【LorMe周刊】天蓝色链霉菌菌群中潜在利他性成员的突变消融

作者：张金龙，南京农业大学硕士在读，主要研究链霉菌代谢物对植物根系微环境的影响。

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！本期周刊为您介绍天蓝色链霉菌菌群中潜在利他性成员突变后的表型和基因组改变，原文于2022年发表在《Nature Communications》上。

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导读

在天蓝色链霉菌菌群中存在着一种细胞亚群，这种亚群能大量生产高代谢成本的抗生素，形成了群落间的劳动分工，从而提高整个菌群的适应性。但是由于这些细胞存在着大量的基因缺失，导致了个体水平上适应力的下降。它们的行为类似于群居昆虫中的利他主义者或者多细胞生物中的体细胞。为了了解这些细胞突变后繁殖情况和基因组的变化，作者利用实验进化的手段将链霉菌孢子转接25次，去反映链霉菌孢子瓶颈传播的自然模式。作者跟踪记录了突变系和野生系在短期实验进化过程中的变化，具体针对以下几个方面开展了研究：1）突变系在种群转移过程中的表型变化；2）进化谱系的适应性和抗生素生产变化；3）突变系中染色体的缺失；4）突变系中碱基取代率的变化。

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主要结果

1.突变系在种群转移过程中的表型变化

本研究将天蓝色链霉菌Streptomyces coelicolor A3(2)M145作为模式菌株，在SFM培养基上进行培养，随机选择一个菌落作为wild type (WT)，即WT祖先。转移到新的SFM上，再从转移后的菌落中挑选WT株和突变株稀释涂布，最后从WT和突变株中各随机选取六个单菌落作为后续的连续转移的对象，在每次转移过程中，每个培养皿中离初始菌落最近的单个菌落被挑选转移到另一个培养皿上，这个过程每3-4天重复一次，共25个转移周期（图1b）。突变系的起始竞争适应力与WT祖先相比显著降低(图1a)。即使突变系的初始接种频率高达约80%，它们在成对竞争中的最终接种频率也下降到不到1%。此外，突变系在克隆发育后产生的菌落形成单位(CFU)明显少于其WT对照组。这些菌株大约每五次转移被采样一次，只有一个WT系(W3)在第7次转移后因为染色体缺失，作者采样频次增加。6个突变系中的一个(M2)在第5次转移后出现菌落顶部凹陷，由于其产孢能力完全丧失，没有被纳入后续适应力和抗生素的分析中。

为了识别进化谱系中表型的变化，作者筛选了两个容易辨别的表型（对氯霉素的敏感性和对精氨酸的敏感性），它们可以表明右染色体臂的缺失。此外，作者还分析了对其他三种抗生素的耐药性变化。如图2a所示，WT系对氯霉素保持耐药性，但只有W3没有保持（图2），因此，W3被认为是一个突变系。突变系的最小抑菌浓度(MIC)低于WT系，并且在实验过程中有所下降，在突变系中还观察到对精氨酸不足的敏感性增强的趋势(图2b)，这表明在实验过程中这些链霉菌发生了持续的染色体缺失。链霉菌对其他抗生素的敏感性测试也显示出与氯霉素相似的趋势，除了M2对环丙沙星的MIC增加了4倍。

图1 试验设计概述

图2 基于右染色体臂上两个基因的表型变化

2.进化谱系的适应力和抗生素生产变化

图3表明转接过程中突变系的CFU相较于WT系持续下降。M2在第5次转移后灭绝，所以只对前两个时间点进行了评估，W3在第7次转移后的菌落被视为突变系。随着转接次数的增加，六个突变系与W3的CFU数量均显著降低。相比之下，WT系中有4个CFU显著增加。因此，WT系和突变系的CFU变化差异显著。

为了进一步探究进化谱系的适应性变化，作者利用成对竞争性试验考察了所有WT系和突变系的相对适应性。结果与CFU的趋势一致，这两种适应性测量的结果具有显著相关性。除W1和W3外，WT系的适应性保持不变，而大多数突变系的适应性显著降低。M5的适应性变化十分反常——相较初始值提高了，这表明衡量产孢率的CFU可能也受到链霉菌多细胞生长的其他方面的影响。 

最后，作者还使用叠加分析法估计了整个谱系的抗生素产量(图3c)。如预期的那样，突变系在转移的开始和结束时产生的抗生素明显大于WT系。而WT系的产量基本保持不变，所有突变系的平均抗生素产量都保持极高水平，有三个突变系出现了小但显著的变化。值得注意的是，W3的抗生素产量显著增加，与其适应力下降相一致，这一变化证实了这两者之间具有强相关性。

图3 进化谱系中的菌株适应性和抗生素产量

3.突变系中存在持续性的染色体片段缺失，但WT谱系没有

为了识别导致突变系CFU快速下降的遗传变化，作者使用全基因组测序来测量其基因组大小的变化。如作者所料，在WT系中均没有观察到明显变化(来自第7转移的W3除外)，但突变系在转移过程中在左、右染色体臂上持续累积了大量染色体缺失（图4a）。此外，还发现发现M5对比其它突变系没有进一步的染色体缺失，而M5的特定是在转接开始前其基因组长度最短，这表明进一步的染色体丢失可能是由于靠近染色体末端边界的基因导致的，同时M5也是作者在实验中观察到的唯一一个相对适应性增加的突变系(图3b)。图4b绘制了CFU与左臂、右臂和整个染色体缺失大小之间的关系。这些结果证实并扩展了作者先前的观察，即CFU大小与染色体的缺失呈负相关关系。

图4 基因组缺失及其对谱系适应性的影响

4.突变系的碱基取代率增加

为了解决其他来源突变的影响，除去染色体的变化外，作者还估计了突变系和WT系的碱基取代率和插入/缺失突变率（即点突变），结果发现突变系比WT系固定了更多的点突变。考虑到不同谱系种群转移差异造成的影响(由于W3在第7次转移后成为突变体的影响)，作者还计算了每次转移的突变率。结果表明，突变系的碱基替换率为12.78 / 10⁸，而在WT系为1.5 /10⁸，两者大约有10倍的差异(图5a)。对比WT系，可以观察到突变系获得同义突变和非同义突变以及非编码区变化的速率显著更高(图5b)。此外，作者发现了有四个突变系固定了更多的点突变(图5c)，虽然这些突变影响了DNA复制或修复的过程，目前仍不能确认这与突变率的增加有因果关系。总之，突变系除了会产生大量的染色体缺失外，还会产生更多的点突变，这两个因素都可能导致它们的适应性急剧下降。

图5 不同突变系和WT系的突变率

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结论

与野生型细菌相比，利他性的突变体在转移过程中不断降低适应能力，同时从染色体末端丢失更多片段。此外，突变体的碱基替代率增加了大约10倍，这可能是由于来自DNA复制和修复过程中的的突变引起的。由于产孢减少，加上基因突变和染色体缺失造成的DNA损伤，导致了这些细菌不可避免和不可逆的突变消融。综上所述，这些结果表明，在天蓝色链霉菌群落中劳动分工中的利他型细菌类似于群居昆虫的利他性的生殖不育种。

论文信息

原名：Mutational meltdown of putative microbial altruists in Streptomyces coelicolor colonies

译名：天蓝色链霉菌菌群中潜在利他型成员的突变消融

期刊：Nature Communications

DOI：10.1038/s41467-022-29924-y

发表时间：2022.4.27

通讯作者：Zheren Zhang

通讯作者单位：牛津大学