Бактерии - Группа Фошаньских горнодобывающих лабораторий, ООО

Журнал ISME (2023 г.) Процитировать эту статью

68 доступов

11 Альтметрика

Подробности о метриках

Покой – это адаптация к жизни в меняющейся среде. Это позволяет людям войти в обратимое состояние пониженной метаболической активности при воздействии неблагоприятных условий. Покой также может влиять на взаимодействие видов, предоставляя организмам убежище от хищников и паразитов. Здесь мы проверяем гипотезу о том, что, создавая банк семян защищенных особей, покой может изменить закономерности и процессы антагонистической коэволюции. Мы провели эксперимент с факторным дизайном, в котором пассировали бактерию-хозяина (Bacillus subtilis) и ее фаг (SPO1) в присутствии или в отсутствие банка семян, состоящего из спящих эндоспор. Частично из-за неспособности фагов прикрепляться к спорам банки семян стабилизировали динамику популяции и привели к тому, что минимальная плотность хозяев была в 30 раз выше по сравнению с бактериями, которые не могли впадать в состояние покоя. Предоставляя убежище чувствительным к фагам штаммам, мы показываем, что банки семян сохраняют фенотипическое разнообразие, которое в противном случае было потеряно для отбора. Покой также сохранил генетическое разнообразие. Охарактеризовав аллельные вариации с помощью объединенного популяционного секвенирования, мы обнаружили, что банки семян сохраняют в два раза больше генов-хозяев с мутациями, независимо от того, присутствовали фаги или нет. Основываясь на траекториях мутаций в ходе эксперимента, мы демонстрируем, что банки семян могут подавлять коэволюцию бактерий и фагов. Покой не только создает структуру и память, которые защищают популяции от колебаний окружающей среды, но и изменяет взаимодействие видов таким образом, что это может влиять на эко-эволюционную динамику микробных сообществ.

Коэволюция возникает в результате взаимных эволюционных изменений между двумя или более видами. Коэволюция, распространенная среди мутуалистов, также является важным процессом для понимания динамики хозяин-паразит [1]. Например, антагонистические взаимодействия, как правило, включают отбор защитных стратегий, будь то поведенческие атрибуты или морфологические характеристики, которые уменьшают негативное влияние паразита на приспособленность хозяина [2,3,4]. В свою очередь, паразиты часто эволюционируют, чтобы преодолеть затраты хозяина на защитные стратегии [5, 6]. Эти основные механизмы коэволюции могут привести к экоэволюционным обратным связям, которые имеют значение для разнообразия и динамики связанных популяций [7,8,9,10]. На сложность коэволюции также влияют демография [11], системы спаривания [12], питание [13], продуктивность [14], расселение [15] и другие характеристики, которые способствуют приспособленности организма [16].

Одной из черт, которая может повлиять на коэволюцию, является покой. Под воздействием нестабильных или неоптимальных условий многие организмы интерпретируют сигналы окружающей среды и реагируют на переход в метаболически неактивное состояние. Организмы также могут страховать свои ставки в непредсказуемо шумной среде путем стохастического перехода между метаболическими состояниями [17, 18]. При использовании любой стратегии покой создает резервуар неактивных особей, известный как «банк семян». Хотя спящие особи не способны к размножению, уровень смертности снижается. В результате банки семян влияют на эволюцию и экологию популяций. Например, генетический дрейф уменьшается с помощью банка семян, поскольку он увеличивает эффективный размер популяции [19,20,21]. Кроме того, банки семян сохраняют особей в популяции, которая в противном случае была бы уязвима для удаления в результате естественного отбора [22, 23]. В совокупности генетическое хранилище, обеспечиваемое банками семян, может защитить линии от вымирания и способствовать поддержанию разнообразия внутри популяции [24].

Банки семян также изменяют взаимодействие видов таким образом, что это может повлиять на коэволюцию. Хорошо известно, что состояние покоя позволяет конкурирующим видам сосуществовать за счет эффекта накопления. Это явление отражает способность видов расти в благоприятных условиях, минимизируя потери в неблагоприятных за счет долгоживущих стадий жизни [25, 26]. Точно так же банки семян изменяют динамику антагонистически взаимодействующих видов. С одной стороны, покой можно усилить, предоставив косвенную выгоду хищникам и паразитам. Например, образование структур покоя ракообразным зоопланктоном (Daphnia pulex) может ограничить перевыпас микробных ресурсов и уменьшить амплитуду циклов хищник-жертва [27]. С другой стороны, наблюдения за различными таксонами, от бактерий до грызунов, позволяют предположить, что состояние покоя может предоставить добыче убежище от организмов, которые ее заражают или потребляют [28,29,30]. Тем не менее, некоторые паразиты, по-видимому, сохраняют состояние покоя хозяина, что увеличивает их выживаемость и передачу инфекции [31,32,33]. Хотя эти наблюдения вдохновили теоретическую работу по изучению взаимодействия между покоем и совместной эволюцией динамики хозяин-паразит, эмпирические тесты отсутствуют [34, 35].

90% variation) with the adonis2 function in vegan v2.6-2 [71] with Euclidean distance and 10,000 permutations. Results from the PERMANOVA allowed us to test for the main effects of the seed bank and phage treatments along with their interaction on mutated gene composition./p> 66% of SPO1 phages attached to vegetative cells produced by the same bacterial genotype within the first five minutes of the assay (one-sample t-test, t3 = 15.3, p = 0.0003) corresponding to an adsorption rate of 4.63 ( ± 3.07) × 10−9 mL−1 min−1./p> 0.3) in phage-infected populations were in genes involved in teichoic acid biosynthesis. Teichoic acid is a polymer found in the cell wall of Gram-positive bacteria that is used by phage SPO1 for attachment [61]. All replicate populations in the + phage treatment had high frequency mutations in at least one of four genes (pcgA, tagD, tagF and gtaB) in the teichoic acid pathway (Figs. 6 and S9). Of these, tagD and pcgA mutations arose independently in separate populations, and were significantly correlated with phage infection in the ordination plot of host mutations (Table S3). Beside pcgA mutations, all populations with a seed bank that were infected by phage had high frequency mutations in the sinR repressor of biofilm formation. In the absence of phage, all populations had high frequency mutations in a single gene (oppD) of the opp oligopeptide transporter system, and four of six populations had high frequency mutations in the phosphorelay kinase kinA (Fig. S9). Without a seed bank, hosts had a greater number of high frequency mutations, including multiple genes of the opp operon and in resE, a sensor kinase regulating aerobic and anaerobic respiration. High frequency mutations in the phage populations were predominantly in genes encoding tail structural genes (gp15.1, gp16.2, gp18.1, gp18.3), irrespective of seed bank treatment (Fig. 6). Previous work with B. subtilis demonstrated that resistance to SPO1 caused by mutations in gtaB could be overcome by mutations in tail fiber genes gp18.1, gp18.3, as well as gp16.2 [61]./p>0.3 are colored by the gene in which it occurred. The names of genes with high-frequency mutations are provided for each population. See Table S4 for details on genes. c In the - seed bank treatment, the distribution of correlation coefficients between host and phage mutation trajectories skewed negative relative to a null distribution obtained by permuting time labels. In the + seed bank treatment, the distribution resembled that of the null with a slight overabundance of low correlation pairs, consistent with seed bank buffering of host-phage coevolutionary dynamics./p>