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细菌相互作用的基本准则

日期:2020-11-25 作者:发酵罐专业生产企业上海联环公司 阅读:455

群落生态学的一个中心原则是了解物种相互作用的基本规则及其对群落结构(如物种多样性)的影响。从历史上看,研究微生物相互作用及其结果是为了检验动植物所适用的群落生态学理论是否适用于微生物。随着分子生物学技术的持续发展,微生物群落生态学取得了快速进展。今天,微生物群落生态学已成为生态学和微生物学的一个不可分割的分支,并促进我们研究微生物之间的相互作用对疾病控制、粮食生产、气候变化缓解和生物多样性保护所造成影响的理解。
细菌是微生物群落生态学中研究最多的微生物之一,在微生物相互作用的实验中研究相对较多。然而,对于细菌物种如何相互作用,以及这些相互作用如何调节细菌的多样性,我们仍然缺乏共识。这是由于研究细菌相互作用的几个关键挑战,如细菌相互作用的空间和时间尺度;相互作用的强度如何量化;细菌相互作用对非生物条件(外部环境)的依赖性,以及由于细菌快速进化的特征和丰度发生变化导致的相互作用变化。最近的三项研究为克服这些挑战提供了见解。这些研究内容包括微生物相互作用范围、相互作用强度和群落环境以及决定细菌物种相互作用和细菌共存与进化的因素。作者强调,同时考虑这三个因素如何共同作用,有助于获得细菌相互作用的普适性认知(图1),并通过这些因素建立微生物群落生态学预测模型。
   相互作用范围、强度和群落环境相互作用范围是一个个体可以与同一物种或不同物种的其他个体进行互动的空间范围。通常,几个细菌的相互作用范围仅限于它们之间接触紧密的环境,如生物膜。然而,即使在生物膜内,一些细胞是近邻,而另一些细胞是相对遥远的。考虑到在经验上量化细菌之间相互作用距离的复杂性,空间结构生物膜中的细菌是否与近邻和远邻细菌存在相互作用尚不清楚。Dal Co等人发现一个细菌可以从中获取相邻细胞产生的氨基酸的相邻域大小,来测量细菌细胞的相互作用范围。细菌相互作用的范围很短,也就是说,细菌只与他们的近邻菌株发生互动。更具体地说,他们使用了两种基因型的大肠杆菌,这两种基因型的大肠杆菌在生长过程中交换了必要的氨基酸。研究表明,当一种基因型在其交互作用范围内的大多数邻居都属于另一种基因型时,该基因型的生长就会得到促进。这项研究有助于对相互作用的范围如何在细胞水平上互相促进和共存的理解。
虽然细菌相互作用范围的大小可以影响另一个细菌(图1),但这些细菌相互作用的方式(互惠或拮抗),很可能取决于细菌如何改变其直接作用的环境。养分有效性的增加促进了土壤细菌物种改变其环境(如pH值)的能力,从而放大了土壤细菌物种之间的负相互作用。有趣的是,这项研究强调了细菌物种之间的负相互作用的强度主要是由有毒代谢物介导,并不能通过更新营养物质来减弱。细菌物种间强烈的竞争性相互作用阻碍了物种共存,降低了细菌群落的稳定性。
进化过程在推动物种共存中起到了重要的作用。Scheuerl等人证明了当细菌群落多样性较低时,由于竞争相互作用较弱,细菌对于外界环境的变化(低pH值),存在更大的进化响应。研究表明,在不同的细菌群落中发现的强烈的竞争相互作用,限制了细菌物种进化的能力,从而突出了“群落环境”作为细菌进化动态的关键预测因子的重要性。
综上所述,这三项研究,包括细菌相互作用范围大小、作用强度及细菌对外部环境变化的进化响应,为我们提供了关于细菌如何相互作用的潜在一般规则,并进一步突出了细菌相互作用对进化动力学经常被忽视的影响
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