【LorMe成果】微生物多样性塑造土壤动物体型大小的生态学机制

文摘   2025-01-02 14:00   河南  
近日,南京农业大学沈其荣院士和胡锋教授课题组在土壤动物-微生物互作机制方面取得重要进展,成果以“Metabolites limiting predator growth wane with prey biodiversity”为题发表在国际权威期刊《PNAS》。该研究首次揭示了捕食者(土壤动物)与猎物(微生物)之间的性状依赖性互作在微生物多样性梯度下的动态变化,挑战了传统在微型生态系统由毒性主导的捕食-被捕食关系的假说,并强调在多物种生态系统中,捕食者-猎物关系更受猎物体型等形态特征的驱动。该研究结果不仅为土壤微生物食物网的动态预测提供了新的视角,还为基于基因组数据的精准营养网络模型的构建奠定了基础。



导读



捕食-被捕食关系是驱动微生物群落动态变化的主要因素,但却难以预测。微生物的很多特性可能会影响其对捕食者的抗性,但这些特性在多样性高的时候尚不明确。本研究利用4种土壤线虫(作为土壤中细菌的主要捕食者)与122种细菌,构建了1、5、15、50四种多样性梯度的合成细菌群落,明确了影响线虫体型大小的微生物特征和机制。结果显示线虫体型与细菌群落的组成密切相关,可由细菌的次级代谢产物和形态特性预测。然而,细菌特性对捕食者的影响依赖于生物多样性。在单一培养条件下,次级代谢物主导了细菌对线虫体型大小的影响;但随着细菌多样性的增加,这一影响消失,而细菌的体型成为预测线虫体型的主要因素。尽管以往文献中通常强调个别特性的独特性(某些稀有次级代谢物质),在生物多样性较高的群落中,细菌的组成及其特性是捕食者-猎物相互作用更可靠的预测指标。本研究为捕食者-猎物相互作用背景下的微生物生态学提供了重要见解,表明隐匿的微生物响应可通过基于普遍生物学特性的推断进行预测。

捕食者-被捕食者相互作用是微生物生态学和进化的主要决定因素。它们塑造了生物多样性,支配微生物群落的功能,并调节生物体之间的能量与养分流动。预测这些相互作用对于构建细菌群落的动态模型及其提供生态系统服务(如分解有机物、促进植物生长和维护土壤健康)的能力至关重要。然而,在多物种间推断营养级相互作用仍是生态研究中的重大挑战之一。尽管对于包括脊椎动物和无脊椎动物在内的动物而言,预测其营养级相互作用相对容易,但在微生物层面进行预测要困难得多,尽管可用的特性数据库和基于基因组的工具日益增多。这种困难源于微生物生态学中基于特性的框架尚未充分发展。部分原因在于,从众多可能的特性中挑选相关特性以及在微观生物体中测量这些特性的技术难度较大。此外,微生物学研究传统上倾向于报道个性化的分子机制,例如某些稀有次级代谢物的产生,而忽视了其他生态研究领域中已确立的、具有可推广性的机制,例如体型。这可能导致仅对少数菌株中存在的个性化特性进行描述,而这些特性难以推广到更广泛的背景中。

本研究旨在将分子机制嵌入一个可推广的捕食者-猎物相互作用预测框架中。我们提出了一种基于特性的通用性预测模型,用于预测单一和混合物种群落中细菌对线虫消费者的适口性。选择线虫作为土壤食物网的模型消费者,并使用体型作为捕食者适应度的衡量指标,因为体型与包括总体健康状况或营养状况在内的多种生活史特性具有很强的相关性,因此是生态学和进化研究中最广泛研究的特性。本研究的首要目标是确定哪些细菌猎物特性与线虫体型最密切相关。

我们的第二个目标是探讨猎物特性如何在单一物种和混合物种群落中影响捕食者体型。根据生物多样性与生态系统功能理论,较高的物种多样性通常通过生态位互补和促进等机制增强生态系统功能。然而,猎物特性对捕食者体型的影响关系较为复杂,且在很大程度上依赖于群落中猎物物种的组成及其特性。在单一物种群落中,猎物的特性,如体型、营养成分或次级代谢产物的产生,可能直接影响捕食者体型。例如,富含营养的猎物能够提供更多的资源,从而促进捕食者的生长;而产生毒性代谢物的猎物则可能由于其负面生理影响抑制捕食者的体型。这些效应通常比较直接,因为在单一物种群落中没有其他物种相互作用来调节猎物特性的影响。然而,在多样性更高的群落中,猎物特性对捕食者体型的影响变得更加复杂。例如,某些猎物物种产生的次级代谢物可能由于其毒性作用而初步抑制捕食者的生长,但随着物种多样性的增加,这些负面效应可能会通过物种间相互作用而被稀释或缓解。此外,猎物物种之间可能在代谢上互补,从而提高初级生产力,并可能促进更大的捕食者体型。再者,替代猎物的存在使捕食者能够选择更具适口性的物种,即使在存在毒性猎物的情况下,也能提高其适应性。然而,物种多样性的增加也可能带来负面影响。例如,较高的细菌多样性可能减少高质量物种的可用性,并稀释某些细菌的益处,迫使线虫依赖低质量食物,从而限制其生长。

为了回答上述问题,本研究建立了一个微生物捕食者猎物系统,涉及模式线虫秀丽隐杆线虫(Caenorhabditis elegans)和三种土著线虫,这些线虫被认为是土壤中细菌的主要消费者。我们引入了122种细菌,涵盖了在根际中存在的主要可培养系统发育群,包括变形菌门(Proteobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、厚壁菌门(Firmicutes)和放线菌门(Actinobacteria)。所有细菌的基因组均已测序,可以预测次级代谢产物,而其他特征,包括细胞大小、形状、活性、蛋白质含量、碳水化合物含量和生物膜生成,都进行了实验测量。细菌被安排成单一物种或随机组合的5种、15种和50种物种混合物,构建了一个从单一物种到代表土壤局部群落生物多样性水平的多样性梯度。该实验设计使我们能够系统地研究不同水平的细菌多样性如何在受控且具有生态相关性的环境中影响线虫体型以及捕食者猎物动态。




主要结果




1、线虫体型在单一物种群落中的变化

线虫体型大小在不同细菌物种之间差异较大。所有四种线虫物种的体型分布呈偏态,表明只有少数细菌导致体型变小(图1B)。细菌之间的系统发育距离与线虫体型差异呈显著正相关。在四种线虫物种中,按照门水平观察到一致的模式,变形菌门(Proteobacteria)支持最大的体型,其次是厚壁菌门(Firmicutes)和拟杆菌门(Bacteroidetes),而放线菌门(Actinobacteria)支持最小的体型(图1C)。特定的属表现出主要的有益或有害效应。例如,变形菌门的多个属(如Acidovorax、Herbaspirillum和Providencia)相比实验室食品大肠埃希氏菌OP50支持更大或相似的体型。相反,大多数放线菌门的属(如Arthrobacter、Paenarthrobacter、Pseudarthrobacter、Microbacterium、Rhodococcus和Sinomonas)以及拟杆菌门的属(如Chryseobacterium、Sphingobacterium和Empedobacter)相较于实验室食品大肠埃希氏菌OP50导致线虫体型显著减小。值得注意的是,变形菌门(如Pseudomonas protegens和Burkholderia cenocepacia)以及厚壁菌门(如Brevibacillus parabrevis)中的几种物种对食菌线虫的影响最为有害,它们在其他动物宿主中也具有致病性。

图1 细菌物种身份和系统发育关系决定线虫捕食者的体型分布
体型作为猎物可食性的代理指标。(A)系统发育树和热图显示了122种细菌物种对四种线虫体型的影响。值从0到1进行了标准化,以便在不同线虫物种之间进行无偏比较。C. elegans、Panagrolaimus sp. NJ和D. veechi为食菌性线虫,P. quartusdecimus为捕食性线虫。(B)直方图显示了在122种细菌物种中,四种线虫的体型分布(标准化反应)(n = 9,790,来自四种线虫物种)。(C)比较四个细菌门的线虫体型分布。


2、线虫体型分布随混合培养中的猎物多样性变化

为了探究猎物丰富度对捕食者体型的影响,我们将细菌多样性从1种扩展至5种、15种和50种(图2A)。每个多样性水平(5种、15种和50种)包含20个人工合成的细菌群落,这些群落从本研究使用的122种分离株库中随机选择而来。线虫体型在四个细菌多样性水平间存在显著差异,并表现出显著的异质性,特别是在细菌多样性水平1的条件下(图2B)。随着生物多样性的增加,线虫体型在各处理间趋于更加均匀。这种体型增加和均匀性的提升可能与线虫体型分布的变化有关:在细菌多样性水平1下观察到的左偏分布,在细菌多样性水平1550下转变为正态分布。
图2 随着细菌物种多样性的增加,线虫体型的变化幅度减小
(A)在不同细菌物种多样性水平下的实验性捕食-猎物相互作用。多样性水平 1 显示了线虫对单一细菌类型的响应,基于 122 种单一细菌的试验数据,每种细菌包含 20 至 100 个重复(四种线虫共 n = 9,790)。多样性水平 5、15 和 50 包括 20 组合成细菌群落,每组包含 20 个重复(四种线虫共 n = 4,800)。(B)不同细菌多样性水平下的线虫体型分布。白点及其连线表示平均值和标准差(SD),而小型彩色点表示每个线虫个体的体型大小。


3、单一物种培养中线虫体型的预测因子

在细菌单一物种培养中影响线虫体型分布的关键决定因素基于122种细菌的七种通用特性进行评估。这些特性包括:生理特性(活性和生物膜形成能力)、形态特性(细胞大小和形状)、营养特性(碳水化合物和蛋白质含量)。这些因素已被报道为影响捕食者生长、适应性或摄食的重要因素。另一种通用特性是从122种细菌的基因组分析中预测的所有次级代谢基因簇(BGC)类型的平均基因数量,用于指示次级代谢产物的潜在影响。细菌的连续性状(如BGC基因数量、细胞大小、蛋白质含量、碳水化合物含量、生物膜形成能力和活性)通常表现出右偏分布,这表明大多数细菌物种在这些特性上集中于较低的水平。此外,约70%的细菌物种为杆状且革兰氏阴性。

利用广义线性混合效应模型(GLMM)评估这些通用特性对线虫体型的影响。模型显示出较强的解释力(图3A),表明使用这些特性对线虫体型分布的拟合效果较好。在模型中,BGC基因数量和碳水化合物含量是显著的预测因子,两者均对线虫体型分布产生负面影响(图3A)。当BGC基因数量被BGC类型丰富度替代时,它同样作为线虫体型分布的关键预测因子。在加入单个BGC类型的存在或缺失作为变量的GLMM中(表1),发现特定的BGC类型(如T3PKS、CDPS、LAP和丁内酯)对线虫体型分布具有显著影响(表1)。这些类型大多数对线虫体型产生负面影响。许多细菌物种与这些BGC类型相关,其中包括Pseudomonas protegens和Burkholderia cenocepacia,它们导致了最小的线虫体型。

图3  细菌特性影响线虫体型随细菌多样性水平而变化

GLMM模型预测了细菌特性对线虫体型的影响,包括单菌培养条件(多样性水平 1,A)和混菌培养条件(多样性水平 5、15 和 50,B)。在多样性水平 1 中,代谢产物以 BGC 基因数量表示,数据基于 antiSMASH 平台从 122 种细菌基因组预测的所有 BGC 类型的平均值。其他生理特性(活性和生物膜)、形态特性(细胞大小和形状)以及营养特性(碳水化合物和蛋白质)均通过实验测量获得。在模型中,细菌特性作为固定效应,线虫物种作为协变量,细菌物种作为随机效应(A)。在多样性水平 5、15 和 50 中,细菌特性以每个合成群落的平均值表示。细菌特性及其与多样性水平(作为连续变量)的交互作用被设定为固定效应,线虫物种作为协变量,20 个合成细菌群落组被包含为随机效应(B)。由于细菌活性与其他变量高度相关,导致多重共线性问题,因此在模型中被排除。当显著性水平 P < 0.05 时,优势比(prevalence ratio)大于 1 表明细菌特性对线虫体型具有正向作用,而小于 1 则表明具有负向作用。
表1 各个 BGC 类型对线虫体型的特异性影响(单菌培养条件下)
广义线性混合模型(GLMM)评估次级代谢物质对线虫体型的影响。该模型包括所有BGC类型的有无。BGC类型被视为固定效应,线虫物种作为协变量,细菌物种作为随机效应。边际R²解释了仅由固定效应引起的方差,而条件R²解释了由固定效应和随机效应共同解释的方差。大于1的流行比率表明正向效应,而小于1的值则表示负向效应。加粗的部分表示P值小于0.05的显著性水平。


4、混合培养中线虫体型的预测因子
将细菌的七种可推广特性(活性、生物膜形成、细胞大小、形状、碳水化合物含量、蛋白质含量以及BGC基因数量)纳入一个GLMM模型,分析了在细菌多样性水平为51550的条件下,对线虫体型的预测效果(图3B)。总体而言,细菌细胞大小是线虫体型的显著预测因子,在所有多样性水平下都对线虫体型分布产生负面影响(图3B)。然而,细菌细胞大小与多样性之间的交互作用使对线虫体型的影响从负转为正(图3B)。这表明随着多样性增加,细菌较大细胞的负面影响逐渐减弱并最终逆转。此外,细菌的碳水化合物含量和生物膜形成与多样性之间的交互作用显著为负(图3B),说明这些特性随着多样性增加,对线虫体型的负面影响也随之增强。这些结果突出了如细胞大小等可推广特性在预测多营养级相互作用中的重要性

5、多样化的猎物群落削弱了有毒次级代谢产物生产者对捕食者的影

为了解释高生物多样性水平下次级代谢产物作用减弱的原因,我们以模式线虫秀丽隐杆线虫(C. elegans)和绿色荧光蛋白(GFP)标记的细菌菌株Pseudomonas protegens (PSE 10)为模型系统,进行了微观实验(图4A)。PSE 10被选为焦点物种,与其他细菌混合生成细菌多样性水平为5、15和50的群落。选择PSE 10的原因是其对线虫生长表现出极为显著的负面作用,且与其相关的两种BGC类型(即T3PKS和CDPS)在涉及122种细菌的全数据集中显著减少了线虫体型。我们测量了通过T3PKS途径合成的2,4-二乙酰间苯三酚(DAPG)的浓度,这是一种在单菌株水平上已知具有强抗菌和杀线虫活性的物质。DAPG是一个典型的、特性独特的分子。除了PSE10以外,次级代谢产物的基因组预测还表明另有两种细菌(即Pseudomonas thivervalensis (PSE12) 和Pseudomonas brassicacearum (PSE2))也可以生产这种物质。

C.elegans以PSE10单菌株为食时,其体型比以常见食物大肠杆菌OP50为食时小155倍。当细菌多样性水平提高到5、15和50时,C. elegans以含PSE10的细菌群落为食,其体型分别比以PSE10单菌株为食时增加了80至122倍(图4B)。随着多样性水平的提高,培养基中PSE10种群显著减少(图4C),线虫肠道中的PSE10数量亦减少,肠道/培养基比值降低(图4D)。细菌多样性增加还与培养基中DAPG浓度降低相关(图4E)。在存在常见食物大肠杆菌OP50的情况下,DAPG浓度为50和100 μg mL−1时对C. elegans体型的显著影响证实了其毒性(图4F)。综上所述,这些结果表明,在物种丰富的群落中观察到的线虫体型增大,可以归因于整个群落次级代谢产物的减少。


4  随着细菌物种多样性的增加,次级代谢物对线虫体型的影响减弱
(A)实验设计,评估当暴露于仅含有GFP标记的PSE10细菌和在细菌多样性为5、15和50时,细菌次级代谢物对线虫(C. elegans)体型的影响。选择了P. protegens(PSE10)作为示例,因为这种有毒细菌对线虫生长具有显著的负面影响。(B)在不同细菌多样性下,C. elegans的体型。(C)检测培养基中PSE10的荧光。(D)计算线虫肠道内荧光PSE10与培养基中荧光的折叠变化,使用以下公式计算:(肠道-培养基)/培养基,其中“肠道”和“培养基”分别表示肠道和培养基中的荧光密度。(E)定量分析PSE10在单独培养或混合培养中产生的DAPG物质。DAPG浓度通过211 m/z [M + H]+离子特异性色谱法进行定量分析。(F)有毒次级代谢物DAPG对C. elegans体型的影响。白点和线段显示均值和标准差。不同字母表示各处理之间存在显著差异(P < 0.001)。



讨论



捕食者与猎物之间的相互作用是生物多样性和生态系统功能的重要决定因素。然而,迄今为止,在微生物层面上重建营养网络仍然是一个挑战。本研究表明,通过建立具有不同群落组成的细菌多样性梯度,可以通过在多物种背景下评估性状来克服这一挑战。特别是,诸如大小、活动性或生物合成基因簇(BGCs)等可以从数据库或基因组序列中轻松推断出的通用性状,是细菌与线虫之间捕食者与猎物相互作用的主要决定因素。具体来说,特有性状,如特定BGC类型(负责产生有毒的次级代谢物),在单一物种相互作用中是强有力的预测因子,但当捕食行为在多物种群落中时,像猎物体型这样的通用标记成为主要的预测因子。

特有代谢物是单一物种培养中捕食者与猎物相互作用的主要预测因子。细菌基因组测序使得评估其潜在次级代谢物成为可能。本研究表明,较高的基因数和BGC丰富度导致了较小的线虫体型,其中像T3PKS、微病毒素和CDPS等特定的BGC类型在单一物种相互作用中强烈预测了线虫体型分布(表1)。该效果可能归因于大约30%的细菌物种抑制生长,从而导致较小的线虫成年体型,主要出现在放线菌门和拟杆菌门中(图1A)。放线菌门被公认为抗生素的主要来源,在我们的研究中,75%的该门物种参与T3PKS通路,这一通路已知能产生DAPG,导致线虫损伤。拟杆菌门中所有的金黄色假单胞菌属(Chryseobacterium)物种都涉及微病毒素通路,该通路以其生产抗微生物肽而闻名。此外,某些变形菌门物种,如P. protegens和B. cenocepacia,参与CDPS通路,已被报道能够生产抗生素,这些抗生素作为毒素作用于线虫及其他生物。

猎物多样性与特定代谢物的稀释相关。追踪P. protegensPSE10)在不同群落中的实验为理解次级代谢物在群落中影响减弱的机制提供了见解。我们观察到将能够分泌毒素DAPG的有益细菌与有害细菌混合,会导致群落中有害细菌的数量减少,以及毒性化合物的产生减少(图4 CE)。这一减少的主要机制归因于稀释效应。随着细菌多样性的增加,DAPG的浓度可预测地下降,DAPG的生产呈现倍数递减。此外,这一减少可以归因于竞争性排斥作用,有益细菌在资源竞争中优于有害细菌,或功能多样化群落之间的营养相互作用,这可以稳定群落内的主导竞争性相互作用,从而创造出一个不利于有害细菌生长和持续的环境。此外,线虫肠道内细菌之间的竞争性相互作用可能会阻碍PSE10的建立,导致随着细菌多样性的增加,肠道中有毒细菌的数量减少。因此,我们推测次级代谢物对捕食者体型的作用减弱可以归因于两种机制:1)在多物种群落中,产生有毒次级代谢物的细菌生长受限;2)由于携带这一性状的物种丰度减少,这些群落中有毒代谢物的产生减少。
对理解微生物组的启示。本研究的发现将细菌与已经确立的捕食者与猎物相互作用和食物链理论框架联系起来。营养网络稳健地预测了生态系统的稳定性和对环境变化的响应,适用于不同的生态系统和物种。然而,微生物世界长期以来被视为一个独立的实体。这一现象归因于传统上对分子相互作用的关注,研究特定基因在简化背景下的相关性。虽然这种单因果方法在识别可能潜在的分子机制方面具有很大优势,但它存在一个主要缺陷,即特有性:有助于特定菌株的分子机制可能如此罕见,以至于它们对群落功能无关紧要,甚至可能没有表达。我们的研究鼓励未来的研究更加关注微生物群落层级的生态学和功能。此外,微生物学家通常试图在环境或农业背景中应用有益微生物,用于降解、抑制病原体、促进生长等特定功能。然而,它们的效率仍然不可预测且难以管理,因为我们仅部分理解影响其繁殖的因素。本研究结果表明,环境中微生物群落的多样性和组成是理解其定殖效率的缺失环节。认识到这一因素的重要性促使我们重新评估微生物接种剂在更广泛生态学背景下的理解,激发我们探索更有效的方法,以克服在生物修复、生物防治和生物技术应用中的这些限制。
对预测多物种捕食者与猎物相互作用的启示。本研究在微生物食物链中表明,捕食者与猎物之间相互作用的预测因子随着群落多样性的变化而变化。与当前微生物捕食者与猎物相互作用的研究范式不同,后者将毒性物质视为主要的调节因子,我们的研究突出了在多样化群落中这些毒性物质的重要性减弱。尽管捕食者是微小的,但它们相对于猎物的体型仍显著影响捕食动态。这与宏观捕食者与猎物关系中的观察结果类似,表明类似的原理可以应用于微生物食物链。有趣的是,尽管宏观捕食者与猎物关系通常表现出捕食者与猎物体型之间的正相关性——较大的捕食者食用较大的猎物——但在微观系统中,这一关系更加复杂。当细菌细胞体积在低多样性下起作用时,较大的细菌会负面影响线虫的生长,这与之前的研究一致,表明较大的细菌是模型线虫秀丽隐杆线虫的较差食物来源。然而,当细菌多样性增加时,较大细菌体型的负面效应会逆转,表明更高的多样性减缓了较大细菌对线虫体型的负面影响。说明多样化的细菌群落改变了线虫与细菌的相互作用,使较大的细菌能更有效地支持线虫生长。

此外,猎物组成在多物种捕食者与猎物相互作用中对捕食者体型起着关键作用,这与之前的研究一致,表明猎物多样性可以通过群落组成的变化影响捕食者的特征。具体来说,随着对线虫生长有害的细菌在群落中比例的增加,这些细菌物种往往具有更高的碳水化合物含量。这一结果确认了在多样化群落中毒性次级代谢物的重要性减弱,并表明多样化群落中的有害细菌主要与其他细菌特征相关。一般来说,富含碳水化合物的细菌会产生更多的胞外多糖,而由于竞争增加,这些细菌的产生可以在高多样性群落中得到放大,进而通过迫使宿主线虫将更多能量用于免疫防御而非生长,导致对宿主线虫的负面影响更加明显。这些发现为基于猎物特征和群落组成预测多物种微生物捕食者与猎物相互作用提供了宝贵的框架。

论文信息

原名:Metabolites limiting predator growth wane with prey biodiversity

译名:生物多样性塑造土壤动物体型大小的生态学机制

期刊:PNAS

DOI:10.1073/pnas.2410210121

发表时间:2024.12.17

通讯作者:刘婷

通讯作者单位:南京农业大学资源与环境科学学院



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编辑|卢彦如

排版|贾晓亮

审核|刘婷


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