科研 | The ISME Journal：浮游植物中的健康群体：选择性寄生带来的好处

2021-04-24 微生态

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动物中的捕食者能选择性捕食被捕食群体中较弱的个体，而且在某种程度上而言，这一过程对被捕食群体的影响是积极的。

编译：微科盟有点卡，编辑：微科盟木木夕、江舜尧。

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导读

在动物生态学中，捕食者选择性捕食被捕食群体中的较弱个体能提高群体的整体健康，例如狮子在捕食羚羊时会选择羚羊群中年老、受伤、跑得慢的羚羊，那么剔除这些较弱个体后的羚羊群相比之前将更强。实际上，这个现象并不仅仅存在于动物与动物之间，在微生物与微生物相互作用中同样也存在。一般来说，人们认为原生生物的寄生对宿主是有害的，而普利茅斯大学的研究者在英吉利海峡西部的赤潮中分离出了一种异养原生生物破囊壶菌（thraustochytrid）与其宿主角毛藻（Chaetoceros sp.）。通过实验发现，破囊壶菌能选择性的在“不健康”的角毛藻细胞中定殖，清除这些“不健康”的个体后，角毛藻种群的整体健康反而得到了提升。这种针对“不健康”细胞的生理选择性寄生在不影响密度的情况下改善硅藻种群的整体健康（如增加光合作用总量）的现象似乎能与动物中典型的捕食者与被捕食者关系联系起来。该研究对“原生生物-原生生物寄生关系总是对宿主群体有害”这一假设提出了质疑，也强调了微生物相互作用关系的复杂性。

论文ID

原名：Healthy herds in thephytoplankton: the benefit of selective parasitism

译名：浮游植物中的健康群体：选择性寄生带来的好处

期刊：TheISME Journal

IF：9.18

发表时间：2021.02

通讯作者：Michael Cunliffe

通讯作者单位：普利茅斯大学生物与海洋科学学院&英国海洋生物学会

实验设计

本文以浮游植物角毛藻（硅藻门中的一个属）和附着于其表面的寄生原生生物破囊壶菌为研究对象，探究破囊壶菌对角毛藻群体健康状态的影响。作者首先通过单细胞分选得到了附着有破囊壶菌的角毛藻和单独的角毛藻，通过时差显微成像技术观察破囊壶菌寄生角毛藻的方式以及偏好性；随后又人为损伤角毛藻的整体或单个细胞，从而达到进一步证明破囊壶菌的选择性寄生对角毛藻整体健康的好处。具体来说，作者采用加热处理的方式整体损伤角毛藻细胞，该实验分为3组（n=5）：对照组，即将角毛藻置于15 ℃的环境中（在图1中标注为“Healthy”）；中度热处理组，即在30 ℃下处理1 h（标注为“Stressed”）；致死性热处理，即在55 ℃下处理1 h（标注为“Dead”），然后将这些角毛藻在冰上冷却，并恢复至15 ℃ 30 min后接种破囊壶菌ThrauL4，培养3 d，通过比较这三种热处理强度后的破囊壶菌（寄生菌）丰度、寄生菌致病率等结果来证明破囊壶菌对角毛藻整体健康状态的影响。单个细胞损伤是通过不同功率不同波长的激光照射实现的，该实验同样也分为3组（图2）：“Healthy”-即对照，无激光照射；“Stressed”-功率50 %、波长488 nm激光持续照射30 s，原生质体结构完整，叶绿体部分变白；“Dead”-功率100 %、波长405 nm和488 nm持续90 s，原生质体结构完全被破坏，每隔15 s进行延时记录，持续30 min，30 min内未定殖的细胞则视为未定殖。

结果与讨论

动物中的捕食者能选择性捕食被捕食群体中较弱的个体，而且在某种程度上而言，这一过程对被捕食群体的影响是积极的。这种自上而下的过程在动物生态学中早已建立起来，但却基本没有人在微生物与微生物相互作用中提出。

在海洋生态系统中，原生生物-原生生物寄生广泛存在，但也通常被认为是对宿主种群有害的，虽然他们无处不在，但其生理生态影响仍然鲜为人知。我们选择的实验对象——硅藻只能代表部分可分离培养的模式系统，但其作为初级生产者对海洋生态系统功能的研究仍具有重要作用，因此，探究硅藻的原生生物寄生仍然是有必要的。

在英吉利海峡西部普利茅斯湾（Plymouth，UK）L4站的一次夏季赤潮中，我们发现并分离出了一种异养原生生物，这种原生生物附着于将死或已死的角毛藻属硅藻（diatom）表面（图1A，B）。我们通过单细胞分选得到了硅藻与该原生生物的共培养物以及未被感染的硅藻，该原生生物的原核V4区18S rRNA鉴定结果表明，这是一种新型的破囊壶菌（茸鞭生物界（Stramenopila）；网黏菌门（Labyrinthulomycota）；破囊壶菌属（Thraustochytrida）），我们将其命名为ThrauL4。而通过搜索海洋采样日数据库（Ocean Sampling Day，OSD），我们也发现这种寄生菌在温带沿海地区分布极其广泛。

图1 生长实验表明破囊壶菌优先选择在不健康的硅藻细胞中寄生。A 不同ThrauL4感染程度的角毛藻链的微分干涉反差（differential interference contrast，DIC）显微成像。未感染细胞（un），轻度感染细胞（li），重度感染细胞（hi），死细胞或空硅藻细胞膜（d），比例尺=20 μm。B被大量ThrauL4附着的角毛藻扫描电子显微（Scanning Electron Micrograph，SEM）成像，比例尺=5 μm。C 在三种硅藻和双鞭毛藻（微小亚历山大藻（Alexandrium minutum）和微小原甲藻（Prorocentrum minimum））中的ThrauL4生长曲线（±SEM，n=3）。D 携带ThrauL4的角毛藻生长曲线（±SEM，n=5）。用虚线将角毛藻的生长划分为延迟期（1），对数生长期（2）和稳定期（3）三个阶段。E 展现ThrauL4侵染不健康细胞的角毛藻- ThrauL4共培养物的延迟拍摄。星号-不健康硅藻胞质内空泡，箭头-破囊壶菌初始寄生处，时间戳-HH:MM:SS。热处理后接种ThrauL4的“Healthy”（对照），“Stressed”和“Dead”三组中角毛藻体内寄生菌丰度（F）及患病率（G），Tukey’s HSD法方差分析，n.s即p>0.05（差异不显著），*即p<0.05，**即p<0.01，***即p<0.001。H 通过将硅藻暴露在不同功率的激光中产生不同健康程度的角毛藻个体细胞。图中红色为激光激发出的叶绿素自发荧光。比例尺=5 μm。I 暴露于不同激光下的硅藻个体细胞被ThrauL4寄生所需的时间。J 基于时差显微成像观察到的硅藻-破囊壶菌相互作用示意图。

稳定的角毛藻-ThrauL4共培养物可以用来表征ThrauL4的内部结构、附着生长（图1A，B）和感染动力学（图1C，D）。当然ThrauL4同样也能以类似于寄生角毛藻的方式附着于其他属的硅藻表面，如中华齿状藻（Odontella sinensis sp.），布氏双尾藻（Ditylumbrightwellii sp.）和圆筛藻（Coscinodiscus sp.），但不会寄生于双鞭毛藻（dinoflagellate）（图1C）。

当角毛藻细胞进入稳定生长阶段时，附着ThrauL4的硅藻细胞的比例将会增加（图1D）。时差显微镜（Time-lapse microscopy）揭示了ThrauL4-硅藻相互作用的动态本质（图1E），即ThrauL4似乎通过识别细胞质出泡前体来寻找生理上“不健康”的细胞进行侵染（图1E）。

我们采用种群水平生态生理试验来验证“ThrauL4能选择性寄生不健康硅藻”这一假设。相比于健康无压力的硅藻，接种到热处理后的硅藻群中的ThrauL4更健康（即丰度更大），并能感染更多的角毛藻细胞（图1F，G），这证明不健康的硅藻更适宜他们的寄生。此外，我们还利用激光破坏单个细胞，并用时差显微成像技术在单细胞水平上证明了这种选择性（图1H，I）。在实验进行的30 min时间内，80 %的受压力细胞以及60 %的死细胞均被ThrauL4寄生，而健康对照组的硅藻则并未被寄生。

基于以上结果，我们比较了暴露于破囊壶菌和无破囊壶菌侵染的角毛藻种群的生长动态与健康状况，进而探究破囊壶菌对宿主硅藻种群的生理影响（图2A-C）。之前的生长实验结果表明ThrauL4在硅藻稳定生长阶段增殖（图1D），而角毛藻在第7天进入其稳定生长阶段，因此7 d后可以用来模拟环境的衰减。利用光合作用总量（Fv/Fm）来显示硅藻的整体健康状态，8天后，被寄生的角毛藻群一直都比未暴露在破囊壶菌下的对照组健康（图2A）。两组的硅藻种群密度接近（图2B），并且在8天后寄生菌患病率达到峰值（图2C）。在另一个探究基因型特异性对ThrauL4寄生作用的研究中，我们利用单细胞分选的方式获得了一个角毛藻的单克隆，并将这一单克隆暴露在独立于硅藻的ThrauL4中进行培养。尽管这个单克隆种群的健康水平整体上迅速下降，但ThrauL4的寄生同样也得到了更健康的群体（图2D-F），这表明这些结果并不是基因型特异和传代造成的假象。

图2 破囊壶菌选择性寄生不健康的硅藻细胞能改善硅藻种群的整体健康状况。A-C 在实验期间处于稳定生长期的对照组和被寄生硅藻的Fv/Fm（A）和细胞总数（B）的种群动态（±SEM，n=5）。Welch T检验，*即p<0.05，**即p<0.01，***即p<0.001。寄生菌患病率未超过种群总数的三分之一（C）（±SEM，n=5）。破囊壶菌在第0天接入。通过分离实验（D-F）获得一个无性繁殖的角毛藻种群。处于稳定生长期的对照组和被寄生硅藻的Fv/Fm（D），细胞总数（E）和感染率（F）通过单细胞分选获得（±SEM，n=5）。显著性表示方法与上述一致，破囊壶菌在第0天接入。这些结果表明破囊壶菌优先选择不健康的硅藻寄生，从而增加了硅藻种群的整体健康，为浮游植物种群中的“健康群体”假说提供了证据，这一点在（G）中进行了概述。

通过从群体中去除生理上较弱的个体，剩余的细胞则构成整体上更健康的群体。当然可能还有其他机制也促进了整体上更健康的硅藻群体的形成：可能是选择性寄生缓解了不健康和健康个体之间的营养竞争，在自然环境中，硅藻与硅藻之间的竞争是其增长的主要限制因素，消除较弱细胞将使得整个群体变得更壮大；也可能是破囊壶菌能通过防止有毒物质的积累或有害共生细菌的扩散来达到“清扫”的作用，这有点类似于秃鹰去除腐肉从而防止疾病向哺乳动物传播；此外，破囊壶菌还能从死细胞中释放出营养物质来加速营养的循环。因此，选择性寄生硅藻造成的影响应当在海洋环境的群落层面乃至对生态系统功能上产生的影响上进行评估。

图2G总结了破囊壶菌寄生对硅藻种群健康的影响。我们认为，这种破囊壶菌-硅藻相互作用为原生生物-原生生物相互作用的“健康群体”动态学提供了证据，这是一种与动物中捕食者-被捕食者相互作用类似的典型生态现象。正如我们所描述的ThrauL4那样，动物中的捕食者如狮子，美洲狮，非洲野犬以及狼已被证明能捕食不健康的个体。“健康群体”假说指出，捕食者通过选择性的捕食不健康的猎物，能增加可利用资源以及清除潜在的疾病携带着，进而增强被捕食群体的整体健康水平。龙虾-海胆，鱼-水蚤，狐狸-松鸡等捕食者-被捕食者系统同样也是证明捕食者能促进更健康的被捕食群体的“健康群体”动态学证据。在这里，我们则提供了一种来自原生生物-原生生物系统的类似支持证据。

原生生物之间的“健康群体”动态学推翻了原生生物-原生生物寄生总是对宿主群体有害的假设，并在分子生态学的系统模型或推论（DNA宏条形码（metabarcoding））中提出了“健康群体”这一假设。我们的结果证明了原生生物-原生生物共生的潜在复杂性，突出了基于培养实验的价值以及发展共培养系统模型在解决复杂生态相互作用中的重要性。这种相互作用在基础生物学和在自然中的生态价值目前还有待进一步研究。

在海洋生态系统中，原生生物- 原生生物寄生的相互作用关系的广泛存在的，但人们总是想当然的认为这种寄生关系必定会对宿主群体产生不利影响，而实际上并非如此。本文首先单独分离出了浮游植物角毛藻，以及附着有破囊壶菌的角毛藻，并通过培育获得了脱离角毛藻生存的破囊壶菌，然后以这三种培养物为研究对象，探究寄生生物破囊壶菌对其宿主角毛藻的影响。在观察到附着在角毛藻表面的破囊壶菌有选择性（胞质中出现空泡的角毛藻细胞）的定殖现象后，作者通过不同程度的热处理损伤角毛藻细胞，随后接入破囊壶菌，发现相比于对照组，热处理组的角毛藻群体的整体健康水平随着时间的推移越来越高。为了进一步验证，作者通过激光损伤单个个体来实现单细胞水平的实验，本文用较为严谨的实验设计逐步探究破囊壶菌对角毛藻群体健康的影响，为微生物相互作用关系提供了新思路。