作者：平翎，南京农业大学在读硕士，主要研究堆肥中耐药菌的噬菌体消减。
导读
一、裂解型噬菌体被组装成多样化的群落
图1 噬菌体群落在单一宿主上具有多样性、常见性和可预测性。
图2 多样性在群落传代过程中得到维持，并且与起始频率无关。
生态相互作用对于许多宏观和微观生物群落的组成和特性至关重要。因此，作者试图理解不同噬菌体物种之间如何相互作用，即一个物种如何影响其他物种的生长和繁殖 (图 3A)。通过比较每个物种在群落中生长时的丰度与它们单独生长时的丰度，来确定两噬菌体 (图 3B) 和三噬菌体 (图 3 C 和 D) 群落的相互作用方向。这项实验揭示了配对相互作用通常是负的，表现为竞争 (−/−) 和偏害共生 (0/−) 的例子。群落中对抗性相互作用的普遍性与许多物种在传代初期被迅速排除以及群落对干扰的稳健性一致，因为负相互作用比正相互作用更能促进生态稳定性。
(A) 示例结果展示了如何通过粉色物种丰度的变化来确定生态相互作用。(B) 两物种群落2、3、6和7的噬菌体相互作用（从左到右）。(C) 与（B）相同，但显示了三物种群落8之间的配对相互作用。(D) 与（B）相同，但显示了三物种群落9之间的配对相互作用。
前期研究发现，细菌种群中噬菌体抗性突变体的进化可以促进噬菌体的共存。尽管尝试通过在传代之间进行过滤来避免细菌进化，但仍有可能在每次独立的培养过程中发生细菌多样化，这可能促进共存。为了验证这一可能性，作者调查了噬菌体抗性细菌突变体是否在过滤步骤之间（即在单独的 24 小时传代过程中）出现。作者分别在三个时间点选择的三个菌落上进行噬菌体培养和检测噬菌斑形态，测试了这些大肠杆菌菌落的噬菌体抗性，并发现其噬菌斑形成受到抑制。表明细菌种群对其群落中的两个噬菌体物种均具有抗性，因此不太可能优先支持单个噬菌体物种的生长。此外，噬菌体多样性在所有群落中的 12 个传代过程中持续存在，无论是否有细菌生长。这些数据表明，噬菌体的共存并不依赖于细菌种群中噬菌体抗性的进化。
噬菌体种群在几乎每次传代开始时均超过了细菌的数量（具有较高的MOI）。这种模式表明，多种裂解型噬菌体可能在同一共感染细胞内共享资源，从而可能导致噬菌体物种之间的相互作用，进而促进它们的共存。为了验证这一假设，通过流式细胞术对共感染细胞进行单独分选，并在裂解后识别不同物种的产生情况。在此实验中，作者选择了一个群落（群落 2），由噬菌体 N 和 S 组成。结果发现，产生噬菌体 N 和噬菌体 S 的单个细胞的比例几乎可以忽略不计，且低于预期的共感染细胞比例。对于感染了其他共存物种的细胞，生产共感染的比例也可以忽略不计。这些实验表明，多种噬菌体物种很少在同一细胞内产生，这表明噬菌体的共存并不依赖于同一细胞内的高效共感染。
鉴于每个噬菌体物种感染的是群体中不同的细胞，进一步测试了共存是否因为不同的裂解性物种倾向于感染表型不同的细胞。实验中的宿主群体是同基因的，但在一个遗传上克隆的群体内，细胞仍然可以通过采取不同的生理状态而在表型上有所不同。在每次传代开始时，几乎所有细菌细胞都被立即感染，并且迅速裂解，这表明共存依赖于宿主的预存异质性，而不是宿主表型在传代过程中的变化。正常宿主群体中，一种常见的表型异质性是细胞在稀释到新鲜培养基中时，它们开始重新生长的速度不同。此外，细菌的生长状态可以影响不同噬菌体物种的复制。因此，如果细胞间的差异导致每个噬菌体物种的产量有所不同，那么噬菌体的共存可能由表型异质性支持。
图4 主体表型异质性支持噬菌体多样性。
为了探讨驱动生态位分离的分子机制，研究选择了模式噬菌体T7作为实验对象。该噬菌体在慢生长的E. coli细胞上能很好地复制，因为噬菌体编码的蛋白质Gp5.7能够抑制宿主编码的RNA聚合酶RpoS，后者在慢生长时被表达。作者用噬菌体U、野生型T7以及删除了gp5.7的T7（T7Dgp5.7）共同感染不同生长阶段的培养物，结果发现，当与噬菌体U竞争时，野生型T7在老化培养物中的表现优于3小时培养物（见图4G）。然而，T7Dgp5.7在与噬菌体U共同存在时，在老化培养物中的表现明显差于野生型T7（见图4G和H），而在3小时培养物中的复制未受影响。结果验证了gp5.7可能帮助T7在与另一噬菌体共同存在时，争夺慢生长细胞的假设。进一步的实验还需要评估gp5.7是否有助于T7在慢生长的E. coli亚群体中的特化，从而使其能够与噬菌体U共存。收集的27种噬菌体缺乏gp5.7的同源物，因此作者推测不同的噬菌体专攻细菌不同生长状态的分子机制并不相同。
总结
与噬菌体多样性需要宿主基因多样性或空间分隔的观点相反，该研究发现多样化的裂解性噬菌体物种能够在一个充分混合、基因上同质的E. coli菌株上稳定共存。因此，可以推测即使在最简单的环境中，多种噬菌体物种也能够共存。这些发现与其他微生物系统中的研究一致，研究表明，只要有足够的起始多样性，即便在单一、限制性生长资源的环境中，多种竞争性细菌物种也能共存。在共享宿主群体上形成的稳定噬菌体群落，有可能成为不同噬菌体物种专化、重组和种群互作的热区。正如多细胞生物在其微生物群落中寄生多个细菌物种一样，该研究结果表明，单一的细菌本身也可以寄生多样化的噬菌体物种。这进一步表明，即使在极其严格的竞争条件下，地球上最简单的生物实体依然能够找到共存的途径。
