Nature | 沉积物中的宿主-寄生虫“红皇后”假说？

文摘 2024-11-10 00:02 上海

Introduction

宿主和寄生虫之间的拮抗相互作用是自然种群中一种关键的结构力量，推动协同进化，导致红皇后动力学，但关于自然环境中时间动态的经验数据完全缺乏。

水蚤及其微寄生虫表现出的特征预计将导致强烈的共同进化反应。而水蚤及其微寄生虫的休眠体都保存在湖泊沉积物中，提供了过去基因库的档案，因此，是一种很好的研究对象。在这里，我们利用这一事实来重建自然环境中的快速协同进化动力学，并表明寄生虫在短短几年内就能迅速适应宿主。

Method

从一个比利时的浅水池中取样了两个沉积物岩芯，其中大型水蚤与细菌内寄生虫巴氏杆菌共存。从这些岩芯的不同沉积物层中的休眠卵中孵化出大型水蚤克隆体，并分离出相应菌株。每个深度对应于寄生虫和水蚤种群的历史时间片段。这里研究的最古老的一层（最深24厘米，最长约39年）代表着大型水蚤和寄生菌首次同时出现在这个池塘中。

设计两个交叉感染实验，分别为：仅考虑检查多种寄生虫的时期（实验1）和仅考虑检查单个寄生虫的时期（实验2）。我们将八个（实验1）和七个（实验2）深度的水蚤克隆暴露于下一层、同一层和上一层的寄生虫分离物中。因此，宿主暴露于“过去”、“当代”和“未来”的寄生虫分离物中。

Results and Discussion

研究结果表明，平均而言，当水蚤暴露于当代寄生虫时，其传染性高于以前与未来生长季节的寄生虫，这表明寄生虫适应感染当代宿主基因型。寄生虫感染力在以后几年的丧失可能是由寄生虫适应不断变化的宿主群体引起的。通常，当寄生虫适应不同的宿主基因型时，会失去对以前宿主的适应。

如果将过去、当代和未来的寄生虫分别指定为P、C和F，则当代组合中具有最高传染性，但在两个深度上不同（实验2的D5和D7）。

进一步研究发现，存在显著的时移效应（P=0.05）以及非常显著的深度×时移相互作用（P＜0.0001）。

使用宿主-寄生虫系统的现实参数设置，发现来自不久的将来的寄生虫分离株是最具感染性的，并且暴露于最近的过去的寄生虫时，宿主感染最少。更远的未来或过去的同种临时组合显示出一种循环的影响模式(图a,b)。

而在几代人中取平均值时，这种模式就会发生变化，当代寄生虫比过去和未来的寄生虫分离株更具传染性(图c)。并且任何进一步的平均都会导致动态的损失(图d,e)。此结果也与在同一宿主-寄生虫系统中共同进化的机制方面的研究一致。

那么，寄生菌株究竟是如何影响宿主并与之协同进化呢？我们进一步研究了巴氏杆菌的传染性和毒力随时间的变化。

研究发现，沉积物岩芯的连续时间序列没有显示寄生虫传染性随时间的变化（图3a、d）。然而，我们发现了寄生虫适应性的其他组成部分逐渐变化的证据。从寄生虫的第一次记录（最深24厘米）开始，巴斯德菌孢子的产生随着最近来源的分离株的增加而增加（图3b、e）。寄生虫孢子产量的增加与水蚤宿主繁殖力的降低有关，随着时间的推移，寄生虫会逐渐降低宿主的繁殖力（图3c、f）。

这表明，随着时间的推移，巴斯德菌孢子产量和毒力的增加（但不是其传染性）可能反映了寄生虫对宿主的适应。

Conclusion

与宿主-寄生虫持续共同进化的观点一致，寄生虫传染性几乎没有随时间的变化而变化。相反，从首次在沉积物中发现寄生虫的那一刻起，随着时间的推移，毒力稳步增加，这与寄生虫更高的适应度有关。

在自然种群中宿主-寄生虫相互作用的历史重建中，我们为基于波动选择的协同进化提供了经验证据。这种红皇后动力学被认为在广泛的生物学现象中发挥作用，例如有性生殖的进化和维持以及疾病位点遗传多态性的维持。从这个意义上说，拮抗性协同进化可能在地球生物多样性的进化中起着关键作用。

参考文献：Host–parasite ‘Red Queen’ dynamics archived in pond sediment. Nature 450, 870–873 (2007).

创作人：孙畅华东师范大学

本文来源于第一届水生生物与水域生态学全国研究生暑期学校的学员作业。

【作业目录】

Nature | 河流对“碳”只是“传输通道”吗？

Nature | 生物多样性演变的不确定性？

Nature | 温度影响食物链的能量传递效率？

Nature | 海洋变绿显示气候变化趋势？