Article, 2023-9, The ISME Journal
论文DOI：
10.1038/s41396-023-01515-9
2023
年
9
月，微生物生态领域著名期刊
The ISME Journal
发表了卡尔加里大学
Marc Strous
团队的最新研究成果。该文章题为
Frequency of
change determines effectiveness of microbial response strategies
（变化频率决定微生物响应策略）。该研究结合连续流动培养、宏基因组、宏转录组、宏蛋白组、扩增子测序和理化指标分析，探究了不同变化频率对微生物响应策略的影响，对设计和理解动态栖息地的分子研究具有重要意义
。
自然界中微生物随时面临不同频率的变化，为了生存，它们需要对环境变化做出有效响应。目前，主要在模式生物中研究了转录调控、翻译后修饰等响应策略，但这些策略的实际效果还没有在环境微生物群落中探讨过。研究假设：当一个生态系统在两种不同的氧化还原条件下来回变化时，如果变化速度较快，单一的、通用的微生物组会被选择；如果变化速度较慢，会选择专用的微生物组。对单个细胞来说，快频变化会选择稳定的转录组和蛋白组，慢频变化下细胞会重塑转录组和蛋白组
。
为了解决以上假设，从硫磺河水中获得富集微生物群落，利用连续流动培养控制其生长速率为
0.5
代每天，采用了三种变化频率（图
1
）。第一组中，每代细胞经历两次有氧
-
缺氧条件交替。第二组中，氧化还原条件与细胞世代时间同步。第三组中，每四代细胞经历一次氧化还原变化。三组分别命名为高频、中频、低频
。
图
1.
实验设计
营养物浓度随着变化频率的降低，变化更明显（图
2
）。乙酸在有氧阶段被完全消耗，在缺氧阶段乙酸在高频下积累
0.5~1.5 mM
，中频为
3 mM
，低频为
4 mM
。硫酸盐在高频和中频的有氧
-
缺氧阶段间没有明显变化，低频下硫酸盐在缺氧阶段积累。有氧阶段未检测到硫化物，缺氧阶段硫化物在高频时积累到约
0.2 mM
，中频为
0.4 mM
，低频为
1 mM
。
图
2.
营养物浓度变化
群落主要由
10
个种群（
ASVs
）组成（图
3a
）。高频下，群落组成在有氧
-
缺氧阶段几乎没有变化，中频下变化增加，低频下群落差异最大。
NMDS
分析表明变化频率对群落结构的影响比有氧
-
缺氧阶段更为重要。例如，根瘤菌
Rhizobiaceae
只在中频下出现，硫杆菌
Thiobacillus 2
主要在低频下出现。随着频率的降低，有氧
-
缺氧期对群落结构的影响增加（图
3b
）。高频下平行培养之间差异最大，低频下最小（图
3c
）
。
图
3.
微生物群落动态
共获得
26
个宏基因组拼接基因组（
MAGs
），它们占群落
99%
以上（图
4a
）。其中，
25
个基因组可以进行有氧呼吸，
21
个可以进行反硝化，
17
个可以氧化硫，
8
个可以氧化氢，大多数基因组同时含有有氧呼吸和厌氧呼吸途径的基因。用
iRep
估算生长速率，大多数物种在有氧
-
缺氧条件变化下不改变生长速率（图
4b
）。用
gRodon
检查
MAGs
的密码子使用偏向，结果表明强密码子使用偏性与快速生长有关，其可促进基因快速表达以响应环境变化（图
4c
）
。
图
4.
宏基因组拼接基因组的丰度、代谢潜力和生长速率
在转录水平上，所有被研究的代谢类别的基因都很活跃（图
5a
）。在三种频率下，有氧呼吸基因在有氧阶段转录量更高，反硝化基因在缺氧阶段更活跃。镍铁氢酶的氢氧化作用分别在低频下的有氧阶段和高频下的缺氧阶段更活跃。它们在蛋白水平上无明显差异。高频下，平行培养间的转录组差异最高，低频下有氧
-
无氧阶段间的转录组周转率最高（图
5b
）。只有在低频情况下，转录调控的周转率才高于平行培养间的随机差异。三个频率下转录组的周转率始终等于或低于细胞的理论周转率，这表明微生物不会主动降解旧的转录物（
mRNA
），只是通过增加新的转录物来应对变化。蛋白质组呈现出不同的趋势（图
5c
）：高频下平行培养和有氧
-
无氧阶段之间的周转率都是最高的，低频下各阶段之间的蛋白周转率与各阶段之间的转录周转率相似，但远高于高频和中频下有氧
-
缺氧阶段间的转录周转率。只有在低频情况下，转录组和蛋白组才同步变化（图
5d
）
。
图
5.
转录组和蛋白组变化
小结
研究结果表明，环境变化会选择能同时进行有氧和无氧代谢的通用微生物而非专用微生物，这些微生物同时表达两类代谢的基因。单个种群始终积极调控蛋白组以应对变化，而转录组响应较慢，只有在低频下转录和翻译调控才相对一致。高频和低频变化的选择作用于密码子使用偏性，这为解释细菌基因组这一总括特征提供了新的视角。
作者简介
李盛结，马普所海洋微生物所博后，
2022
年博士毕业于北京大学，
2017
年本科毕业于山东大学，
2020-2021
年访学于卡尔加里大学。主要研究方向为环境微生物生态，已发表
SCI
论文
21
篇，第一作者
12
篇，一作文章发表于
The
ISME Journal
、
ISME Communications
、
Water Research
等国际重要期刊
。
刁目贺，洪堡学者，
2018
年毕业于荷兰阿姆斯特丹大学，获微生物生态学博士学位。
2019-2021
年获卡尔加里大学
Eyes High
项目资助，主要研究领域为水体中微生物与环境的相互作用。在
The ISME Journal
、
FEMS Microbiology Reviews
等国际期刊发表
SCI
论文
20
余篇，文章被引用
900
余次。
Marc Strous
，加拿大皇家科学院院士，加拿大地质微生物学研究主席，卡尔加里大学地球科学系教授，首位发现厌氧氨氧化菌、并揭示其基因组和代谢途径的学者，并率先研究了反硝化甲烷菌，且对细菌与细菌、细菌与原生生物、细菌与植物的相互作用做出了关键贡献。以第一
/
通讯作者在
Nature
、
Science
等国际顶尖期刊上发表多篇文章，
H
因子
79
，被引量四万三千余次
参考文献：
Li, S., Mosier, D., Dong, X., Kouris, A., Ji,
G., Strous, M., Diao, M*. 2023. Frequency of change determines effectiveness of
microbial response strategies. ISME J 17, 2047–2057.
DOI:
https://doi.org/10.1038/s41396-023-01515-9
投稿
：
杨嘉威
。
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