PNAS:代谢物限制捕食者的生长和猎物的生物多样性

文摘   2025-01-03 09:02   瑞士  

原文献信息:Li, G.; Liu, T.; Xie, W.; Liu, Z.; Li, H. et al. Metabolites limiting predator growth wane with prey biodiversity. Proc Natl Acad Sci 2024, 121(52).        

 

摘要:

捕食者与猎物的相互作用是微生物群落动态的主要驱动力,但其预测难度依然较大。尽管多种猎物特征可能对抵御捕食产生影响,但这些特征在多物种环境中的具体作用仍不明确。本研究中,我们利用不同复杂度的合成细菌群落,确定了影响线虫(土壤中细菌的主要消费者)适口性的特征。我们评估了四种线虫物种与122种细菌分离株之间的营养相互作用,涉及的猎物生物多样性梯度从单一物种到50个物种不等。作为猎物适口性的指标,线虫的大小随猎物群落组成的变化而大幅波动,且可通过猎物的代谢和形态学特性进行预测。然而,猎物特征对捕食者的影响取决于生物多样性水平。在单培养环境中,次生代谢产物主导猎物的适口性,但随着猎物生物多样性的增加,这一影响逐渐消失,此时猎物大小成为决定线虫大小的主要预测因素。尽管以往文献常强调特异性特征,但我们的研究结果表明,在生物多样性丰富的组合中,可用猎物的组成及其特征在预测捕食者与猎物相互作用方面更为可靠。本研究为捕食者与猎物相互作用背景下的微生物生态学提供了宝贵见解,即隐性的微生物反应可通过基于可概括生物学特征的推论进行指导。


本研究旨在将分子机制纳入捕食者与被捕食者相互作用的预测框架,提出基于性状的通用预测方法,以预测细菌对线虫消费者的适口性。我们选择线虫作为土壤食物网中的消费者代表,使用体型作为捕食者适应性的指标。研究首先确定哪些细菌猎物的性状与线虫体型最相关,分为通用性状(如细胞大小、营养成分)和特异性状(如次生代谢物)。其次,探索这些猎物特征如何影响单一物种和混合物种群落中捕食者的体型。通过构建涉及多种线虫和122种细菌的微生物捕食者-猎物系统,并实验测定各细菌性状,建立从单一物种到高生物多样性水平的梯度,以研究细菌多样性对线虫体型和捕食者-猎物动力学的影响。

本研究发现线虫体型随单一栽培中猎物特征而变化,不同线虫物种的体型差异显著,且呈倾斜分布。细菌之间的系统发育距离与线虫体型的差异呈微弱正相关,特定菌属主要表现出有益或有害作用。

为了研究猎物丰富度对捕食者体型的影响,实验将细菌多样性从1种扩大到5种、15种和50种。结果显示,线虫体型在不同细菌多样性等级中表现出异质性,但随着生物多样性的增加,线虫体型更加一致,且分布从倾斜变为正态。
在单一栽培中,评估了7个可归纳细菌性状对线虫体型的影响。广义线性混合效应模型(GLMM)显示,次生代谢物基因数(BGC)和碳水化合物含量是显著的预测因子,两者都对线虫体型有负面影响。此外,特定BGC类型也对线虫体型有很大影响。
在混合培养物中,这7个可通用细菌性状同样能很好地预测线虫体型。细菌细胞大小是重要预测因子,对多物种细菌群落的线虫体型分布有负面影响,但随着多样性的增加,这种负面影响得到缓解和逆转。此外,细菌碳水化合物和生物膜的不利影响也随着多样性的增加而增大。有害细菌的比例在所有多样性水平下都能显著降低线虫体型,且与碳水化合物含量等细菌性状之间存在明显负交互作用。
为了解释生物多样性水平较高时特化代谢物作用减弱的原因,实验以线虫和绿色荧光蛋白标记的细菌菌株P. protegens为模型系统进行了微观世界实验。结果表明,随着细菌多样性的增加,PSE10的数量和DAPG浓度急剧下降,线虫体型增大。这证实了在高物种多样性的群落中,线虫较大体型可归因于整个群落次级代谢产物产量的减少。总之,这些发现凸显了体型等通用标记在预测多营养互作中的重要性。

文中图表:

   

   

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