科研 Nat Ecol Evol：微生物的存在与生物膜快速进化之间的生态进化相互作用决定了植物宿主的适应性

  科研 Nat. Ecol. Evol.：微生物的存在与生物膜快速进化之间的生态进化相互作用决定了植物宿主的适应性

  微生物组对于其宿主的存活和繁殖十分重要。尽管微生物组中的生态和进化过程可以同时发生，但对于微生物组的生态进化动力学如何决定宿主适应性的研究却很少。本研究表明，通过微生物组与其成员荧光假单胞菌（Pseudomonas fluorescens）的进化之间的相互作用能改变水生植物浮萍（Lemna minor）的适应性。微生物组的存在促进了荧光假单胞菌的快速进化并形成了生物膜，从而反过来改变了微生物组的物种组成。这些生态进化动力改变了宿主的多代适应性。微生物组和不进化的荧光假单胞菌共同促进了宿主适应性，而具有形成生物膜的荧光假单胞菌的微生物组并不利于促进宿主适应性。其他实验表明，这种生态进化动力学可能通过产生植物生长激素来发挥作用，对植物宿主适应性产生了强烈的影响。因此，本研究实验证明了微生物群落中生态进化动力学对于宿主-微生物组相互作用的重要性。

  译名：微生物的存在与生物膜快速进化之间的生态进化相互作用决定了植物宿主的适应性

  本文分别从博伊斯·梅维尤公园、鹿湖州立公园和申利公园收集三种基因型（分别表示为A、B和C）的浮萍（

  ）进行重复实验以评估处理的影响是否来源于宿主的基因型。这三个基因型在两个微卫星位点具有不一样的遗传关系，并已在实验室培养物中维持了12个月。然后使用了一种漂白方法来消除这三种基因型的天然微生物组。从采集基因型B的鹿湖州立公园中的同一个池塘里采集的一种浮萍（

  ）种群中分离出了9种细菌，进行培养并测序。实验设计了完整的三因素析因涉及，包含微生物组（由9种细菌组成）的存在/不存在，荧光假单胞菌的存在和进化生物膜的能力（没有荧光假单胞菌，PBR716或SBW25）以及

  基因型（A，B或C）。每个处理组合包含四个重复。因此，我们在实验中使用了72个微宇宙：微生物组的存在/不存在（2个水平）×荧光假单胞菌处理（3个水平）×

  图1 微生物组的存在对荧光假单胞菌种群生物膜进化和丰度的影响。a，在非进化的（PBR716）和进化的（SBW25）荧光假单胞菌菌株中生物膜进化的程度，按照在荧光假单胞菌种群中生物膜形成基因型的比例进行计算。b，对数转化的荧光假单胞菌丰度。方框显示中位数和四分位数范围，其中须分别为第10和第90个百分位（n=12）。具有相同字母的处理在统计学上没有显著差异（

  ）。基于单个物种丰度的方差分析表明，两个微生物组物种对荧光假单胞菌的存在或进化有显著反应。荧光假单胞菌的存在使

  图2 由MaNova测试并通过坐标轴NMDS1与NMDS2的非度量多维缩放可视化的微生物组群落之间的差异。两点之间的距离是群落之间的Bray-Curtis差异。黄色，无荧光假单胞菌。橙色，不进化的PBR716；绿色，进化的SBW25。圆圈，

  ）。然而，微生物组的存在和荧光假单胞菌对植物适应性的综合影响不是累加的。与仅使用微生物组处理相比，将

  种群的最终数量中位数和四分位数范围，其中须分别为第10和第90个百分位（n=12）。具有相同字母的处理在统计学上没有显著差异（

  为了阐明萤光假单胞菌形成生物膜的能力和微生物组的存在如何决定宿主适应性的潜在机制，本研究基于群落水平的测定来量化通常会影响植物生长的三种细菌特性。首先，无论是荧光假单胞菌还是微生物组，都无法产生达到可检测水平的氰化物。因此，本研究排除了氰化物的产生可能会影响宿主适应性的机制。其次，荧光假单胞菌或微生物组的存在降低了有效磷的浓度（扩展数据图

  ）。磷是实验系统和许多淡水ECO中的有限资源。减少改营养素的利用不太可能导致

  ）。微生物组的存在对植物生长素的产生具有不显著的积极影响和微弱的负面影响，如果不存在，则微生物组中分别存在非进化的和进化的荧光假单胞菌。相关性分析表明，

  ）。我们承认，要应用生长素添加实验的结果来解释荧光假单胞菌的快速进化对生长素生成和

  处理）的处理做处理。不幸的是，这一些数据目前尚无。最后，为了鉴定植物生长素的来源，我们在单一培养物中孵育了每种细菌物种

  才能产生生长素。未来还有必要进行其他研究试验以确认由微生物组产生的植物生长素是否能促进植物适应性。

  荧光假单胞菌进化和微生物存在对宿主适应性的非累加效应可能是与生长素产生相关的微生物生态进化相互作用的结果（图

  （另一种生长素生产者）的丰度。结果就是具有进化的荧光假单胞菌菌株的微生物组含有最少的生长素产生细菌，这可能会引起植物宿主的适应性降低（图

  ）。尽管我们不能完全确定生长素的产生是其起作用的机制，但我们的根据结果得出，一个微生物组成员的进化可能会改变其他互惠物种的性能并改变微生物组的群落结构，从而引发对寄主适应性的间接生态影响。

  图5 本研究结果总结的示意图。红色箭头指示正向关系，蓝色箭头指示负向关系。微生物组的存在促进了荧光假单胞菌的生物膜进化（a），但降低了其丰度（b）。荧光假单胞菌中生物膜的形成反过来改变了微生物组物种的组成。它尤其减少了生长素产生者

  ）。长期以来，人们一直认为宿主遗传变异对于微生物组相互作用很重要，特别是肠道菌群中的微生物相互作用。最近的研究指出了植物宿主基因型对微生物组组成的类似作用。例如，在玉米和杨木宿主中，基因型身份决定了其根际微生物组中的物种组成。由于宿主基因型效应不是我们研究的重点，因此我们不确定与

  ）。本研究中快速进化对生态的影响补充了很多量化进化与群落水平生态变化之间的联系的实验研究。例如，

  微生物组环境中快速进化的重要性。我们比较了两个几乎同源的荧光假单胞菌的群落水平影响，这两个几乎同源的荧光假单胞菌在进化生物膜方面的潜力不同，我们的研究表明一个关键性状（生物膜形成）的演变对其群落和宿主其他成员共发生的生态动力学的影响。许多分类单元中基因编辑技术的持续不断的发展，可以使我们的实验进化方法在检验其他系统中的生态进化动力学更具可行性。

  我们承认本研究存在两个局限性。首先，荧光假单胞菌是包括浮萍在内的植物微生物组中的常见细菌，但

  进化的分子机理进行了深入研究，使其成为生物膜进化的易处理实验模型。但是，我们的结果与浮萍和自然界其他植物的微生物群落中生物膜的形成有关。大多数荧光假单胞菌物种（包括

  ）。因此，浮萍微生物群中的其他细菌物种有可能通过我们研究中观察到的相同机制进化生物膜并影响宿主健康。然而，未来的研究应考虑细菌物种起源对微生物群落生态进化动力学的影响及其适应性影响。第二，我们的合成微生物组仅包含

  种附生细菌，这些细菌在稳定的环境中培养。尽管这些细菌物种是微生物组中培养最丰富的物种，并且在系统发育上远缘相关（代表了广泛的细菌域），但自然微生物群落中的微生物群落更复杂。尤其是，我们没考虑在内生细菌物种中发现的内生细菌物种也能够产生生长素。同样，在我们的实验中也未明确测试许多非生物和生物因素，例如草食性，寄生性和养分利用率的波动。

  近年来，人们对研究宿主与微生物群落之间的生态进化相互作用的兴趣持续不断的增加。尽管有充分的证据说明微生物在植物生长中的各种作用，但很少有研究考虑微生物群落内部的进化在介导宿主物种的自然寿命适应性的作用。基于实验性的进化，并结合关注特征未发生明显的变化的对照组，本研究实验证明微生物组的存在指导着一个微生物组成员中生物膜的进化，进而改变了整个微生物组的群落结构。这种生态进化动力学可能通过产生植物生长激素来发挥作用，对植物宿主适应性产生强烈影响。本研究强调了微生物进化对宿主适应性在当代时间尺度上的及其重要的作用，并指出微生物组中以及微生物组与宿主之间的生态进化动力学知识在预测宿主与微生物组相互作用的结果中的重要性。