細菌群落數量和進(jìn)化的“掌控者”---噬菌體

前言
噬菌體是地球上最豐富的生物實體，據估計約有10^31個粒子（約2億噸）。噬菌體幾乎無處不在，即使在極端環境和古老的樣本中也能(néng)找到，且其結構和基因組含量都(dōu)極其多樣。在噬菌體和細菌長(cháng)期的“攻防戰”中，噬菌體在控制細菌群落數量和進(jìn)化動力學(xué)中發(fā)揮重要作用，是細菌進(jìn)化的重要驅動力。這(zhè)不僅是因爲噬菌體給宿主菌施加了高度的選擇壓力，還(hái)與溶源轉化在内的機制有關。這(zhè)裡(lǐ)簡要闡述噬菌體在控制細菌群落種(zhǒng)群和進(jìn)化動态方面(miàn)的作用。
01 噬菌體對(duì)微生物生态的影響
噬菌體可影響微生物群落的分類、功能(néng)組成(chéng)和穩定性，且不同類型的噬菌體産生的影響各不相同。其中，烈性噬菌體遵循“殺死優勝者（kill-the-winner）”的模式，即不斷複制的噬菌體殺死最常見的細菌，抵消了單一優勢細菌菌群的增殖，使不常見細菌群體數量上升，進(jìn)而維持了細菌群落的多樣性。此外，烈性噬菌體還(hái)可以通過(guò)輔助代謝基因 (AMG) 的表達改變細菌代謝，比如海洋噬菌體中的AMG就(jiù)參與了光合作用、碳代謝和硝酸鹽還(hái)原等多種(zhǒng)過(guò)程。
通常認爲溶源性噬菌體對(duì)細菌種(zhǒng)群影響有限。與烈性噬菌體相比，溶源性噬菌體與其宿主的适應利益更一緻，産生更多的互利共生行爲。不過(guò)由于前噬菌體誘導或向(xiàng)裂解性噬菌體的突變進(jìn)化，溶源性噬菌體可導緻細菌大量死亡，當溶源性噬菌體随機裂解部分宿主時(shí)，它們可以促進(jìn)宿主菌毒素的釋放，這(zhè)些毒素會(huì)抑制群落中的其他細菌，或者釋放的病毒粒子本身可以殺死敏感的細菌競争者。所以溶源性噬菌體可以通過(guò)維持細菌間的競争來影響微生物群落的動态。
02 噬菌體對(duì)微生物進(jìn)化的影響
2.1 選擇抗性突變的細菌
噬菌體可以進(jìn)行抗性突變選擇，驅動細菌的快速遺傳和表型變化。通過(guò)體外試驗發(fā)現，細菌通過(guò)修飾受體表面(miàn)結構，或將(jiāng)噬菌體來源的序列插入細菌 CRISPR-Cas位點進(jìn)化出對(duì)噬菌體的抗性。當然，在自然環境中的機制更多也更複雜。噬菌體受體的突變通常具有多效性，這(zhè)些受體具有重要的生理作用，包括運動、代謝物轉運或表面(miàn)粘附。與實驗室環境相比，在自然環境中突變的代價會(huì)放大。
2.2 調節細菌的突變頻率
噬菌體與宿主之間的共同進(jìn)化可以增加宿主突變頻率（圖a）。當有多種(zhǒng)噬菌體存在時(shí)可能(néng)會(huì)加速細菌進(jìn)化，噬菌體積極選擇抗性突變細菌，迅速産生多種(zhǒng)抗性菌。反過(guò)來細菌突變同樣對(duì)噬菌體-細菌相互作用産生重要影響，高突變率有利于細菌适應不斷變化的應激環境，在自然選擇中得以存活，這(zhè)在慢性感染中很常見。溶源性噬菌體可以通過(guò)自身插入和破壞細菌基因來直接影響宿主進(jìn)化。雖然有一些溶源性噬菌體整合到特定位點，幾乎不會(huì)造成(chéng)細菌基因組的破壞，但轉座噬菌體會(huì)随機將(jiāng)自身插入細菌染色體并通過(guò)“複制-粘貼”的模式拷貝到其他位點進(jìn)行複制。因此，這(zhè)種(zhǒng)整合和複制模式會(huì)大大改變細菌基因組，對(duì)其造成(chéng)有害影響；然而，它也可能(néng)通過(guò)增加突變率來增強細菌的适應性，從而增加獲得有益突變的機會(huì)，例如抗噬菌體防禦增強或生物膜形成(chéng)。

圖a 噬菌體可改變細菌種(zhǒng)群中的突變頻率
2.3 基因創新的來源
鑒于前噬菌體在微生物基因組中廣泛存在，溶源性轉化可能(néng)對(duì)微生物群落的适應和進(jìn)化産生重大影響。前噬菌體可以編碼适應性優勢的基因（例如毒力因子和代謝基因），使它們的宿主菌可以适應不斷變化的環境。事(shì)實上，敲除前噬菌體顯著(zhe)降低了細菌在其宿主動物上的定殖能(néng)力，如禽緻病性大腸杆菌、引起(qǐ)猩紅熱的化膿性鏈球菌或人類共生的糞腸球菌均有此現象，并且這(zhè)種(zhǒng)現象是高度動态的，因爲噬菌體可以從一種(zhǒng)菌株快速轉移到另一種(zhǒng)菌株。例如，一項對(duì)小鼠腸道(dào)細菌定殖的研究表明，入侵的大腸杆菌受到前噬菌體的誘導，進(jìn)而使入侵的菌株溶源化。前噬菌體還(hái)可以保護它們的宿主菌免受其他噬菌體的侵染（圖b），這(zhè)種(zhǒng)噬菌體編碼的保護機制在自然界中普遍存在。

圖b 前噬菌體（綠色矩形）可編碼适應性優勢的基因
2.4 水平基因轉移的載體
噬菌體可以通過(guò)廣泛的和特定的轉導介導水平基因轉移（HGT），從而影響細菌基因組的進(jìn)化。最近發(fā)現了橫向(xiàng)轉導和自轉導的新機制，轉導被認爲是細菌适應環境變化的重要驅動因素。噬菌體可能(néng)作爲在細菌之間轉移的抗生素抗性基因 (ARGs)的“儲存庫”。此外，了解自然環境中噬菌體介導的 HGT 的動态和影響需要考慮非生物和生物因素的影響。例如，生物膜可能(néng)是 HGT 的熱點（圖c）。

圖c  噬菌體可通過(guò)轉導介導水平基因轉移
小結
噬菌體塑造了自然界中細菌群落的組成(chéng)和進(jìn)化，因此在生态系統中發(fā)揮著(zhe)重要作用。近年來，越來越多的研究集中在噬菌體和細菌的共同進(jìn)化方面(miàn)。但是使用實驗室裡(lǐ)有限數量的噬菌體和細菌與自然界中的複雜環境之間仍然存在很大差距。所以我們對(duì)自然環境中噬菌體-細菌相互作用的認知還(hái)遠遠不夠，特别是生物多樣性和非生物因素如何影響噬菌體-細菌的生态學(xué)和進(jìn)化動力學(xué)還(hái)需要深入研究。