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作者：薛嬌，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士在讀，主要研究鐵載體與植物互作。 周刊主要展示優(yōu)秀周報(bào)，每周定期為您奉上學(xué)術(shù)盛宴！本期周刊為您介紹通過干預(yù)細(xì)菌營養(yǎng)生態(tài)位和資源競(jìng)爭(zhēng)調(diào)控土壤菌群。原文于2024年3月發(fā)表在《Nature Communications》上。
對(duì)菌群針對(duì)性的干預(yù)被認(rèn)為是恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)的一種具有前景的策略。作者發(fā)現(xiàn)加入菌劑可能會(huì)促進(jìn)土著菌群的生長，導(dǎo)致菌劑定殖困難。作者在是否存在土著菌群的情況下探究了不同養(yǎng)分有效性對(duì)菌劑生長的限制，以及如何通過添加菌劑選擇性培養(yǎng)基改善養(yǎng)分促進(jìn)菌劑定殖。作者用甲苯作為假單胞菌菌劑的選擇性營養(yǎng)生態(tài)位，甲苯存在可以促進(jìn)菌劑定殖，并發(fā)現(xiàn)土著菌群可以利用菌劑的代謝物，促進(jìn)自身增殖從而減少菌劑生態(tài)位，使菌劑定殖受限。生成選擇性營養(yǎng)生態(tài)位可在早期促進(jìn)菌劑定殖并減少菌劑與土著菌群的競(jìng)爭(zhēng)損失。1. 在生長/穩(wěn)定生境中產(chǎn)生類群多樣的土壤微生物群落 為了研究營養(yǎng)生態(tài)位可用性對(duì)菌劑增殖潛力的影響，作者構(gòu)建了兩種微觀生境：增長的菌群生境 (GROWING) 和穩(wěn)定的菌群生境（STABLE）。GROWING 提供充足的生態(tài)位；而 STABLE 中的生態(tài)位受到限制；無菌土壤作為對(duì)照。作者從室溫下培養(yǎng)1.5年以上的土壤群落 (NatComs)中培養(yǎng)、獲得菌群，一個(gè)月后得到制備的土著菌群（圖1a）。培養(yǎng)期間，土壤微生物快速生長，隨后穩(wěn)定在每克土8×108個(gè)細(xì)胞（圖 1b）。培養(yǎng)初期，厚壁菌門和變形菌門數(shù)量快速增長，隨后浮霉菌門緩慢生長，同時(shí)也檢測(cè)到少量疣微菌、擬桿菌和放線菌（圖1c）。土壤群落演替使群落Chao1值和Shannon指數(shù)暫時(shí)下降，隨后緩慢增加并趨于穩(wěn)定（圖 1b）。實(shí)驗(yàn)最后，將土壤微環(huán)境分為兩組，分別得到 GROWING 和 STABLE生境。GROWING 菌群細(xì)胞前期快速增長，但始終低于 STABLE 生境（圖 1e）。這表明，雖然GROWING和STABLE群落動(dòng)態(tài)演替和均勻性有所不同，但其群落豐富度和組成特性相似，適合用來測(cè)試生態(tài)位中養(yǎng)分可用性對(duì)菌劑增殖的影響。 圖1：生成土壤微生物群落以測(cè)試菌劑生態(tài)位可用性2. 菌劑定殖取決于土壤生態(tài)位可用性和菌劑特性 作者測(cè)試了四種菌劑（Pseudomonas. putida、Pseudomonas. protegens、Pseudomonas. veronii 和 Escherichia. coli）在三種不同生態(tài)位（無菌土壤ALONE，生態(tài)位充足的土壤——GROWING，和生態(tài)位不足的土壤——STABLE）中的增殖潛力（圖2a）。培養(yǎng)3天后，三種假單胞菌菌劑在ALONE生境中細(xì)胞數(shù)量增加了100倍以上，這表明它們能快速利用土壤資源并成功定殖（圖2a）。大腸桿菌菌劑細(xì)胞數(shù)量僅增加了10-12倍，說明未找到合適生態(tài)位導(dǎo)致定殖受到限制。在GROWING和STABLE中，菌劑數(shù)量明顯低于ALONE（圖2a），且在GROWING中三種假單胞菌菌劑的生長和存活率優(yōu)于STABLE生境（圖 2b~d），大腸桿菌菌劑在這兩種土壤微觀生境中的增殖變化不顯著。
圖2：接種菌劑的定殖取決于土著微生物群落的發(fā)展?fàn)顟B(tài) 3. 特定的營養(yǎng)生態(tài)位有利于菌劑在土著群落中定殖 為了探究營養(yǎng)生態(tài)位競(jìng)爭(zhēng)對(duì)菌劑P. veronii生長的影響，作者在GROWING和STABLE生境中添加甲苯提供營養(yǎng)。結(jié)果顯示，甲苯對(duì)STABLE土壤群落無顯著影響，但使GROWING中的群落規(guī)模增加1.5倍（圖3a）。加入甲苯并接種P. veronii使GROWING群落規(guī)模增加1.8倍，而STABLE群落無顯著變化。P. veronii菌劑在加入甲苯初期增長了100-200倍，隨后數(shù)量下降但仍高于無甲苯條件（圖3b）。實(shí)驗(yàn)表明，加入選擇性營養(yǎng)可以顯著提高菌劑的增殖，這表明對(duì)生態(tài)位和共有資源的競(jìng)爭(zhēng)限制了菌劑的增殖。在加入甲苯后，GROWING和STABLE的微生物群落豐度發(fā)生巨大變化，而無甲苯條件群落豐度無顯著變化（圖3c，d）。甲苯使群落離群距離增加10倍（圖3e），并且在GROWING的群落前一周離群距離增加最顯著，表明甲苯直接影響群落成員生長（圖 3f）。這些結(jié)果表明，甲苯作為選擇性養(yǎng)分，解除了P. veronii菌劑的營養(yǎng)生態(tài)位限制。
圖3：甲苯選擇性營養(yǎng)生態(tài)位對(duì)土著菌群中和P. veronii生長和生存的影響4. 接種菌劑在隨機(jī)配對(duì)試驗(yàn)中定殖下降，但促進(jìn)了土著菌群的生長由于營養(yǎng)生態(tài)位對(duì)菌劑增殖的關(guān)鍵作用，作者探究了菌劑與土著菌群之間的競(jìng)爭(zhēng)相互作用。作者將接種的單個(gè)菌劑細(xì)胞與單獨(dú)的土著細(xì)胞封裝在瓊脂糖珠中，并于不同基質(zhì)中（如土壤提取物、16種碳源和甲苯）培養(yǎng)。作者假設(shè)珠內(nèi)的兩種初始細(xì)胞大小接近，生長相互作用通過菌劑細(xì)胞與土著細(xì)胞的共培養(yǎng)時(shí)平均群落大小與單獨(dú)生長的細(xì)胞產(chǎn)生的偏差進(jìn)行展示。結(jié)果表明使用土壤提取物作為唯一營養(yǎng)源時(shí)，與土著細(xì)胞配對(duì)培養(yǎng)相比，單獨(dú)培養(yǎng)P. veronii菌劑的微菌落平均大小隨時(shí)間推移增加更多（圖 4a）。相反，土著細(xì)胞在P. veronii存在的條件下菌落大小比單獨(dú)培養(yǎng)時(shí)增加更多。其他三種菌劑存在時(shí)也表現(xiàn)出類似效果（圖4b）。這表明菌劑可以將初級(jí)底物轉(zhuǎn)化為代謝物或以其他方式增加局部養(yǎng)分促進(jìn)土著細(xì)胞的生長，但其自身的生長會(huì)受到限制（圖4c）。 圖4：接種菌劑與土著細(xì)胞的配對(duì)生產(chǎn)率5. 菌劑甲苯代謝觸發(fā)了土著菌群的多種交叉喂養(yǎng)途徑考慮到瓊脂珠內(nèi)發(fā)生的相互作用，作者試圖研究由于P. veronii接種引起的土著細(xì)菌交叉喂養(yǎng)網(wǎng)絡(luò)。作者重點(diǎn)關(guān)注了接種P. veronii菌劑和添加甲苯條件下，菌劑定殖對(duì)土著細(xì)菌的潛在影響。正如封裝實(shí)驗(yàn)（圖4c和5b、c）和微觀研究（圖3a、d）所驗(yàn)證的，甲苯在微生境內(nèi)提供特定營養(yǎng)促進(jìn)P. veronii菌劑生長，但菌劑代謝可以間接促進(jìn)其他細(xì)菌類群的生長。實(shí)驗(yàn)通過將P. veronii接種到兩種土壤類型（Silt、Clay和先前研究中的氣化污染土Jonction）中，并分析了早期和后期土壤微生物的總RNA測(cè)序，以量化土壤細(xì)菌的基因表達(dá)水平。結(jié)果顯示，在添加甲苯的Silt和Jonction中，P. veronii菌劑生長顯著，而在Clay中生長不顯著（圖5a），與此同時(shí)，菌劑活躍生長的土壤中，土著菌群的活性和生長都有所增加（圖5b）。值得注意的是，添加甲苯但未接種菌劑的Silt土著菌群在孵化后期的轉(zhuǎn)錄組豐度較高。甲苯存在時(shí)，與芳香族化合物代謝相關(guān)的轉(zhuǎn)錄組在接種P. veronii時(shí)顯著富集，特別是與P. veronii的甲苯代謝相關(guān)的途徑（圖5c）。相比之下，Clay中的芳香族化合物代謝轉(zhuǎn)錄組普遍較低，可能是P. veronii增殖不佳導(dǎo)致（圖5a、d）。同時(shí)作者還發(fā)現(xiàn)，土著菌群可利用的甲苯降解產(chǎn)物的轉(zhuǎn)錄組總和與土壤微生物的生長狀態(tài)呈對(duì)數(shù)線性相關(guān)（圖5b）。對(duì)少量增加的芳香族化合物的代謝轉(zhuǎn)錄組進(jìn)行溯源分析，作者發(fā)現(xiàn)，在Jonction中，土著菌群轉(zhuǎn)錄組富集，Silt和Clay中的轉(zhuǎn)錄組在甲苯存在和接種P. veronii后變得富集。這些結(jié)果表明，P. veronii的甲苯代謝引發(fā)了土著細(xì)菌之間的交叉喂養(yǎng)。
圖5：土壤微生物群利用P. veronii的甲苯降解產(chǎn)物 微生物組工程通過操縱微生物群落來調(diào)節(jié)生態(tài)系統(tǒng)，但菌劑的成功定殖是其發(fā)揮作用的前提，接種菌劑可能因其代謝產(chǎn)物促進(jìn)本地微生物生長而難以定殖。本文研究發(fā)現(xiàn)添加選擇性資源改善營養(yǎng)條件，可以減少菌劑競(jìng)爭(zhēng)損失，促進(jìn)菌劑增殖。為細(xì)菌菌劑調(diào)節(jié)土壤群落環(huán)境的功能和健康提供理論支持。 論文信息 原名：Niche availability and competitive loss by facilitation control proliferation of bacterial strains intended for soil microbiome interventions 譯名：通過干預(yù)細(xì)菌營養(yǎng)生態(tài)位和資源競(jìng)爭(zhēng)調(diào)控土壤菌群 期刊：Nature Communications DOI：10.1038/s41467-024-46933-1 發(fā)表時(shí)間：2024年3月 通訊作者：Jan Roelof van der Meer 通訊作者單位：ETH Zurich
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