。主要研究内容围绕微生物与昆虫互作，利用多组学，基因编辑，微生物分离筛选，无菌体系等技术，揭示了微生物驱动的宿主抗药性 (Cell Host & Microbe, 2020)，微生物与宿主协同分化等理论机制 (Science Advances, 2021)，受邀综述了微生物与基因编辑等新型媒介昆虫防控技术 (Trends in Genetics, 2021)，获得美国应用专利1项。实验室主要以寄生蜂和蚊虫开展宿主与微生物互作和基于微生物和基因编辑的蚊虫防控，目前有公开的助理研究员和博士后职位（详见 中科院动物所王关红组昆虫微生物组学招聘助研、博后和助理），感兴趣的欢迎邮件联系（王关红，[e-mail]）。

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