作者：张艺，南京农业大学硕士在读。主要研究青枯菌多态性与动态阻控。
周刊主要展示LorMe团队成员优秀周报，每周定期为您奉上学术盛宴！本期周刊以铜绿假单胞菌产鼠李糖脂现象为例介绍了铜绿假单胞菌在空间环境中的合作行为。原文于2022年发表在《Nature Communications》上。细菌之间合作行为使得其能够在复杂的环境中占据数量优势并影响其宏观生境，部分细菌会通过群体信号来控制合作行为。但如果合作性特征利用了原本用于生长的资源，则会提高自身生存成本。在自然环境中，细菌种群不可避免的面对群落间激烈的竞争。当合作特征给种群带来生存成本时，这种大消耗的合作行为是否会在竞争过程中被舍弃或给种群造成竞争劣势？理解哪些因素有利于合作行为的选择仍然是社会微生物学中的一个开放问题。当前对细菌行为的了解大多源自均质液体条件下的研究。但在自然条件下细菌往往生活在密集复杂的空间结构中。那么空间结构是如何影响细菌合作行为的？本文以铜绿假单胞菌的一种协同毒性行为——鼠李糖脂的产生（受群感系统下游基因调控）为例展开研究。与液体均质环境相比，在固体介质中鼠李糖脂基因的表达量与菌落比生长率密切相关，并会可扩散群体信号的扰动的影响。本文构建了一个数据驱动的统计推断模型，推算细菌相互作用的时间与距离尺度。最后，本文发现用群体信号对铜绿假单胞菌群的扰动保留了竞争中的合作基因型，而不是为作弊者创造机会。总体而言，数据表明，对空间结构的复杂反应是保持细菌合作行为的关键。
一、不同培养环境中铜绿假单胞菌鼠李糖脂的产生情况有所不同
为了还原自然环境中细菌的合作行为，作者对比了细菌在液体均匀介质与平板介质中微生物生物量与鼠李糖脂的产生情况（图1a）。研究发现均质（图1b）与空间环境（图1c）中生长的细胞生物量存在差异，在均质环境中鼠李糖脂相关启动子（PrhlAB）活性在一定范围内随着比生长速率的降低而增加，而在空间结构中发现比生长率和启动子活性之间存在强烈的正相关（R2=0.96）。外源添加群感信号对均质条件下铜绿假单胞菌的生长几乎没影响（图1b，紫色数据）, PrhlAB活性变化趋势与添加群感信号之前相似；而在平板介质中添加外源群感信号会延缓菌落的生长且野生型菌落在高生长率期间rhlAB的表达水平更高（图1c,e）。因此得出结论，rhlAB基因的表达不仅会受菌株生长环境的影响，还会受群感信号扰动的影响。图1 液体和固体介质条件培养的铜绿假单胞菌鼠李糖脂产量不同
在自然条件下，菌落不均匀的分布在空间环境中，各个菌落都会产生群体信号。不同菌落产生的群体信号是否会影响它们之间的合作行为？为解决这个疑问，研究团队利用信号沉默突变体PA14 ΔlasIΔrhlI与人工合成的C4-HSL来模拟菌落对其他菌株的群感信号的响应（调节通路如图2a）。观察菌落的PrhlAB活性，结果表明，突变株对信号的响应随菌落与信号源距离的变化而变化（图2c,d），PrhlAB最高活性与菌落到信号源的距离成反比（图2d）（R2=0.41），该实验结果证实，铜绿假单胞菌可以在厘米尺度上对扩散群体信号扰动作出反应并且其响应情况与信号浓度有一定关联。为了进一步证实铜绿假单胞菌菌落是否能够在小的宏观距离内检测到其他菌落的群体信号并相互响应，研究团队采用极端稀释的方式在培养皿中接种了60-150个野生型菌落，对这些按着空间结构多样性排布的菌落进行采样，依据样品数据构建模型，推算细菌相互间起作用的时间与距离尺度。模型分析结果显示，菌落-菌落相互作用的有效距离随时间增长而增长（R2=0.54），WT PA14能够在48小时内进行厘米尺度的菌落相互作用。在24时，距离焦点菌落超过0.5cm的生物量聚集体大多会抑制启动子活性。到44小时，焦点菌落1.5 cm内所有菌落都会抑制启动子活性，而超过1.5 cm的菌落则可能有相反的效果。图2 铜绿假单胞菌对扩散群体信号作出的反应取决于与信号的距离
此前研究发现鼠李糖脂是铜绿假单胞菌由固着状态向运动状态转换的必须物质，在自然条件下鼠李糖脂的产生会伴随着铜绿假单胞菌群游行为的出现。那么群感信号对处于运动状态的铜绿假单胞菌的生物量与鼠李糖脂的产生影响是怎样的呢？研究结果表明，与未受干扰的菌落类似，这些菌落每个边缘分枝的生物量能够沿着运动轨迹实现持续的指数增长，并在24小时结束时达到相同的总生物量，但分枝内的生物量集中位置与原始WT分枝显著不同。在群体信号扰动下，随着分枝的延长，生物量逐渐集中于群体中心和分枝边缘（图3a）。受群体信号干扰的群体比未受干扰的群体更快形成分枝（图3b），平均移动速度更快。这些分枝尖端的细胞生长速率和启动子活性更高，这二者之间呈线性关系。最后研究了群感信号存在时的群集竞争。鼠李糖脂的生产一直被认为是运动状态铜绿假单胞菌中可能存在的竞争弱点，因为它代表着巨大的资源投资。分泌出的鼠李糖脂可被邻近细胞利用。然而，WT和鼠李糖脂欺骗者（ΔrhlA）之间的竞争从未表明WT会处于劣势。使用包含群体信号的平板介质进行了竞争实验，结果发现，尽管受到群体信号扰动，WT仍然能够抵抗缺陷菌株的入侵（图3d）。图3 群感信号扰动使菌落分枝生物量再分配，帮助WT保持竞争优势
自然环境中的细菌之间普遍存在合作行为，但与液体均质条件不同，土壤环境的复杂性促使我们寻找新的方式来探索复杂空间环境中细菌的合作行为。土壤中细菌种群自成一体的群感信号扰动更是增添了细菌相互作用的可能性。细菌之间群体信号的扰动促进细菌合作行为，使种群更好的在自然环境中占据数量优势，也帮助细菌在激烈的竞争关系中保留合作行为相关基因型，抵抗欺骗者的入侵。该研究突破了液体培养的瓶颈，使用荧光成像法实现了在空间和时间尺度上跟踪细菌生物量增长和基因表达情况，还构建了数据驱动的模型，分析细胞间相互作用的时间空间尺度。该模型日后可能会推广到具有空间链接基因调控的广泛社会或合作表型，为微生物社会行为研究提供新的技术手段。
论文信息
原名：Spatial-temporal dynamics of a
microbial cooperative behavior resistant to cheating
译名：抗欺诈微生物合作行为的时空动态
期刊：Nature Communications
DOI：10.1038/s41467-022-28321-9
发表时间：2022.2
通讯作者：Caleb C. Reagor
通讯作者单位：霍华德·休斯 洛克菲勒大学医学研究所感觉神经科学实验室
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