细菌对复杂化学混合污染物响应的高通量表征
High-throughput characterization of bacterial responses to complex mixtures of chemical pollutants
Article，2024-3-18，Nature Microbiology，[IF 28.3]
DOI：https://doi.org/10.1038/s41564-024-01626-9
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41564-024-01626-9
通讯作者：Thomas P. Smith
主要单位：The Georgina Mace Centre for the Living Planet, Department of Life Sciences, Silwood Park Campus, Imperial College London, Ascot, UK（帝国理工学院乔治娜·梅斯地球生命中心）
- 摘要 -
人们对微生物受微污染物（如杀虫剂）响应的认识，几乎完全基于单一物种对单个化学物质的响应。然而，在自然环境中，微生物会同时受到多种污染物的影响。在这里，作者通过检测模型和非模型细菌菌株在8种化学压力源（抗生素、除草剂、杀菌剂和杀虫剂）所有255种组合中的生长情况，进行了一系列多压力源实验。作者发现细菌菌株对压力源混合物的响应方式不同，这不能简单地从它们的系统发育亲缘性来预测。越来越复杂的化学混合物更有可能对单培养细菌的生长产生负面影响，也更有可能显示出净相互作用效应。多种菌株的混合共培养对越来越复杂的混合物表现出了更强的抗性，并且在生长响应中显示出更少的相互作用。这些结果显示了微生物种群对化学应激响应的可预测性，并可能提高下一代生态毒理学检测的实用性。
- 结果 -
图1：不同菌株的化学应激响应不同。
a 不同细菌对所有化学应激源响应的热图。左：在化学应激源(s)存在下，不同菌株的平均（n = 4）相对生长(G)的情况，根据响应的相似性对行进行聚类。右：表示给定混合物中存在的每种化学压力源。
b 菌株和混合化学物呈现负、正或无生长响应的比例，按混合物中化学物质的数量分组。大多数化学物质本身对大多数细菌没有影响；然而，越来越复杂的化学混合物对生长的负面影响越来越大。
图2：化学压力源数量的增加减少了单培养中细菌的生长，但对群落生长无影响。
a 所有环境细菌菌株对所有化学混合物的综合响应，用菌株在化学混合物中的生长（生长曲线下面积）与对照的比表示，低于1表示生长减少，高于1表示生长增加。在响应中存在双峰性，含有土霉素（橙色）的混合物的平均生长低于不含土霉素（黑色）的混合物。
b 环境菌株混合物对所有化学混合物的响应。由于土霉素的存在，与单一培养有类似的双峰性；而添加其他化学物质对生长的影响忽略不计
c 冰岛分离株在单一栽培（x轴）和混合栽培（y轴）中的平均生长响应。混合培养对日益复杂的化学混合物的负生长效应的适应能力比单一培养更强。
图3：化学响应不是由系统发育关系强烈驱动的。
a 基于细菌的16S序列的系统发育距离与基于对化学应激源的生长响应的表型距离比较。
b 使用Blomberg的K和Pagel的λ度量，测试所有菌株对每种单一化学处理的响应中的系统发育信号。接近0的值表示没有系统发育信号，值为1则近似于性状演化的布朗运动模型。
图4：多重压力相互作用的量化。
a 将混合物中的细菌生长(G)与在各单独压力源（X、Y和Z）的生长进行比较，来检测化学压力源混合物中的净相互作用。净相互作用可能由混合物中发生的任何特定相互作用(I)引起。
b、c 所有单培养（b）和混合培养（c）中，不同数量化学混合物中每种净相互作用类型的比例
d 使用一个零模型来检测涌现的相互作用（红色），该模型考虑了所有低阶项。
e、f 所有单培养分离株（e）和混合培养（f）中涌现的相互作用的发生比例。
图5：低阶相互作用在较高复杂度的化学混合物中持续存在。
每个菌株中的净相互作用以网络形式可视化。每个点代表一个不同的化学混合物，最下面一行代表每种单独的化学物质，每行往上的混合物则更为复杂，最上面一个点代表八种化学物质的混合物。没有显著相互作用的节点保持为空圆圈；具有相互作用的节点会更大，并根据拮抗作用（青色）或协同作用（黄色）进行着色。相邻两行中，具有显著相互作用的节点之间会绘制边，其中下方的混合物是上方混合物的子集。
参考文献
Smith, T.P., Clegg, T., Ransome, E. et al. High-throughput characterization of bacterial responses to complex mixtures of chemical pollutants. Nat Microbiol (2024). https://doi.org/10.1038/s41564-024-01626-9
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