生物多样性改变细菌进化策略

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我在…的结束段《物种起源》查尔斯·达尔文(Charles Darwin)曾敦促读者“思考一片杂乱的河岸，上面覆盖着各种各样的植物，灌木丛中鸟儿歌唱，各种昆虫飞来飞去，还有蠕虫在潮湿的泥土中爬行。”他继续说，这些植物、鸟类、昆虫和蠕虫，都是由于嵌入其中的复杂生态因素网络而进化的。如果温度更高，水更酸，或者没有某种特定种类的草，一个非常不同的“纠结的河岸”可能会进化而来。

研究人员通常试图逐一梳理出环境因素对进化的影响。但是，一个环境的全部生物多样性——也就是错综复杂的河岸本身——也可能对一个物种的进化产生至关重要的影响。

最近,一位纸发表在自然研究发现，当一个细菌物种生活在一个非常简单的生态群落中——这个生态群落中只有少数其他种类的微生物——它会进化出非常不同的防御策略来对抗掠食性噬菌体病毒，而不是与噬菌体单独在一起。这项研究“将这些想法扩展到微生物群的背景中，在微生物群中，细菌与大量其他物种共存。迈克尔Brockhurst他是英国谢菲尔德大学(University of Sheffield)的进化生物学家，并没有参与这项研究。

这一发现不仅提升了生物多样性本身作为一种进化因素的价值，而且表明，从实验室对物种的隔离研究中得出的关于微生物行为和能力的一些早期结论可能严重不完整。这也听起来是对一些正在考虑的击败细菌耐药性的策略的警告。

采取一切必要手段进行抵抗

科学家们经常求助于细菌和噬菌体病毒来了解共同进化。两者都被锁定在一场永恒的、快速的进化冲突中，这种冲突可以在实验室中控制和衡量。

千万年以前，细菌(或它们的古菌表亲)进化出了一种巧妙的系统来对抗病毒:被称为CRISPR的基因组特征，它作为生物技术的工具在过去十年中变得著名。CRISPR就像一个适应性免疫系统;它能使接触过病毒的细菌将这种感染的遗传“记忆”传递给后代，这样后代就能更好地抵御重复感染。这个系统运行得非常好，估计有一半的细菌都在使用CRISPR。

然而，令许多微生物学家困惑的是，为什么有些细菌使用CRISPR而有些细菌不使用。具有CRISPR的细菌几乎随机地散布在细菌界，即使是基因组中有CRISPR的细菌也并不总是依赖它。

研究人员已经发现了数十种细菌用来抵抗噬菌体入侵的其他系统。但在实验室研究中，细菌主要发展出表面噬菌体耐药性。突变改变了细菌细胞表面的受体分子，使噬菌体不能再识别和入侵它。

这种策略类似于关上一扇门，把钥匙扔掉:它让细菌完全不受病毒感染。但这种保护是要付出巨大代价的，因为它也会干扰受体本来可以提供的营养吸收、废物处理、通讯任务或其他细胞功能，从而不断损害细胞的健康。

相反，CRISPR只在病毒感染期间细胞处于活跃状态时才会拖拽细胞资源。尽管如此，CRISPR代表了一个风险更大的策略:它直到噬菌体已经进入细胞后才开始工作，这意味着病毒有可能克服它。CRISPR不仅攻击病毒DNA;它还可以防止细菌从其他微生物那里吸收有益基因，比如那些具有抗生素耐药性的细菌。

哪些因素影响成本和健康的权衡?在过去的六年里Edze Westra英国埃克塞特大学(University of Exeter)的进化生态学家埃克塞特(evolutionary生态学家)领导了一个团队，试图找到这个问题的答案。2015年，他们发现营养物质的可用性和噬菌体密度影响了是否假单胞菌细菌依赖基于表面或crispr的抗性。在资源贫乏的环境中，受体修饰更麻烦，所以CRISPR成了更好的选择。当资源充足时，细菌生长得更密集，噬菌体流行病也变得更频繁。然后，细菌面临着更大的选择压力，要完全关闭自己与感染的关系，因此它们关闭了受体，以获得基于表面的抗性。

这就解释了为什么表面电阻在实验室培养中如此普遍。韦斯特拉说，这些细菌在一个富含营养的试管中生长，“就像在度假一样。”“他们玩得很开心。”

不过，这些规则并不是一成不变的。自然高营养环境中的许多细菌使用CRISPR，而自然低营养环境中的许多细菌则不使用。“到处都是，”韦斯特拉说。“这告诉我们，我们可能还缺少一些东西。”

生物多样性如何重塑这场战役

然后，韦斯特拉的一个研究生，Ellinor Opsal他提出了另一个潜在因素:细菌生活的生物群落的多样性。这个因素比较难研究，但科学家们之前已经观察到它可以影响细菌中的噬菌体免疫。例如，在2005年，詹姆斯牛他是德克萨斯大学奥斯汀分校的生物学家威廉Harcombe，他当时的研究生(现就读于明尼苏达大学)发现大肠杆菌细菌没有进化出对噬菌体的免疫力当第二种细菌出现时。同样的,布瑞特Koskella去年，加州大学伯克利分校(University of California, Berkeley)的进化生物学家凯瑟琳·赫尔南德斯(Catherine Hernandez)和她的一名研究生报告了噬菌体耐药性失败的出现在假单胞菌细菌生活在它们真正的宿主(植物)上，尽管它们总是在试管中获得免疫。环境的多样性不仅会影响噬菌体是否进化出抗药性，还会影响这种抗药性的性质吗?

为了找到答案，韦斯特拉的团队进行了一组新的实验:不是改变营养条件假单胞菌与噬菌体一起生长的细菌，他们加入了另外三种细菌物种——与噬菌体竞争的物种假单胞菌而不是噬菌体的目标。

留给自己,假单胞菌通常会发生表面突变但在竞争对手的陪伴下，他们更有可能转向CRISPR。进一步的研究表明，更复杂的群落动态改变了适应度成本:细菌不再能够承受受体的失活，因为它们不仅要在噬菌体中生存，而且还要在竞争中击败周围的细菌。

韦斯特拉研究小组的这些结果与噬菌体可以的早期发现相吻合生产细菌群落的多样性更大。Koskella说，通过影响噬菌体耐药性，“现在，这种多样性实际上是在向噬菌体方面反馈”。“看到它绕了一圈又回来，真是太棒了。”她补充说，通过了解这种反馈循环，“我们可以开始提出更多关于噬菌体在社区环境中影响的一般性问题。”

首先，细菌向基于crispr的噬菌体反应的转变还有另一个更广泛的影响。当韦斯特拉的团队壮大时假单胞菌在蛾子幼虫宿主中，他们发现具有表面抗性的细菌毒性较低，杀死幼虫的速度比具有活性CRISPR系统的细菌慢得多。

这些结果对噬菌体治疗有直接的意义，噬菌体治疗是一种正在引起研究人员兴趣的治疗细菌感染的方法。科学家们喜欢保罗特纳他是耶鲁大学的一位生态学家和进化生物学家，他正在寻找一种噬菌体，这种噬菌体可以诱导目标细菌的受体突变，使其毒性降低或对抗生素更敏感。但是特纳说，如果基于crispr的耐药进化是细菌的一种选择，那么这种策略“可能并不总是在更复杂的群落中起作用”。(他承认，在噬菌体治疗实验中，这还没有成为问题)。

韦斯特拉的团队和其他团队正在研究这些影响在其他细菌系统和环境，以及其他类型的免疫。他们还在探索不同类型的微生物多样性如何影响细菌中噬菌体耐药性的进化。与此同时，赫尔康比和他的同事们正在研究，在细菌物种相互合作、相互依赖而不是相互竞争的群落中，进化是如何进行的，比如人类肠道中的微生物群落。

其他人则在研究噬菌体抗性之外的进化特征。在一个纸一组研究人员发现，更大的生物多样性阻止了某些抗生素耐药性基因的传播。

也许最重要的是，这些发现让科学家们深入了解了他们进行实验可能需要的复杂程度。“我们认为我们对细菌和噬菌体以及它们如何相互作用的很多了解都来自这些非常简单的试管实验，”韦斯特拉说。“如果我们开始引入一些现实生活中的生态复杂性，这些结果就不成立了。我们必须考虑到环境现实主义”——即使这是一个更加困难的努力。

赫尔康比说:“当我们试图在一个不断变化的世界中管理微生物群落和生态系统时，这将是非常关键的。”

Jordana Cepelewicz是广达杂志生物学特约撰稿人。