RNA-seq助力发现菌群收敛新机制

2021
09/30

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派森诺生物
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两个物种组成的共培养体系是研究群体数量变化和种间相互作用的一个经典且理想的系统。

近期,派森诺生物与华中农业大学资源与环境学院高春辉老师合作,在Nature子刊ISME Communications发表了题为《Emergent transcriptional adaption facilitates convergent succession within a synthetic community》的文章,该论文研究内容在菌群收敛机制方面取得了新的进展。


研究背景

收敛现象在菌群的演替过程中十分常见,但是其潜在的分子机制尚不清楚。因此我们在肉汤培养系统中组建了一个相对封闭的环境,对由两种物种组成的群落收敛现象进行了时间梯度上的转录组分析。通过基因表达分析和群落结构监测,我们发现基因表达主要在前期发生变化,而群落结构在后期发生显著变化。基因表达在开始时就发生了显著的变化,称为“零时效应”,说明物种互作对基因表达的影响是不可避免的。此外,互作对基因表达的影响具有“群体效应”,即多数物种对少数物种基因表达的影响大于少数物种对多数物种基因表达的影响。基因集富集分析显示,在总共63条特殊的途径(占两个物种全部代谢通路的约50%)中,40条(63%)被持续抑制,16条(25%)被条件激活,只有7条(11%)被持续激活。因此,我们提出微生物响应和诱导的基因表达变化在群落演替过程中起重要作用。


分析内容

收敛是生物进化的共同特征,对微生物群落的演替有重要影响。对于肠道、土壤、沉积物、根际、叶际等天然微生物群落,收敛一般是指不同群落向相似的物种趋同,并伴随物种的丧失和获取。

本研究以大肠杆菌K-12和恶臭假单胞菌KT2440组成了一个合成菌群体系,以此来演示菌群收敛的过程。在单独培养时,两物种的生长曲线与细菌生长模型标准曲线基本吻合(上图a),分为前4h的对数期和后20h的稳定期。当共培养菌数量相同时,其数量与单培养菌数量基本相似,特别是在对数阶段(上图b-d)。相比之下,共培养中少数菌种的数量继续增加,共培养24 h后与单培养的数量接近。另外,统计分析显示3个共培养体系中恶臭假单胞菌的种群数量都高于单独培养时能够达到的值,而大肠杆菌的数量则不高于单独培养时所能够达到的值(上图b-d)。这说明,恶臭假单胞菌对于大肠杆菌的生长有抑制作用,而大肠杆菌对于恶臭假单胞菌的生长具有促进作用。

在共培养中,两个物种的比例最初分别固定在约105:108、108:108和108:105,培养24 h后,其比例趋近于约109:1010。具体来说,“1:1000”和“1:1”共培养的最终比例没有显著差异。群落结构从4h开始发生显著变化,但在0 h和4h之间,各共培养的群落结构比例总体上没有显著差异。该简单群落收敛主要表现为物种共存和物种相对比例趋于一致。

在转录组的结果中也同样观察到了收敛现象。转录组PCoA结果显示,大肠杆菌基因表达变化遵循相似的轨迹:首先从右下角中上,然后从中上到左下角。同样,恶臭假单胞菌随着时间的推移,基因表达轨迹遵循从左上到中下再到右上的规律。

总体而言,大肠杆菌的基因表达受恶臭假单胞菌的影响更大,大肠杆菌中所有DEGs的总数约为恶臭假单胞菌的4倍。且共培养中基因表达在过渡阶段受到的影响最大,在“1:1000”共培养时,大肠杆菌中有139个基因表达上调,274个基因表达下调。在“1000:1”共培养中,8 h恶臭假单胞菌中有12个基因表达上调,73个基因表达下调。

GSEA富集分析显示,在大肠杆菌和恶臭假单胞菌中分别有50和38条通路受到了显著影响,分别占其代谢通路的61%和46%,即两个物种中约有一半的代谢途径参与了群落收敛的调控。

在大肠杆菌中发现的50种途径可分为5组。第一组的18条通路在0 - 8小时持续受到抑制,但有几个在24小时被激活。第二组的4个通路均在共培养中被激活。第三组的17条通路在共培养中有条件激活。此外,第四组的7个通路在所有共培养中都持续受到抑制。然而,在“1000:1”共培养中,这7条通路的抑制普遍存在,这与第一组的18条通路不同。第五组的4条通路在“1:1000”共培养中被激活,但在其他共培养中有条件地表达(激活或抑制)。恶臭假单胞菌中富集到了38条代谢通路可以分为两组。第一组包含29条通路。在“1:1”和“1000:1”共培养中,除24 h有5条通路被激活,0 h和4 h有2条通路被激活外,其余通路基本没有变化。第二组包含9个通路,它们在共培养中大多被激活,但在“1:1”和“1000:1”共培养中0 h和4 h有2个通路被抑制。

综上所述,在63条显著代谢通路中,有25条同时在大肠杆菌和恶臭假单胞菌中被鉴定出来,分别有25和13条途径是它们所特有的。此外,40条通路在共培养中被抑制,占多数,其中7条被激活,16条被条件表达。总的来说,这些数据表明,与单一培养相比,共培养的基因表达大多受到抑制。然而,抑制途径因物种而异。此外,在大肠杆菌和恶臭假单胞菌中分别发现了4条和2条特异性激活通路。这些数据进一步表明,这两个物种的变化模式是特殊的。具体来说,在大肠杆菌和恶臭假单胞菌中,包括氨基酰-tRNA生物合成、ABC转运体、核糖体、苯丙氨酸代谢和不同环境下的微生物代谢等5个通路都被有条件地抑制/激活。


总结

两个物种组成的共培养体系是研究群体数量变化和种间相互作用的一个经典且理想的系统。根据我们的实验结果,可以得到三条菌群收敛基因表达的典型特征:

第一,无论营养供应(生态位条件)或细胞密度如何,共培养中细菌相互作用是不可避免的。

第二,在共培养中,少数物种的基因表达受多数物种的影响更为显著。

第三,菌群中基因表达同时受到时间和初始群落结构的影响。

综上所述,我们分析了整个收敛过程中的基因表达变化,并确定了转录调控的三种一般模式。由于群落结构的变化晚于基因表达的变化,并且我们的实验设置是基于封闭的肉汤培养系统,因此可以得出结论,群落的收敛是由基因表达的变化引起的。因此,这些模式提供了深入了解细菌群落收敛的分子基础。


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关键词:
大肠杆菌,单胞菌,菌群,群落,恶臭

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