Bacterial coexistence driven by motility and spatial competition

DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-020-2033-2

写在前面：

2020年2月19日发表在Nature的一篇文章。这是近期读过的最有意思的文章，没有之一。

生物多样性的形成与维系机制始终是生态学研究的重难点之一。本公众号长期致力于推送相关的研究成果，无论是理论研究还是实验研究，对此不再赘述。比较早的开展系统研究并提出standard理论的代表，应该就是达尔文了吧？及至后来，现代生态学之父哈钦森先生也很疑惑，动物的多样性为什么这么高？（详见哈钦森1959年的演讲文章：Homage to Santa Rosalia or why are there so many kinds of animals?--太长了，至今还没有翻译完，争取今年5月17之前弄完）

关于coexistence，比较经典的文献之一，就是Peter Chesson于2000年发表在Annual Review of Ecology and Systematics的一篇综述（也被这篇Nature文章所引用-参考文献24：Mechanisms of maintenance of species diversity）。所谓stable coexistence，如果能够长期实现，低密度或者低丰度的组分需要有机会翻身，而不是因为本来就少、然后很快被灭掉。也就是这篇Nature文章里提出的，需要等级置换hierarchy inversion。

Stable coexistence的形成主要包括两种途径：1）equalizing，均等机制（或者求同），即，不同的species将彼此间的平均适合度最小化；2）stabilizing，维稳机制（或者存异），即，不同的species努力增强negative的种内互作、而不是增强negative的种间互作。（啊，忽然想到，我们伟大的周总理，N多年前（1955年万隆会议）就提出，世界人民的友好共存是要“求同存异”的～你看，人，终归也只是一种动物而已）

具体来说，Stabilizing这一方式，主要通过如下机制实现stable coexistence，例如资源分配、频次依赖性的捕食作用，以及其他依赖于群体密度和环境因子时空波动的若干机制。Equalizing这一方式，则主要是通过如下机制实现stable coexistence，即降低物种彼此间的适合度差异，这一结果实际上会削弱stabilizing相关机制的效应。

本文是近期发表在Nature的一篇文章，非常有意思，应该算是stabilizing模式形成的coexistence。以两株大肠杆菌为材料，研究了运动能力与空间竞争共同驱动下的细菌共存，并从多个水平对相关机制做了解析。本研究将两个菌株按不同比例混合共培养时，任一菌株在低丰度时，都会竞争超过另一菌株，即通过主动隔离和空间排除实现等级置换。具体来说，就是，运动速度快（生长速度慢）的小群体，会快速从起始位点向远处移动，从而比生长速度快（运动速度慢）的大群体更早地占据了远处的空间，并消耗掉了相应的资源，导致生长速度快的群体无法再向远处迁移；反之，生长速度快（运动速度慢）的小群体，会迅速消耗掉两群体接触区域的资源，从而驱逐运动速度快（生长速度慢）的大群体离开。所以，总的来说，就是对于存在“生长-迁移”权衡的细菌，它们通过这两个过程的反复增强作用，实现了有效的空间隔离和群体共存：即，生长速度快的群体，总是会倾向于占据原始位置的空间，而运动速度快的群体，则总是倾向于占据远离原始位置的空间。

文章简介：

1. 共培养的两个野生菌株存在竞争等级的置换

本研究使用了两株Escherichia coli的菌株，分别是A和B—分离自同一宿主的粪便样品。将A和B按照不同比例混合（比例为R0），接种到液体培养基和软的固体培养基，培养2.5～4天后，统计两群体新的比例R，计算比例的变化倍数：R/R0。结果发现，液体摇瓶培养条件下，无论起始R0为多少，R均增大约1000倍，这与两个菌株分别单独培养时的情况吻合；而在固体培养条件下，R0较低时，R值增大；R0较高时，R值减小（图1a-b）。即，这两个菌株，都能够在自身起始丰度较低的情况下，最终竞争超过对方。也就说，要实现共存，需要A和B在生长的过程中，完成等级置换，双方趋向于一个能够共存的比例；否则一方的灭绝，就会导致共存无法实现（图1c-d）。

图1. 共培养的两个野生菌株存在竞争等级的置换

2. 生长-迁移权衡对空间隔离的贡献

为什么会出现上述现象呢？本研究发现，将A和B各自单独培养在固体培养基时，4天之内，A和B均会长满平板；而当混合培养时，点样在平板中间位置时，A会留在接种圆点，并且形成较小的菌落，B则会在远离A的、边缘区域，形成较大菌落（图2a）。当把两菌点样在平板边缘位置时，A会留在边缘位置，B则依然出现远离A的区域（现在等于是大约到了平板中间位置）。其他一些配对菌株也发现类似现象。

已知，驱动细菌互斥的一个重要因素可能是细菌分泌的抑制物，但是本研究并没有检测到类似的抑制物。然而，研究人员发现，比较有意思的是，出现上述现象的配对菌株，往往存在生长和迁移的权衡，即，一方具有生长优势时，另一方往往具有迁移优势（图2b）。实验确实也发现，不存在这样的权衡或者较弱的存在时，菌株对就没有呈现出类似的空间隔离。

图2. 生长-迁移权衡与空间排除

为了进一步直接验证生长-迁移权衡的重要性，研究人员在实验室构建了突变体菌株，改变菌株的生长速度和运动速度。结果发现，当突变体菌株的生长和运动速度相当或者接近时，空间排除现象没有出现（图2c，2g）；当运动速度差异大、生长速度接近时，出现了边缘排除现象、没有出现中心排除现象（图2d，2g）；当生长速度和运动速度均差异明显、存在权衡时，同时出现了边缘排除和中心排除现象（图2e，2f，2g）。

3. 菌落发展动力学解释生长-迁移权衡的作用原理

对存在生长-迁移权衡的菌株，研究人员仔细研究了其菌落发展动态（图3a），发现其菌落模式可以用Keller-Sigel细菌运动模型来预测（图3b）。研究人员结合Monod生长方程、营养消耗等，对上述模型进行了延伸，得到了Monod-Keller-Sigel模型，可以更准确地预测群落的发展变化。

图3. 竞争性迁移的围追堵截效应

通过对菌落变化的动态过程分析发现，一方面，运动速度快的菌株会限制运动速度慢的菌株留在点样原始位置：运动速度快的菌株在前进的过程中，会消耗掉沿途的资源，大约在1.6天左右完全消耗掉，从而阻断了运动速度慢的菌株、使其不能向外扩散（图3）。另一方面，运动速度慢的菌株，因其生长速度快，也在主动上占据了原始位置，限制了生长速度慢（幸好运动速度快）的菌株留在这里、驱使其赶紧向远处迁移。总的来说，与以往的预设空间生态位不同，本研究发现的这两株菌株，其生态位的形成属于后发性质的。

4. 从打破共存的角度反向验证生长-迁移权衡的重要性

既然上述分析证实了生长-迁移的权衡及其对群体丰度的负依赖性，驱动力群体的最终共存，可以推测，如果打破这样的平衡，共存应该也会消失。举例来说，如果提高运动速度快的群体的丰度，可能会导致其在向远方移动时、没有足够的空间来供养自己，最终失去对相应空间的占据；而生长速度快的群体，当其丰度较高时，可能会导致其在生长时没有足够的资源支撑，最终也无法较好地占据相应的空间。模型预测和实验结果均证实，当对群体大小、接种密度等进行改变后，确实会导致共存的崩溃（图4）。

图4. 共存的稳定性及其界限

5. 基因组学证据揭示菌株运动能力差异的根本原因

为了进一步揭示，两个菌株运动能力差异的本源，研究人员对菌株继续了基因组测序。结果发现，基因组水平的一些变异可能可以提供一些解释。A和B菌株的很多个运动相关的基因上，检测到50多个氨基酸替换。三维的单细胞追踪揭示，不同菌株的游泳速度存在很大的差异，并且与其群体的迁移速度具有很好的相关性。

6. 小结

细菌的运动对细菌来说是非常重要的能力与特征，相关的研究非常多（记得以前在生态中心时，有幸听过刘双江老师的一次报告，就是关于细菌运动的，讲得特别有意思）。然而，本文发现，运动能力对于细菌的多样性维持，可能也具有非常重要的作用。这一发现，无论是对于细菌的群落多样性研究、还是其他生态系统内生物多样性的研究，无论是理论研究、还是实验研究，都具有很重要的参考意义。

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