PNAS：机械力学限制生态多样性并促进受限细菌群落的异质性

文摘 2024-07-22 08:04 瑞士

文献信息：Ma, T., Rothschild, J., Halabeya, F., Zilman, A., and Milstein, J.N. Mechanics limits ecological diversity and promotes heterogeneity in confined bacterial communities[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences. 2024, 121: e2322321121.

摘要：

多种群细菌群落通常栖息在封闭且密集的环境中，其中空间竞争决定了种群的生态多样性。然而，机械相互作用在塑造生态学中的作用仍然知之甚少。在这里，我们研究了一个模型系统，该系统由两个种群的不具有运动能力的大肠杆菌在开放的单层微通道内竞争构成。观察到的竞争动态是双相的：接种后，要么一个菌株迅速固定，要么两个菌株定向成空间分层、稳定的群落。我们发现，与其他细胞的机械相互作用和局部空间限制以意想不到的方式影响着群落生态的结果，严重限制了群落的整体多样性，同时允许具有不同生长速率的稳定异质细菌种群的建立。令人惊讶的是，即使一个菌株具有显著的生长优势，种群也有很高的共存概率。更多的球菌形态显示出选择性优势，但基于代理的模拟表明，这是由于微通道内的流体动力和粘附效应，而不是由于向列序的破坏。我们的观察结果通过简单的波利亚坛子模型（Pólya urn model）得到了定性再现，这表明我们的发现对于受限种群动力学的普遍性，并强调了早期定殖条件对细菌群落最终多样性和生态学的重要性。这些结果为密集受限生态系统中群落多样性的决定因素提供了基本见解，在这些生态系统中，空间排除是竞争的核心，如组织良好的生物膜或肠道隐窝。

细菌常聚集于生物膜内，形成复杂群落，争夺有限资源，并展现出分层空间组织，类似真核细胞。这种组织源自竞争与合作，赋予群落新功能特性。在人体消化道和口腔中，细菌构成微生物组，展现出空间异质性。这些群落对环境压力及药物具有更强抗性，但也关联药物抗性和多种疾病。

细菌间密切互动，既合作也竞争，通过分泌物质、基因交换等方式影响群体行为。生物物理机制，如细胞形态和机械相互作用，在群落组织中也起关键作用。例如，杆状细菌倾向对齐形成特定结构，影响群落格局。

微流控装置可以用来创造模型微环境，长时间观测细菌行为。这些系统为研究细菌竞争、噬菌体易感性及生物膜捕食保护提供平台。最近，Koldaeva等研究微通道中E. coli菌株竞争，发现杆菌排列成通道，通道内多样性因集体生长快速丧失，与通道大小呈对数关系。然而，通道之间的传播或侵入要慢得多，在单个通道内保持固定的单一培养物。然而，虽然Koldaeva等人关注的是在微通道内单个已建立通道内观察到的快速多样性丧失，但我们关心的是了解什么因素影响微通道所能支持的总体生态多样性，以及这种生态是如何从种植种群开始建立的。

为了研究控制受限微环境中生态多样性建立和维持的因素，我们使用了由两种不同的非运动性E. coli菌落组成的模型细菌群落，在开放式微通道中争夺主导地位。我们发现，在形成有序和相对稳定的通道之前，显著比例的固定事件发生。然而，初始条件和早期动态强烈影响最终的多样性。在一个填满的微通道内，有序状态下的物种可以长时间共存。然后，我们通过使用S-(3,4-二氯苄基)异硫脲（A22）处理，调整一个或两个种群的纵横比，研究细胞形态对竞争的影响。A22是一种针对控制E. coli细胞宽度的MreB蛋白的化合物。通过引入A22抗性突变体，我们能够选择性地诱导野生型种群的形态变化，而使突变体细胞不受影响。通过对这些双重竞争种群的实验观察，结合基于代理的模拟和理论建模，我们发现密集细菌群落内的机械相互作用以意想不到的方式影响微环境生态，大大限制了微生物群落的多样性，同时保持空间异质性，使得适应性较差的细菌能够与适应性较强的细菌稳定共存。

文中图表：

http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=Mzk0ODU0MTMwOA==&mid=2247488752&idx=1&sn=d1a7dd0cd80138c9536912d3f589e14f

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