作者：薛娇，南京农业大学硕士在读，主要研究铁载体与植物互作。
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对菌群针对性的干预被认为是恢复生态系统的一种具有前景的策略。作者发现加入菌剂可能会促进土著菌群的生长，导致菌剂定殖困难。作者在是否存在土著菌群的情况下探究了不同养分有效性对菌剂生长的限制，以及如何通过添加菌剂选择性培养基改善养分促进菌剂定殖。作者用甲苯作为假单胞菌菌剂的选择性营养生态位，甲苯存在可以促进菌剂定殖，并发现土著菌群可以利用菌剂的代谢物，促进自身增殖从而减少菌剂生态位，使菌剂定殖受限。生成选择性营养生态位可在早期促进菌剂定殖并减少菌剂与土著菌群的竞争损失。1. 在生长/稳定生境中产生类群多样的土壤微生物群落
为了研究营养生态位可用性对菌剂增殖潜力的影响，作者构建了两种微观生境：增长的菌群生境 (GROWING) 和稳定的菌群生境（STABLE）。GROWING 提供充足的生态位；而 STABLE 中的生态位受到限制；无菌土壤作为对照。作者从室温下培养1.5年以上的土壤群落 (NatComs)中培养、获得菌群，一个月后得到制备的土著菌群（图1a）。培养期间，土壤微生物快速生长，随后稳定在每克土8×108个细胞（图 1b）。培养初期，厚壁菌门和变形菌门数量快速增长，随后浮霉菌门缓慢生长，同时也检测到少量疣微菌、拟杆菌和放线菌（图1c）。土壤群落演替使群落Chao1值和Shannon指数暂时下降，随后缓慢增加并趋于稳定（图 1b）。实验最后，将土壤微环境分为两组，分别得到 GROWING 和 STABLE生境。GROWING 菌群细胞前期快速增长，但始终低于 STABLE 生境（图 1e）。这表明，虽然GROWING和STABLE群落动态演替和均匀性有所不同，但其群落丰富度和组成特性相似，适合用来测试生态位中养分可用性对菌剂增殖的影响。![]()
图1：生成土壤微生物群落以测试菌剂生态位可用性作者测试了四种菌剂（Pseudomonas. putida、Pseudomonas. protegens、Pseudomonas. veronii 和 Escherichia. coli）在三种不同生态位（无菌土壤ALONE，生态位充足的土壤——GROWING，和生态位不足的土壤——STABLE）中的增殖潜力（图2a）。培养3天后，三种假单胞菌菌剂在ALONE生境中细胞数量增加了100倍以上，这表明它们能快速利用土壤资源并成功定殖（图2a）。大肠杆菌菌剂细胞数量仅增加了10-12倍，说明未找到合适生态位导致定殖受到限制。在GROWING和STABLE中，菌剂数量明显低于ALONE（图2a），且在GROWING中三种假单胞菌菌剂的生长和存活率优于STABLE生境（图 2b~d），大肠杆菌菌剂在这两种土壤微观生境中的增殖变化不显著。![]()
图2：接种菌剂的定殖取决于土著微生物群落的发展状态
3. 特定的营养生态位有利于菌剂在土著群落中定殖
为了探究营养生态位竞争对菌剂P. veronii生长的影响，作者在GROWING和STABLE生境中添加甲苯提供营养。结果显示，甲苯对STABLE土壤群落无显著影响，但使GROWING中的群落规模增加1.5倍（图3a）。加入甲苯并接种P. veronii使GROWING群落规模增加1.8倍，而STABLE群落无显著变化。P. veronii菌剂在加入甲苯初期增长了100-200倍，随后数量下降但仍高于无甲苯条件（图3b）。实验表明，加入选择性营养可以显著提高菌剂的增殖，这表明对生态位和共有资源的竞争限制了菌剂的增殖。在加入甲苯后，GROWING和STABLE的微生物群落丰度发生巨大变化，而无甲苯条件群落丰度无显著变化（图3c，d）。甲苯使群落离群距离增加10倍（图3e），并且在GROWING的群落前一周离群距离增加最显著，表明甲苯直接影响群落成员生长（图 3f）。这些结果表明，甲苯作为选择性养分，解除了P. veronii菌剂的营养生态位限制。![]()
图3：甲苯选择性营养生态位对土著菌群中和P. veronii生长和生存的影响4. 接种菌剂在随机配对试验中定殖下降，但促进了土著菌群的生长由于营养生态位对菌剂增殖的关键作用，作者探究了菌剂与土著菌群之间的竞争相互作用。作者将接种的单个菌剂细胞与单独的土著细胞封装在琼脂糖珠中，并于不同基质中（如土壤提取物、16种碳源和甲苯）培养。作者假设珠内的两种初始细胞大小接近，生长相互作用通过菌剂细胞与土著细胞的共培养时平均群落大小与单独生长的细胞产生的偏差进行展示。结果表明使用土壤提取物作为唯一营养源时，与土著细胞配对培养相比，单独培养P. veronii菌剂的微菌落平均大小随时间推移增加更多（图 4a）。相反，土著细胞在P. veronii存在的条件下菌落大小比单独培养时增加更多。其他三种菌剂存在时也表现出类似效果（图4b）。这表明菌剂可以将初级底物转化为代谢物或以其他方式增加局部养分促进土著细胞的生长，但其自身的生长会受到限制（图4c）。![]()
图4：接种菌剂与土著细胞的配对生产率5. 菌剂甲苯代谢触发了土著菌群的多种交叉喂养途径考虑到琼脂珠内发生的相互作用，作者试图研究由于P. veronii接种引起的土著细菌交叉喂养网络。作者重点关注了接种P. veronii菌剂和添加甲苯条件下，菌剂定殖对土著细菌的潜在影响。正如封装实验（图4c和5b、c）和微观研究（图3a、d）所验证的，甲苯在微生境内提供特定营养促进P. veronii菌剂生长，但菌剂代谢可以间接促进其他细菌类群的生长。实验通过将P. veronii接种到两种土壤类型（Silt、Clay和先前研究中的气化污染土Jonction）中，并分析了早期和后期土壤微生物的总RNA测序，以量化土壤细菌的基因表达水平。结果显示，在添加甲苯的Silt和Jonction中，P. veronii菌剂生长显著，而在Clay中生长不显著（图5a），与此同时，菌剂活跃生长的土壤中，土著菌群的活性和生长都有所增加（图5b）。值得注意的是，添加甲苯但未接种菌剂的Silt土著菌群在孵化后期的转录组丰度较高。甲苯存在时，与芳香族化合物代谢相关的转录组在接种P. veronii时显著富集，特别是与P. veronii的甲苯代谢相关的途径（图5c）。相比之下，Clay中的芳香族化合物代谢转录组普遍较低，可能是P. veronii增殖不佳导致（图5a、d）。同时作者还发现，土著菌群可利用的甲苯降解产物的转录组总和与土壤微生物的生长状态呈对数线性相关（图5b）。对少量增加的芳香族化合物的代谢转录组进行溯源分析，作者发现，在Jonction中，土著菌群转录组富集，Silt和Clay中的转录组在甲苯存在和接种P. veronii后变得富集。这些结果表明，P. veronii的甲苯代谢引发了土著细菌之间的交叉喂养。![]()
图5：土壤微生物群利用P. veronii的甲苯降解产物
微生物组工程通过操纵微生物群落来调节生态系统，但菌剂的成功定殖是其发挥作用的前提，接种菌剂可能因其代谢产物促进本地微生物生长而难以定殖。本文研究发现添加选择性资源改善营养条件，可以减少菌剂竞争损失，促进菌剂增殖。为细菌菌剂调节土壤群落环境的功能和健康提供理论支持。
论文信息
原名：Niche availability and competitive loss by facilitation control proliferation of bacterial strains intended for soil microbiome interventions
译名：通过干预细菌营养生态位和资源竞争调控土壤菌群
期刊：Nature Communications
DOI：10.1038/s41467-024-46933-1
发表时间：2024年3月
通讯作者：Jan Roelof van der Meer
通讯作者单位：ETH Zurich
南京农业大学-土壤微生物与有机肥料团队
微生态与根际健康实验室
Lab of rhizosphere Micro-ecology
立足国家重大需求，探索前沿学科交叉
创新根际微生态研究、培养产教研创新人才
提升环境土壤生物一体化健康
竞争求发展，合作谋共赢
Competition & Cooperation
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