文章题目：Shaping of microbial phenotypes by trade-offs
期刊：Nature Communications
影响因子：16.6
发表时间：2022.3
参考文献：Zhu, M., Dai, X. Shaping of microbial phenotypes by trade-offs. Nat Commun 15, 4238 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-48591-9
1.研究背景
l微生物生长速率最大化是一种重要的适应性策略，但生态系统中慢生长的寡营养微生物广泛分布，表明在生态环境中快速生长并不总是有利的。
l在许多情况下，由于生理和蛋白质组的限制，微生物在生长和其他重要性状之间存在权衡（例如，适应性和生存）。
2.研究目的
l回顾权衡在控制细菌生长中的机理作用，并进一步强调了它在推动共存、种群异质性和寡营养/共营养生活方式等许多重要生态现象出现方面的生态学意义。
3.结果与讨论
l微生物生长的调控机制：蛋白质组资源分配在微生物生长控制中起关键作用。在富营养培养基中，细菌可节省合成代谢蛋白的蛋白质组资源，最大化核糖体合成以实现快速生长；在贫营养培养基中，细菌会抑制核糖体合成，将更多资源投入合成代谢蛋白。微生物还会平衡能量生成和生物量合成来加速生长。例如，在有氧条件下，快速生长的细胞会采用发酵途径而非呼吸途径进行能量生成，尽管发酵途径产生 ATP 的效率较低，但所需的酶和蛋白质组投资更少，有助于实现快速生长。
l权衡的生理机制和生态影响
1.生长与适应性的权衡
①蛋白质组储备促进对营养转变的适应：在营养条件波动的环境中，微生物的适应性至关重要。例如，在氨基酸下降或碳源转换等营养转变过程中，细菌会通过调节蛋白质组来适应。蛋白质组储备（如合成代谢酶的泄漏表达）可帮助细菌更快地适应营养下降，减少滞后时间；而碳源转换时，碳代谢物抑制（CCR）的强弱会影响细菌对第二碳源的利用滞后时间。
②生长与适应性之间的权衡关系：快速生长和对营养波动的快速适应难以同时优化。例如，富营养培养基中合成代谢蛋白的蛋白质组储备会限制核糖体合成的细胞 “预算”，从而降低细菌的最大生长能力；而适应性的提高往往以生长速率的降低为代价。这种权衡可导致不同生长表型的共存，如在多种资源存在时，生长快但适应慢的细菌可与生长慢但适应快的细菌共存；在微生物群落中，还会出现 “专家” 种群（快速生长且适应慢）和 “通用” 种群（生长慢但适应快）。此外，表型异质性是微生物应对生长 - 适应性权衡的有效策略，如在酵母的二次生长转换中，随机基因表达会产生两个亚种群，分别适应不同环境。
2.生长与生存的权衡
①生长 - 生存权衡关系：细菌在有利条件下需快速增殖，在应激条件下需持续生存，因此生存能力也是决定细菌适应性的关键特性。例如，临床分离的病原体常表现出缓慢生长的表型，这有助于其在宿主内的适应和生存。研究发现，细菌的生长速率和生存能力之间存在强烈的权衡关系，这种关系源于蛋白质组资源的竞争。在慢生长条件下，细菌可能会将更多的蛋白质组投资于应激反应，从而提高生存能力。
②抗生素耐受性和抗性与生长的权衡：慢生长可增强细菌对药物的耐受性，而抗生素抗性的发展往往伴随着生长速率的降低。耐受性和抗性的产生可能是由于抗生素作用靶点的改变、抗性蛋白的过表达等原因导致的蛋白质组负担和能量成本增加。
③平衡生长和生存的策略：细菌通过产生表型异质性来采用避险策略。例如，枯草芽孢杆菌在不利条件下，部分细胞会形成芽孢，其余细胞可通过自相残杀或自溶获取营养维持生长；饥饿的大肠杆菌群体也会通过表型异质性来适应环境，大部分细胞在饥饿后能快速恢复生长，小部分细胞则具有较强的环境应激耐受性。
3.寡营养与富营养生活方式的权衡
①生长效率和应激抵抗的差异：与富营养细菌相比，寡营养细菌生长缓慢，但生长效率更高，且具有更高的固有应激抵抗 / 耐受性。寡营养细菌具有简化的基因组和较小的细胞尺寸，其高亲和力、低特异性的营养运输系统使其能在寡营养条件下经济地利用多种底物，同时减少与大分子生物合成相关的能量成本。
②基因调控策略的差异：寡营养细菌的基因表达具有高度的组成性，缺乏生长速率依赖的控制，这与富营养细菌通过强大的转录调控动态调节蛋白质组分配以实现快速生长形成鲜明对比。这种差异导致寡营养细菌在营养转换时无生长滞后，能同时利用多种底物，而富营养细菌在营养转换时需要重新分配蛋白质组资源，会出现滞后时间。
图 1 来自渗漏表达的蛋白质组储备促进了对营养波动的适应性。A 在从富集培养基向极少培养基营养下移的过程中，细菌细胞必须将蛋白质组资源从核糖体（R）重新分配到合成代谢蛋白（A）。Q 部分表示与生长速率无关的蛋白质组部分，用于维持代谢。B 在碳重排转移过程中，碳重排抑制（CCR）严格的菌株对第二碳的重排基因有较低的泄漏表达，因此表现出较长的重排滞后。与此相反，弱碳代谢抑制菌株的相关代谢基因有较高的泄漏表达，也能在葡萄糖耗尽前触发相关代谢基因的诱导。因此，弱 CCR 菌株的重糖滞后期很短，甚至没有重糖滞后期。C rRNA 合成的控制包含两种行为：由 P1 启动子上的 (p)ppGpp 介导的生长速率依赖性控制和来自 P2 启动子的组成型表达行为。P2 启动子的泄漏表达使细菌能够在极慢的生长过程中在其蛋白质组中维持基础核糖体储备（R）。核糖体储备使细菌能够在营养物质从饥荒向盛宴转移的过程中迅速启动上移程序，然后制造更多核糖体以进一步提高生长速度。
图2. 生长-适应性权衡导致共存和表型异质性。种群或微生物群落中可能出现两种生长表型：“专才”种群（快速生长和慢速转换）和 “通才”种群（慢速生长和快速转换）。A 两种细菌在多种资源条件下共存： 不动杆菌（Aci2）和绿脓杆菌（Pa）。当丙氨酸或谷氨酸作为唯一碳源存在时，Aci2 因其较高的生长速率而能竞争性地排斥 Pa。然而，当丙氨酸和谷氨酸同时存在时，这两种菌株可以共存，因为 Pa 可以比 Aci2 更快地适应丙氨酸-谷氨酸的双向转变，滞后期也比 Aci2 短得多。B 在大肠杆菌的长期进化实验（LTEE）中，有两个亚群共存：L 菌株和 S 菌株。L 型菌株在葡萄糖培养基中的生长速度比 S 型菌株快，并能向培养基中分泌较多的发酵产物醋酸盐。然而，S 菌株能更快地适应向醋酸盐的生长转变，但代价是降低了在葡萄糖培养基中的生长速度。因此，虽然 S 型菌株在葡萄糖培养基中的生长速度比 L 型菌株慢，但在葡萄糖耗尽后过渡到乙酸盐的过程中，S 型菌株可以获得适应性优势。C 在芽殖酵母的碳重氮生长过程中，随机基因表达产生了两个亚群：强碳代谢抑制（CCR）亚群 A 在葡萄糖培养基中可以快速生长，但需要较长的滞后期来适应葡萄糖-半乳糖重氮转变；弱 CCR 亚群 B 在葡萄糖培养基中可以缓慢生长，但可以较快地适应重氮转变，滞后期较短或没有滞后期。D (p)ppGpp 同时调节细菌的生长和对营养波动的适应性。(pp)ppGpp抑制核糖体（Rb）的合成，但激活氨基酸（AA）的生物合成以及一些 AA 和碳的分解过程。因此，(pp)ppGpp 会降低细菌的生长速度，但同时也会促进细菌对各种营养物质减少的适应。因此，(pp)ppGpp 是一种关键的调控因子，可将细菌从快速生长和慢速转换为慢速生长和快速转换。
图3. 微生物生长控制的权衡原则联系了微生物学科的三个层次。在分子水平上，它与微生物细胞的全局基因调控和资源分配策略密切相关。在生理水平上，它与微生物细胞的赌注对冲策略有关，以平衡生长和其他关键生理性状，如适应性，存活和耐胁迫以及抗生素耐受性。在生态学水平上，这与表型多样性的出现密切相关，表型多样性与多种生态现象相关，如表型共存、种群异质性和贫养/互养生活方式的出现。
