科研 | The ISME Journal：微生物群落空间自组织模式多样化的原因及结果

2021-04-13 微生态

我行我show！中国医院管理案例评选，医院卓越管理实践大秀场。点击查看

本研究确定了一种潜在的普遍机制，创造了一种尚不清楚的生物多样性的空间格局多样性类型。

导读

环境表面附着的微生物群落构成了地球上大量的生命。它们对地球上所有重大的生物的化学循环都有贡献，为我们的社会和环境提供必不可少的服务，对人类的健康和疾病产生重要影响。它们通常由不同的相互作用基因型组成，它们并不是随机的跨空间排列（以下简称空间自组织）。虽然空间自组织对这些群落的功能、生态和进化很重要，但空间自组织的基本决定因素仍然不清楚。本研究对一个由两个等基因菌株组成的微生物群落进行了实验、统计建模和数学模拟。研究发现两种不同的空间自组织模式在相同的长度和时间尺度上出现，显示了模式的多样化。这种模式的多样化不是由初始环境异质性或种群内遗传异质性引起的。这种非遗传异质性的来源是个体初始空间位置的局部差异。研究表明，这种非遗传异质性的来源是个体初始空间位置的局部差异。而且不同的模式表现出不同的群落层次属性，即它们具有不同的扩展速度。总之，本研究结果表明，在没有初始环境异质性或种群内遗传异质性的情况下，模式多样化可能出现，并可能影响群落水平的特性，从而为微生物空间自组织的原因和结果提供了新的见解。

论文ID

原名：Causes and consequences of pattern diversification in a spatially self-organizing microbial community

译名：微生物群落空间自组织模式多样化的原因及结果

期刊：The ISME Journal

IF：9.180

发表时间：2021.3

通讯作者：David R. Johnson

通讯作者单位：瑞士水产科学技术研究所环境微生物学系

实验设计

实验先构建了两个同源假单胞菌菌株（ Pseudomonasstutzeri A150）。生产者菌株是缺失亚硝酸盐（NO²⁻）还原酶编码的nirS基因，能还原硝酸盐（NO^3-）而不能还原亚硝酸盐（图1A）。消费者菌株是缺失硝酸盐还原酶编码narG基因，能够还原亚硝酸盐而不能还原硝酸盐。然后扩大实验范围，将生产者菌株和消费者菌株按规定的初始比例混合在一起，其中每个菌株包含不同的荧光蛋白编码基因（生产者菌株含有ecfp基因，消费者菌株含有egfp基因）培养4周后诱导荧光蛋白成熟并对所得菌落进行成像（图1B、C）。评估了菌株的遗传能力，测试了空间自组织的“消费者菌株优先”模式是否具有遗传性（图1B、C）。最后用基于个体的反应-扩散-融合模型进行模拟。

图1 在本研究使用的两种菌株混合培养的微生物群落。A：该实验系统由两个同基因突变的假单胞菌组成。生产者菌株nirS基因的一个功能缺失，可以抑制硝酸盐（NO^3-），但不能抑制亚硝酸盐（NO²⁻）。消费者菌株narG基因的一个功能缺失，可以抑制亚硝酸盐，但不能抑制硝酸盐。外源硝酸盐作为生长限制基质时，两株菌交叉饲喂亚硝酸盐。定义：Nar-硝酸盐还原酶，Nir-亚硝酸盐还原酶，Nor-一氧化氮还原酶，Nos-一氧化二氮还原酶。粗的彩色箭头表示每个菌株的代谢过程。B：硝酸盐为生长限制基质时，两株菌的交叉饲喂的微生物群落向四周扩展。生产者菌株表达了编码青色荧光蛋白的ecfp基因（蓝色），而消费者菌株表达了编码绿色荧光蛋白的egfp基因（绿色）。生产者菌株和消费者菌株细胞充分混合的内部圆形区域是接种区域，而包含生产者菌株和消费者菌株细胞的空间组织模式的外部环状区域是扩展区域。最初生产者菌株和消费者菌株的比例是0.5。白色箭头表示代表性的“生产者菌株优先”模式，绿色箭头表示代表性的“消费者菌株优先”模式。C：放大扩展的区域。

结果

1 空间自组织的“消费者菌株优先”模式是少数模式

首先确定两种空间自组织模式（即生产者菌株优先模式或消费者菌株优先模式，图1B、C）中的哪一种是少数模式。少数群落模式可能是由遗传或非遗传变异引起的。当生产者菌株和消费者菌株使用等效初始细胞密度（即初始生产者菌株和消费者菌株比例为0.5）进行范围扩展实验时，消费者菌株优先模式显然是少数模式（图1B）。在9个独立的重复中，我们观察生产者菌株优先模式的平均数显著大于消费者菌株优先模式的平均数。总体而言，消费者菌株优先模式占每个范围扩展模式总数的24%。因此，我们得出结论，消费者菌株优先模式确实是少数模式，因此该模式可能是由遗传或表型变异引起的。

2 “消费者菌株优先”模式的数量取决于初始细胞密度

如果消费者菌株优先模式是由基因变异引起的，那么每次范围扩展出现的消费者菌株优先模式的数量应该取决于生产者菌株或消费者菌株的初始细胞密度。例如，如果消费者菌株的一个基因变异导致了消费者菌株优先模式的出现，那么增加消费者菌株的初始细胞密度应该会增加消费者菌株的致病变异的数量，从而促进更多的消费者菌株优先模式的出现。

为了验证这一点，我们在保持生产者菌株和消费者菌株的总初始细胞密度不变的情况下，改变了生产者菌株的初始比例，从而避免了修改总初始细胞密度可能导致的潜在混杂效应。然后，我们将每次范围扩展中出现的消费者菌株优先模式的平均数量作为初始生产者菌株比例的函数进行量化。当我们测试初始生产者菌株比例为0.5（即初始消费者菌株比例为0.5）时，我们观察到两种不同模式的特征出现，其中消费者菌株优先模式为少数模式（图2B）。当我们测试初始生产者菌株比例为0.98（即初始消费者菌株比例为0.02）时，生产者菌株优先模式占据整个扩展区域，而消费者菌株优先模式完全消失（图2A）。相反，当我们测试初始生产者菌株比例为0.001（即初始消费者菌株比例为0.999）时，生产者菌株优先模式完全消失，而消费者菌株优先模式占据整个扩展区域（图2C）。然后，我们在一系列初始生产者菌株比例范围内重复了实验，并观察到每次范围扩展出现的消费者菌株优先模式的平均数量与初始生产者菌株比例之间的单调关系不断减少（图3）。每次范围扩展出现的消费者菌株优先模式的数量确实取决于生产者菌株和消费者菌株的初始细胞密度。

图2 生产者菌株初始比例对4周后每次范围扩展出现的消费者菌株优先模式数量的影响。生产者菌株表达了编码ecfp基因的青色荧光蛋白（蓝色），而消费者菌株表达了编码egfp基因的绿色荧光蛋白（绿色）。初始生产者菌株比例包括（A）0.98，（B）0.5，（C）0.001。在所有测试的初始生产者比例中，生产者菌株和消费者菌株的总初始细胞密度是相同的。

图3 生产者菌株初始比例对4周后每次范围扩大出现的消费者菌株优先模式数量的影响。每个数据点都是“消费者菌株优先”模式的数量，这些模式是为独立的范围扩展而出现的。黑线是泊松回归模型对数据的拟合。灰色区域是泊松分布的95%置信区间，λ=泊松回归拟合的预测值。绿线是“消费者菌株优先”模式的数量和初始生产者菌株比例之间的预期关系，如果“消费者菌株优先”模式是由消费者菌株的遗传变异引起的。蓝线是“消费者菌株优先”模式的数量和初始生产者菌株比例之间的预期关系，如果“消费者菌株优先”模式是由生产者菌株的遗传变异引起的。在所有测试的初始比例中，生产者菌株和消费者菌株的总初始细胞密度是相同的。

3 遗传变异是观察到的模式多样化的原因之一

虽然发现每一次范围扩大出现的“消费者菌株优先”模式的数量取决于生产者菌株和消费者菌株的初始细胞密度（图 3），但递减关系的对数线性形式与由遗传变异引起的“消费者菌株优先”模式不一致。考虑初始生产者菌株比例为0.02、0.05或0.1（即初始消费者菌株比例为0.98、0.95或0.9）。在这些初始生产者菌株比例下，消费者菌株的初始细胞密度大约是初始生产者菌株比例为0.5（即初始消费者菌株比例为0.5）时的两倍（分别为1.96、1.90和1.8倍）。如果消费者菌株的基因变异导致了“消费者菌株优先”模式的出现，那么可以预计，随着产品范围的扩大，将出现大约两倍的“消费者菌株优先”模式。更普遍的是，预计每次范围扩展出现的“消费者菌株优先”模式的数量会随着初始生产者菌株比例的增加而减少（即，初始消费者菌株比例的减少）（图3，绿线）。没有观察到这两种预期结果。首先，在初始生产者菌株比例为0.02、0.05或0.1（即初始消费者菌株比例为0.98、0.95或0.9）时，“消费者菌株优先”模式的数量不会比初始生产者菌株比例为0.5（即初始消费者菌株比例为0.5）时多大约两倍。相反，它是三至五倍大（图3）。第二，我们实验地观察到一个递减的对数线性关系（黑线；图3）而不是预期下降的线性关系（绿线；图3）在每次范围扩张中出现的“消费者菌株优先”模式的数量和初始生产者菌株比例之间。因此，我们得出结论，消费者的遗传变异不太可能导致这两种空间自组织模式的再现。

上面的分析假设“消费者菌株优先”模式是由消费者菌株的基因变异引起的。然而，“消费者菌株优先”的模式是由生产者的基因变异引起的，这似乎是有道理的。然而，每次范围扩大出现的“消费者菌株优先”模式的数量与生产者菌株和消费者菌株的初始细胞密度之间的关系形式与这一假设又不一致（图3）。如果生产者菌株的基因变异导致了“消费者菌株优先”模式的出现，那么预计随着初始生产者菌株比例的增加，每个范围扩展出现的“消费者菌株优先”模式的数量会增加（蓝线；图3）。换句话说，增加初始生产者菌株比例将增加生产者菌株致病变量的丰度，从而增加出现的“消费者菌株优先”模式的数量。然而，观察到了相反的结果，随着初始生产者菌株比例的增加，每一系列扩张中出现的“消费者菌株优先”模式的数量减少（黑线；图3）。因此，得出结论，生产者菌株的遗传变异也不太可能导致空间自组织的两种不同模式的出现。

虽然上述分析提供了间接证据，表明遗传变异不会导致两种不同的空间自组织模式同时出现，但可以通过测试“消费者菌株优先”模式是否具有遗传性来提供更多确凿的证据。为了实现这一点，从以前的“消费者菌株优先”模式中中纯化了一组分离物。然后，将分离物混合在一起（一个生产者菌株和一个消费者菌株；最初生产者菌株和消费者菌株的比例为0.5），并重复范围扩大实验。最后，计算了在第二次范围扩大中出现的“消费者菌株优先”模式的数量，并将这些数量与祖先菌株对（生产者菌株和消费者菌株）的数量进行了比较。如果“消费者菌株优先”模式的出现是可遗传的，那么当使用从先前的“消费者菌株优先”模式中纯化出来的分离株时，预计出现更多的“消费者菌株优先”模式。

从消费者菌株优先模式中纯化的分离菌株（生产者菌株和消费者菌株）与两对初始菌株（生产者菌株和消费者菌株）的行为并无不同。在从消费者菌株优先模式纯化的一对分离菌株的10个独立范围扩展中，我们发现消费者菌株优先模式完全覆盖了10个重复中的扩展区域。然而，在这对初始菌株（生产者菌株和消费者菌株）的10个独立的范围扩展中，我们发现消费者菌株优先模式也完全覆盖了10个重复中的扩展区域。此外，我们对4个生产者分离菌株和4个消费者分离菌株的基因组进行了测序，并发现单个消费者分离菌株与它们各自的初始菌株相比只有一个基因差异。因此，消费者菌株优先的模式是不可遗传的，它的出现也不是由基因变异引起的。

4 邻域效应是观测到的模式多样化的原因之一

如果两种不同的空间自组织模式的同时出现不是由基因变异引起的，那么原因是什么呢？一个可能的原因是由于相同个体初始空间位置的局部差异而出现的邻域效应。生产者菌株细胞和消费者菌株细胞在一个表面上的随机分布（初始生产者菌株和消费者菌株比例为0.5；图4B）。在某些空间位置，最初生产者菌株细胞可能足够靠近扩张边界，这样消费者菌株细胞就不会在物理上阻碍它们的扩张（白色箭头；图4B）。生产者菌株细胞首先扩张，消费者菌株细胞随后扩张，形成“生产者菌株优先”模式（白色箭头；图4B）。然而，在其他空间位置，生产者菌株细胞最初可能位于一群消费者菌株细胞之后，使得消费者菌株细胞物理上阻碍生产者菌株细胞的扩展（绿色箭头；图4B）。这些消费菌株细胞群的出现是这些细胞的随机初始空间位置的结果，这一过程被称为泊松聚集。生产者菌株细胞在扩张时会向前推动消费者菌株细胞，形成“消费者菌株优先”的模式（绿色箭头；图4B）。这一假说假设在合成微生物群落产生的密集膨胀的微生物群落中，细胞的挤压是细胞运动的主导形式，这一假设得到了大量实验和理论研究的支持。

这个假设与实验观察到的每次范围扩展出现的消费者菌株优先模式数量与生产者菌株和消费者菌株的初始比例之间的关系定性一致（图3）。如果生产者菌株细胞最初远远超过消费者菌株细胞，那么消费者菌株优先模式应该变得更少（图4A）。这是因为存在较少的消费者菌株细胞来创建的细胞群，细胞群在物理上阻碍细胞的扩展，因此，生产者菌株细胞可以立即扩展，从而产生生产者菌株优先模式（图4A）。相反，如果消费者菌株细胞最初远远超过生产者菌株细胞，那么消费者菌株优先模式应该变得更加多（图4C）。这是因为有更多的消费者菌株细胞存在，从而产生细胞群，这些细胞群在物理上阻碍生产者菌株细胞的扩张，因此生产者菌株细胞必须推动消费者菌株细胞向前，从而产生消费者菌株优先模式（图4C）。

图4 细胞初始空间定位的局部差异如何促进空间自组织模式的多样性的概念模型。生产者菌株是蓝色的，消费者菌株是绿色的。最初的生产者菌株比例是（A）接近1，（B）0.5，或（C）接近0。白色箭头表示“生产者菌株优先”模式，绿色箭头表示“消费者菌株优先”模式。每张图从左到右的表述了随着时间的推移图案的形成。

这一假设也与实验观察到的“消费者菌株优先”模式数量与生产者菌株和消费者菌株初始比例之间的定量特征相一致（图3）。生产者菌株和消费者菌株细胞的初始空间分布可以被认为是泊松过程的实现。这一过程偶然产生了消费者菌株细胞群，消费者菌株细胞群的出现用均值和方差λ的泊松分布来描述。消费者菌株集群的数量和方差以对数线性方式依赖于消费者菌株的初始比例。随着消费者菌株初始比例的增加，消费者菌株集群出现的概率也随之增加。这反过来增加了“消费者菌株优先”模式形成的可能性，并增加了“消费者菌株优先”模式的预期数量的方差。这个泊松过程准确地捕捉了实验数据的关键特征。首先，“消费者菌株优先”模式的数量和初始消费者菌株比例之间的关系可以通过泊松回归建模（图3）。其次，“消费者菌株优先”模式数量的变化随着实验观察到的“消费者菌株优先”模式数量的增加而增加（图3）。第三，当λ等于泊松回归的预测值时，泊松分布的95%置信区间与实验观察到的“消费者优先”模式数的分布相匹配（图3）。总之，对数线性形状和不断增加的数据方差与假设相一致，即由于个体随机初始空间位置导致的泊松聚集引起了“消费者菌株优先”模式，并促进了观察到的空间自组织模式的多样化。

为了进一步证明个体初始空间位置的局部差异导致的邻域效应可以促进空间自组织模式的多样化，使用基于个体的模型进行了数学模拟，该模型考虑了范围扩展期间的细胞挤压。进一步调整了模型，以模拟合成微生物群落扩展期间空间自组织的出现。在本研究中，应用该模型有两个目的：首先，该模型是否能够模拟在初始非生物环境中，在没有空间异质性的情况下，两种不同的空间自组织模式同时出现。其次，改变了最初的生产者菌株比例，并评估了范围扩大期间出现的“消费者菌株优先”模式数量的影响。对模型的实现没有考虑遗传、随机表型异质性和人口统计学效应。然而，考虑了个体初始空间位置的异质性，在群落扩张开始之前，在接种区域内随机分布生产者菌株和消费者菌株。

本模拟揭示了三个重要的结果。首先，当测试0.98的初始生产者菌株比例（即0.02的初始消费者菌株比例）时，我们发现了消费者菌株细胞被生产者菌株细胞向前推动的罕见局部空间区域（图5A）。这些细胞在很长一段时间内保持了扩张前沿的空间位置，并形成了一种典型的“消费者菌株优先”模式（图5A）。第二，在最初的生产者菌株比例下，“生产者菌株优先”和“消费者菌株优先”的模式同时出现，从扩张的源头开始，即使初始的非生物环境在空间上是同质的，在相同的长度范围内所有的个体都服从相同的确定性规则（图5A）。最后，将初始生产者菌株比例降低到0.02（即初始消费者菌株比例为0.98）时，保持在扩张边界位置的消费者菌株细胞数量增加，从而表明更多的形成“消费者菌株优先”的模式（图5B）。所有这三个观察结果与、实验观察结果一致，重要的是，不需要考虑初始非生物环境的异质性、群体内的遗传和随机表型异质性或人口统计学效应。因此，由于个体初始空间定位的局部差异所产生的邻域效应足以促进空间自组织模式的多样化，从而形成两种不同的空间自组织模式。

消费者菌株细胞被生产者菌株细胞推进的罕见局部空间区域（图5A）。这些细胞在很长一段时间内保持了扩张前沿的空间位置，形成了一种典型的消费者菌株优先模式（图5A）。在最初的生产者菌株比例中，生产者菌株优先和消费者菌株优先的模式同时出现。从扩张的源头开始，即使初始的非生物环境在空间上是同质的，在相同的长度范围内所有的个体都服从相同的确定性规则。当将初始生产者菌株比例降低到0.02（即初始消费者菌株比例为0.98）时，保持在扩张边界位置的消费者菌株细胞数量增加，从而表明更多的形成“消费者菌株优先”的模式（图5B）。个体初始空间定位的局部差异所产生的邻域效应足以促进空间自组织模式的多样化，从而形成两种不同的空间自组织模式。

图5 基于个体的模型模拟了初始生产者菌株比例对每次范围扩展中出现的“消费者菌株优先”模式数量的影响。生产者菌株是蓝色的，消费者菌株是绿色的。最初的非生物环境在空间上是同质的，遗传异质性、随机表型异质性和人口统计学效应没有纳入模型。在开始扩张之前，生产者菌株和消费者菌株细胞随机分布在中心周围，并且生产者菌株和消费者菌株的总初始细胞密度在所有模拟中是相同的。白色箭头表示“生产者菌株优先”模式，绿色箭头表示“消费者菌株优先”模式。

5 不同的空间自组织模式具有不同的群落属性

改变了初始生产者菌株比例，从而改变了“消费者菌株优先”和“生产者菌株优先”模式的比例，并量化了膨胀半径随时间的变化。（图3）。初始生产者菌株比例为0.001（即初始消费者菌株比例为0.999）的初始扩张速度显著高于0.98（即初始消费者菌株比例为0.02）（图6A）。因此，较小的初始生产者菌株比例会促进更多“消费者菌株优先”模式的出现，从而导致更快的扩张速度。此外，当初始生产者菌株比例在0.02-0.98之间（即初始消费者菌株比例在0.98-0.02之间））变化时，最终扩张半径与初始生产者菌株比例呈递减关系（图6B）。因此，较小的初始生产者菌株比例促进了更多消费者菌株优先模式的出现，从而在实验过程中导致了更大程度的区域扩展。总的来说，我们的数据证明了空间自组织的不同模式确实有不同的扩展速度。

图6 初始生产者菌株比例对膨胀性能的影响。（A）对初始膨胀速度的影响。（B）对最终膨胀半径的影响。每个数据点都是一个独立范围扩展的扩展半径。线条是线性模型灰色区域是95%的置信区间。在所有测试的初始生产者比例，生产者菌株和消费者菌株的总初始细胞密度是相同的。培养4周后测量最终膨胀半径。

讨论

利用实验、统计建模和数学模拟相结合的方法，发现在种群内没有遗传异质性的情况下，多种空间自组织模式可以在同一时间和尺度上出现。研究发现，不同模式同时出现的原因可以解释为个体初始空间定位的局部性差异，而个体初始空间定位的局部性差异又促进了模式的多样化。为了预测空间自组织信息的模式，人们可能需要超越初始非生物环境和个体的生物学特性的信息。也可能需要关于个体的初始空间位置和作用在这些个体上的物理或机械力的信息。

研究表明，即使在一个非生物环境中，两个物种或菌株之间发生了单一的相互作用，在最初空间上是均匀的，模式多样化也可以发生，多种空间自组织模式也可以同时出现。因此，为了最终推断物种或菌株之间的相互作用，空间模式分析可能必须与实验操作或数学模拟相结合，明确解释可能的生物或非生物异质性，作用于个体的物理或机械相互作用，以及这些个体的初始空间位置。个体局部空间定位的差异可产生多种空间自组织模式，这些模式具有不同的结构特征和行为特征。

本研究确定了一种潜在的普遍机制，创造了一种尚不清楚的生物多样性的空间格局多样性类型。个体局部空间定位的差异可产生多种空间自组织模式，这些模式具有不同的结构特征和行为特征。本文认为，研究最深刻的方面是确定了一种潜在的普遍机制，创造了一种尚不清楚的生物多样性空间格局多样性类型。个体局部空间定位的差异可产生多种空间自组织模式，这些模式具有不同的结构特征和行为特征。本研究的主要结论可能与任何表面附着的微生物群落有关，在这些微生物群落中，个体在生长和分裂过程中相互作用。这些表面附着的微生物群落包括许多对人类健康和社会至关重要的微生物群落，如居住在人类肠道或应用于工业生物膜反应器的微生物群落。重要的是，在这些表面的初始接种阶段，个体在空间上并不均匀分布，因此个体在初始空间位置上存在局部差异。因此，多种空间自组织模式的同时出现和模式多样性的创造可能是表面附着微生物群落普遍的、不可避免的和普遍的特征，对预测、管理和控制它们的属性和行为有明显的影响。