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        細菌相互作用的基本準則

        日期:2020-11-25 作者:發酵罐專業生產企業上海聯環公司 閱讀:75

        群落生態學的一個中心原則是了解物種相互作用的基本規則及其對群落結構(如物種多樣性)的影響。從歷史上看,研究微生物相互作用及其結果是為了檢驗動植物所適用的群落生態學理論是否適用于微生物。隨著分子生物學技術的持續發展,微生物群落生態學取得了快速進展。今天,微生物群落生態學已成為生態學和微生物學的一個不可分割的分支,并促進我們研究微生物之間的相互作用對疾病控制、糧食生產、氣候變化緩解和生物多樣性保護所造成影響的理解。
        細菌是微生物群落生態學中研究最多的微生物之一,在微生物相互作用的實驗中研究相對較多。然而,對于細菌物種如何相互作用,以及這些相互作用如何調節細菌的多樣性,我們仍然缺乏共識。這是由于研究細菌相互作用的幾個關鍵挑戰,如細菌相互作用的空間和時間尺度;相互作用的強度如何量化;細菌相互作用對非生物條件(外部環境)的依賴性,以及由于細菌快速進化的特征和豐度發生變化導致的相互作用變化。最近的三項研究為克服這些挑戰提供了見解。這些研究內容包括微生物相互作用范圍、相互作用強度和群落環境以及決定細菌物種相互作用和細菌共存與進化的因素。作者強調,同時考慮這三個因素如何共同作用,有助于獲得細菌相互作用的普適性認知(圖1),并通過這些因素建立微生物群落生態學預測模型。
           相互作用范圍、強度和群落環境相互作用范圍是一個個體可以與同一物種或不同物種的其他個體進行互動的空間范圍。通常,幾個細菌的相互作用范圍僅限于它們之間接觸緊密的環境,如生物膜。然而,即使在生物膜內,一些細胞是近鄰,而另一些細胞是相對遙遠的?紤]到在經驗上量化細菌之間相互作用距離的復雜性,空間結構生物膜中的細菌是否與近鄰和遠鄰細菌存在相互作用尚不清楚。Dal Co等人發現一個細菌可以從中獲取相鄰細胞產生的氨基酸的相鄰域大小,來測量細菌細胞的相互作用范圍。細菌相互作用的范圍很短,也就是說,細菌只與他們的近鄰菌株發生互動。更具體地說,他們使用了兩種基因型的大腸桿菌,這兩種基因型的大腸桿菌在生長過程中交換了必要的氨基酸。研究表明,當一種基因型在其交互作用范圍內的大多數鄰居都屬于另一種基因型時,該基因型的生長就會得到促進。這項研究有助于對相互作用的范圍如何在細胞水平上互相促進和共存的理解。
        雖然細菌相互作用范圍的大小可以影響另一個細菌(圖1),但這些細菌相互作用的方式(互惠或拮抗),很可能取決于細菌如何改變其直接作用的環境。養分有效性的增加促進了土壤細菌物種改變其環境(如pH值)的能力,從而放大了土壤細菌物種之間的負相互作用。有趣的是,這項研究強調了細菌物種之間的負相互作用的強度主要是由有毒代謝物介導,并不能通過更新營養物質來減弱。細菌物種間強烈的競爭性相互作用阻礙了物種共存,降低了細菌群落的穩定性。
        進化過程在推動物種共存中起到了重要的作用。Scheuerl等人證明了當細菌群落多樣性較低時,由于競爭相互作用較弱,細菌對于外界環境的變化(低pH值),存在更大的進化響應。研究表明,在不同的細菌群落中發現的強烈的競爭相互作用,限制了細菌物種進化的能力,從而突出了“群落環境”作為細菌進化動態的關鍵預測因子的重要性。
        綜上所述,這三項研究,包括細菌相互作用范圍大小、作用強度及細菌對外部環境變化的進化響應,為我們提供了關于細菌如何相互作用的潛在一般規則,并進一步突出了細菌相互作用對進化動力學經常被忽視的影響
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