肠道粘膜：细菌逃离噬菌体的避难所

作者：杨可铭，南京农业大学博士在读，主要研究利用噬菌体防治土传病害。 

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！本期周刊为您介绍肠道空间异质性对细菌-噬菌体捕食-共存生态动力学的影响。原文于2020年发表在 Cell Host & Microbe。

导读

越来越多的研究发现细菌-噬菌体群落的动态变化与人类、动植物的多种疾病相关。但是，不同的生物、非生物因素如何影响细菌-噬菌体种群互作、共同进化依然是一个谜团。本研究用3株专性噬菌体侵染并分别定殖了宿主细菌E. coli Mt1B1和12株合成细菌群落的小鼠肠道（OMM¹²），以探究哺乳动物肠道内噬菌体和细菌共存的影响因素。结果表明细菌-噬菌体的共存并不取决于细菌中抗噬菌体种群的发展，也不依赖于噬菌体扩大宿主范围的能力，而是取决于空间异质性。由于噬菌体在肠道中的空间分布不均匀，粘膜中噬菌体无法到达的区域成为了细菌的避难所。细菌在避难所中繁殖，并向外扩散，扩散出的敏感细菌则成为了维持噬菌体种群的“食物”。这一研究提出了source-sink模型，强调了空间异质性对细菌-噬菌体群落动态变化的影响。

主要结果

大肠杆菌Mt1B1在肠道的定殖

大肠杆菌Mt1B1在接种入小鼠体内后，在肠道内成功定殖，丰度稳定（图1 A）。对细菌DNA染色后通过荧光原位杂交技术，发现Mt1B1在肠道的所有区域：结肠、回肠的粘膜和肠腔都能够定殖（图1 B 黄色）。

图1 Mt1B1在肠道稳定定殖

噬菌体对Mt1B1的侵染和在肠道的增殖

本研究选择了3种宿主范围、基因组大小、裂解能力和病毒学分类不同的噬菌体P3, P10和P17作为噬菌体材料。研究发现3株噬菌体及其1:1:1混合的噬菌体组合在体外共培养（图2 A）和间接体内均能侵染Mt1B1，也能在细菌宿主的指数生长期（exp.）增殖。但是当细菌宿主达到和平台期（stat.）时，单个噬菌体丰度都下降了（图2 B）。这表明Mt1B1细菌的繁殖是噬菌体增殖所必须的。

接下来把3种噬菌体等比例混合后接种入定殖了Mt1B1的无菌小鼠和OMM¹²小鼠体内，发现噬菌体在有宿主菌的小鼠体内可以增殖，但是在OMM¹²小鼠体内不能增殖（图3），表明噬菌体的增殖依赖于宿主细菌而不是其他细菌。

图2 噬菌体P3, P10和P17在体外和间接体内能侵染Mt1B1

图3 噬菌体在小鼠体内不同区域的增殖

噬菌体-细菌群落动态变化

在粪便、大肠肠腔和粘膜以及结肠粘膜的样本中，噬菌体的存在显著降低了Mt1B1的丰度。但是在结肠肠腔中，Mt1B1的丰度保持稳定。噬菌体在肠腔中的丰度相对粘膜较高，在粪便中也维持了较高的丰度（图4 ABEF）。尽管如此，粪便和结肠中噬菌体/细菌的比例保持稳定，仅在大肠粘膜中较低，表明噬菌体处理并未改变噬菌体-细菌共存状态（图4 CG）。同时，添加Mt1B1噬菌体并不会改变整体细菌群落的结构，进一步表明噬菌体仅作用于宿主细菌（图4 D）。

图4 噬菌体、Mt1B1及OMM¹²小鼠微生物区系的动态变化

肠道粘膜为细菌提供了避难所

尽管上文发现噬菌体会降低细菌宿主的丰度，但可能受流动采样的影响。作者进一步利用免疫荧光技术对未水洗的肠道中的宿主大肠杆菌（红色）进行了原位的定量检测。结果发现无论有没有噬菌体，不同肠道部位中附着的宿主细菌丰度没有显著差异，这表明肠道为细菌提供了一个“避难所”，免受噬菌体的侵染；但在肠腔中流动扩散的细菌会被噬菌体侵染，从而促进噬菌体的增殖。

图5 噬菌体-细菌source-sink共存模型

总结

肠道、根际等宿主相关微环境的复杂性往往是塑造群落相互作用的重要因素。但是利用实验室孔板/摇瓶培养系统进行微生物实验时，均质的培养体系往往难以体现环境异质性的作用。本研究利用荧光原位杂交和免疫荧光技术探究了微生物群落变化和空间位置的关系，值得我们学习。

论文信息

原名：The Spatial Heterogeneityof the Gut Limits Predation and Fosters Coexistence of Bacteria andBacteriophages

译名：肠道的空间异质性限制噬菌体的捕食作用，促进噬菌体-细菌共存

期刊：Cell Host & Microbe（2020）

IF₂₀₂₀：15.923

发表时间：2020.07.01

通讯作者：Laurent Debarbieux

通讯作者单位：法国巴斯德研究所