量化人類腸道菌種對(duì)艱難梭菌長(zhǎng)期生長(zhǎng)的影響（二）
與基于艱難梭菌(C.difficile)在人類腸道群落中短時(shí)間尺度測(cè)量推導(dǎo)出的gLV物種間相互作用網(wǎng)絡(luò)(主要以負(fù)相互作用為主)相比，長(zhǎng)期生態(tài)相互作用推導(dǎo)出的網(wǎng)絡(luò)顯示出較高頻率的正相互作用(圖1C)。在這一時(shí)間尺度上，PV和DP與艱難梭菌之間表現(xiàn)出雙向正相互作用，而理論上這可能會(huì)導(dǎo)致群落動(dòng)態(tài)的不穩(wěn)定性(圖1D，圖S1C，圖S2A和圖S2B)。相反，EL與艱難梭菌之間表現(xiàn)出輸出正相互作用和輸入負(fù)相互作用。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可能形成負(fù)反饋回路，從而穩(wěn)定群落動(dòng)態(tài)，并解釋了觀察到的EL與艱難梭菌之間的穩(wěn)定共存現(xiàn)象。
然而，經(jīng)常排斥艱難梭菌的物種(如PC和BT)也顯示出與艱難梭菌之間的輸出負(fù)相互作用和輸入正相互作用。這與競(jìng)爭(zhēng)性排除動(dòng)態(tài)的穩(wěn)定性相一致(圖S2B)。CS和CH在雙物種共培養(yǎng)中被艱難梭菌在7次傳代后競(jìng)爭(zhēng)淘汰，并且經(jīng)常被三物種群落排除(圖S1C，圖S1F和圖S2A)，這與來自艱難梭菌的輸入負(fù)相互作用一致。
為了評(píng)估群落中物種共存的程度，我們計(jì)算了香農(nóng)多樣性指數(shù)的變化(ΔH)(圖1E)。含有EL和CA的群落表現(xiàn)出較高的ΔH，而含有BT的群落則表現(xiàn)出最低的ΔH。此外，我們通過計(jì)算各時(shí)間點(diǎn)之間物種相對(duì)豐度的歐幾里得距離，量化了群落動(dòng)態(tài)的變異性。較大的歐幾里得距離值及其更廣的分布范圍表明群落不穩(wěn)定性增加。PV和DP的存在使歐幾里得距離增加，與其他物種相比，其雙向正相互作用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇赡軐?dǎo)致群落動(dòng)態(tài)的不穩(wěn)定性(圖1F)。
我們研究了在較長(zhǎng)時(shí)間尺度和不同環(huán)境條件下與艱難梭菌(C.difficile)共存的一部分群落的動(dòng)態(tài)。具體而言，我們將包含CA、EL、BU、DP和PV的雙物種群落，與兩種不同的艱難梭菌菌株分別在三種不同培養(yǎng)基條件下共培養(yǎng)了341代(圖S4A–S4D)。由于艱難梭菌在不同菌株之間具有很大的遺傳變異性，研究中選擇了一個(gè)具有毒素的DSM 27147菌株和一個(gè)非毒素的MS001菌株，后者具有更大的基因組和獨(dú)特的代謝能力。此外，我們通過修改基礎(chǔ)培養(yǎng)基降低碳水化合物濃度(降至原來的1/4)或提高氨基酸濃度(增加至原來的2倍)。減少碳水化合物濃度可能通過改變競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)度和/或某些腸道菌種導(dǎo)致的培養(yǎng)基酸化來影響艱難梭菌的生長(zhǎng)；而增加氨基酸濃度可能通過增強(qiáng)Stickland代謝促進(jìn)艱難梭菌的生長(zhǎng)。該代謝途徑通過偶聯(lián)氨基酸的氧化和還原產(chǎn)生有機(jī)酸，為能量和生長(zhǎng)提供支持。
在大多數(shù)群落和營養(yǎng)環(huán)境中，艱難梭菌DSM 27147和MS001表現(xiàn)出相似的長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)(圖S4E–S4G)。相比之下，CD-PV和CD-DP的動(dòng)態(tài)在時(shí)間上表現(xiàn)出更大的不穩(wěn)定性，并且在不同營養(yǎng)環(huán)境下的變化幅度大于其他群落(圖S4E–S4J)。
總之，EL在長(zhǎng)時(shí)間尺度內(nèi)促進(jìn)了艱難梭菌在群落中的穩(wěn)定共存。相反，PV或DP的存在在不同環(huán)境條件下引發(fā)了群落動(dòng)態(tài)的不穩(wěn)定性。這些動(dòng)態(tài)總體上與其推導(dǎo)的相互作用網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟恢隆?
資源受限的環(huán)境促進(jìn)了艱難梭菌與PV的交叉喂養(yǎng)和共存
已有研究表明，人類結(jié)腸中約30%的細(xì)菌屬于擬桿菌屬(Bacteroides)，其中PV、BT、BU、B.distasonis、B.fragilis和B.ovatus在個(gè)體間的普遍性最高。除此之外，擬桿菌屬的定植穩(wěn)定性已被多次驗(yàn)證。尤其是，PV因其較高的定植能力，被視為治療復(fù)發(fā)性艱難梭菌感染(rCDI)的潛在活菌療法候選菌株。研究艱難梭菌與這些腸道微生物中高度豐度且穩(wěn)定的成員之間的相互作用，可以為揭示影響艱難梭菌定植的因素提供重要見解。
在CD-PV共培養(yǎng)中觀察到一個(gè)獨(dú)特現(xiàn)象：營養(yǎng)環(huán)境的改變可以在一定時(shí)間范圍內(nèi)將群落動(dòng)態(tài)從競(jìng)爭(zhēng)性排除轉(zhuǎn)變?yōu)楣泊?。在高濃度碳水化合物環(huán)境下，艱難梭菌在約186–224代時(shí)被排除；而在降低碳水化合物濃度的培養(yǎng)基中，艱難梭菌與PV共存了341代(圖S4E和S4F)。
為揭示這些條件下驅(qū)動(dòng)共存與競(jìng)爭(zhēng)性排除的代謝活動(dòng)，我們對(duì)PV和艱難梭菌在兩種培養(yǎng)基中的代謝產(chǎn)物進(jìn)行了外代謝組學(xué)分析，通過測(cè)量培養(yǎng)液上清液中代謝物的濃度變化(起始時(shí)和培養(yǎng)24小時(shí)后，見圖2A和2B)。在單菌培養(yǎng)中，艱難梭菌利用其司提克蘭氏反應(yīng)(Stickland)代謝能力，消耗了培養(yǎng)基中的多種氨基酸。在低碳水化合物培養(yǎng)基中，PV釋放了艱難梭菌利用的84%的代謝物，包括用于Stickland代謝的氨基酸。在PV單菌培養(yǎng)中，這些代謝物在24小時(shí)內(nèi)呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)；但在CD-PV共培養(yǎng)中，這些代謝物在約6到12小時(shí)后呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，表明它們被艱難梭菌消耗。因此，這些結(jié)果支持了PV向艱難梭菌跨物種供給多種代謝物的現(xiàn)象(圖2A和圖S5)。
相比之下，在高碳水化合物濃度下，預(yù)測(cè)的跨物種供給較少，艱難梭菌利用的代謝物中僅有12%由PV釋放(圖2B和圖S6)。此外，PV在單菌培養(yǎng)中消耗了艱難梭菌利用的24%的代謝物，包括葡萄糖和肌醇，表明在這種培養(yǎng)基條件下資源競(jìng)爭(zhēng)占主導(dǎo)地位。在高碳水化合物培養(yǎng)基中，艱難梭菌利用的代謝物中，有45%也在低碳水化合物培養(yǎng)基中被利用。這表明改變碳水化合物濃度調(diào)節(jié)了艱難梭菌的代謝生態(tài)位。
圖2|兩種營養(yǎng)環(huán)境中艱難梭菌和普通擬桿菌的外代謝組學(xué)分析
(A和B)艱難梭菌在基礎(chǔ)培養(yǎng)基中消耗的代謝物相對(duì)于空白培養(yǎng)基(t=0 h)的倍數(shù)變化熱圖，分別在降低碳水化合物濃度的培養(yǎng)基(低碳水化合物培養(yǎng)基，A)和基礎(chǔ)培養(yǎng)基(高碳水化合物培養(yǎng)基，B)中展示。完整的代謝組學(xué)分析見圖S5(低碳水化合物培養(yǎng)基)和圖S6(高碳水化合物培養(yǎng)基)。時(shí)間變化的豐度測(cè)量圖來自圖S4E和S4F。
(C和D)有機(jī)酸在低碳水化合物培養(yǎng)基(C)和高碳水化合物培養(yǎng)基(D)中的定量分析(均值±標(biāo)準(zhǔn)差，n=3)。水平虛線表示空白培養(yǎng)基中檢測(cè)到的濃度。未配對(duì)雙側(cè)t檢驗(yàn)的p值也已標(biāo)注。
(E和F)CD-PV共培養(yǎng)中主要代謝活動(dòng)的示意圖，分別在低碳水化合物培養(yǎng)基(E)和高碳水化合物培養(yǎng)基(F)中進(jìn)行展示。部分圖形使用Biorender制作。
相關(guān)新聞推薦
1、紅參對(duì)鼠李糖乳桿菌和保加利亞乳桿菌體外生長(zhǎng)的影響（上）
2、香芹酚對(duì)惡臭假單胞菌生長(zhǎng)、運(yùn)動(dòng)能力、產(chǎn)胞外蛋白酶和生物被膜能力影響（二）
3、犬奇異變形桿菌及其噬菌體分離鑒定、生長(zhǎng)曲線及藥敏試驗(yàn)（三）
4、異養(yǎng)細(xì)菌生長(zhǎng)效率、調(diào)控機(jī)制、生態(tài)學(xué)研究進(jìn)展（二）