作者：侯如娇，南京农业大学硕士在读，主要研究利用噬菌体防治土传病害。
细菌病毒(噬菌体)可以影响自然界细菌群落的组成和进化，在生态系统功能中具有重要作用。随着宏基因组分析的发展，对各种生态系统中噬菌体的丰度、基因组多样性和时空动态有了更深入的了解。然而，噬菌体群落组成变化的前因后果仍然知之甚少。本文探讨了有关噬菌体群落组成和进化的最新发现，以及噬菌体在控制细菌的种群和进化动力学中的作用，探索在自然环境中共存微生物群落的复杂性。
一、自然环境下的噬菌体
噬菌体结构多样，包括有尾、无尾、丝状等，其中尾状病毒占迄今为止所描述的所有噬菌体的90%以上。而宏基因组数据中绝大多数病毒相关序列与任何已知序列都不一致，构成所谓的病毒暗物质，噬菌体远比我们目前所知的更丰富多样。噬菌体根据生活周期可以分为裂解、溶原和慢性(图1)。这三种生活周期模型可能很好地反映了噬菌体的复制方式，但无法完全代表自然界中噬菌体与细菌的相互作用。迄今为止，大多数丝状单链DNA噬菌体为慢性生命周期，而裂解循环和溶原循环受宿主密度的驱动在整个生态系统中分布不均。室内研究认为在宿主密度较高时，更有利于选择裂解；而环境研究结果比较模糊，发现除了宿主密度外，其他一些生态因子如适应性也可能决定噬菌体何时选择溶原。在宿主处于营养缺乏时选择溶原，当宿主遇到更有利的条件时，可能会恢复裂解循环。这种载体状态可能是一种保护噬菌体免受环境物理化学条件(例如紫外线和高温)影响的方法。
空间上，不同地理来源的环境病毒的组成差异较大，无论是在水生环境、陆地环境还是人体肠道中，甚至在局部范围内都表现出不同。不过有些情况下，在来自生态相似但地理位置遥远的样本中发现了几乎相同的噬菌体基因组。时间上，病毒组成在时间上似乎相对稳定。一项研究在十年多的时间里，从同一地点采集的海水样本中反复发现了相同的噬菌体，而基因组变异非常小，一些噬菌体可能会停留很长时间。一些研究还发现了病毒群落的季节性演替，随着季节的变化，从溶原转变为裂解复制。
在自然群落中，噬菌体进化受到细菌种群密度和多样性以及竞争相同宿主资源的其他噬菌体的影响。宿主范围可以扩大或缩小，宿主密度、多样性和质量是决定宿主范围的关键参数。噬菌体多样性还可以通过驱动宿主的进化变化间接影响特定噬菌体的宿主范围。此外，来自不同分类群和不同生活方式的噬菌体可以感染同一宿主，这可能导致宿主内噬菌体间的相互作用。据估计，35%被感染的细菌含有多个噬菌体，共感染可以通过影响溶原、裂解决定或者竞争细胞内宿主资源影响噬菌体群落的组成和进化(图2a、b)。在某些情况下，突变噬菌体利用共感染噬菌体产生的蛋白质在群体中完成进化(图2c)。共感染对噬菌体群落的进化有重要影响，因为它们允许噬菌体之间的直接基因交换(图2d)。目前对温和噬菌体和裂解噬菌体之间的基因交换知之甚少。最近的一项研究表明，它们对远距离噬菌体分类群之间的基因传播具有重要影响，可以促进噬菌体基因组中的功能创新和遗传多样性。
二、噬菌体群落功能
噬菌体影响微生物生态，包括微生物群落的组成、功能及其稳定性，不同类型的噬菌体影响不同。烈性噬菌体可以遵循“杀死胜利者”模型，抑制单一优势物种的增殖，进而有利于保持细菌群落的多样性。噬菌体还可以通过辅助代谢基因(AMG)来重定向细菌代谢。据估计，地球上每秒发生1023次噬菌体感染，病毒细胞的代谢活动很可能改变了细菌群落及其生态系统的功能。AMG的高度多样性和丰富性表明，噬菌体在生物地球化学循环中具有重要作用，但它们对物质和能量生产的贡献程度仍然难以量化。此外，噬菌体可以通过维持细菌间竞争来影响微生物群落的动态。噬菌体随机裂解一部分宿主种群时，可以促进宿主释放毒素，从而抑制群落中的其他细菌。
噬菌体影响微生物进化。一方面进行抗性突变的选择，噬菌体驱动细菌的快速遗传和表型变化，如修饰受体结构或将噬菌体衍生序列插入细菌CRISPR Cas位点等，自然界中存在更多的机制。受体的突变通常具有多效性，这些受体具有重要的生理作用，包括运动性、代谢物转运或表面粘附。与室内环境相比，在自然环境中，这些成本通常会放大。如果存在其他细菌物种竞争相同的生态位以及存在多样性的噬菌体，则成本更高。另一方面，噬菌体与其宿主之间的协同进化可以提高宿主的进化速率。多个噬菌体物种的存在可能进一步加速细菌进化，并加强对高突变率细菌的选择(图3a)。高突变率有利于细菌适应不断变化的压力环境，因此在自然界中可能被积极选择。然而，目前尚不清楚噬菌体是否能推动自然环境中突变率增加的选择。此外，噬菌体是基因创新的源泉。鉴于原噬菌体在微生物基因组中的大量存在，溶原转化可能对微生物群落的适应和进化产生重大影响。原噬菌体可能编码有益的性状使得它们的宿主能够在新的生态环境中定居并在不断变化的环境中生存，还可以保护宿主免受其他(非相似的)噬菌体的侵染(图3b)。噬菌体可以通过广泛和特定的转导途径介导水平基因转移(HGT)，从而影响细菌基因组的进化。转导是细菌群落适应环境变化的重要驱动因素。最近发现了新的机制，称为侧向转导和自动转导。了解噬菌体介导的HGT在自然群落中的动态和影响需要考虑非生物和生物因素的影响。例如，生物膜可能是HGT的热点(图3c)。
图3 噬菌体介导的细菌群落进化
三、(半)自然环境中细菌-噬菌体的共进化
室内研究探索了生物复杂性如何影响共进化动力学，发现多个噬菌体的存在会影响共进化的模式，从波动选择动态转变为军备竞赛。在半自然环境中也证明了细菌与噬菌体共进化现象。尽管研究表明细菌多样性对噬菌体和细菌的共进化有重大影响，但其他细菌的存在并不是影响共进化的唯一因素。(半)自然环境中由于一些避难所的存在以及细菌表型进化，噬菌体抗性进化水平通常要比实验室内低得多(或没有)。一些研究评估了自然环境样本中的共进化，结果表明，军备竞赛模式的共进化在几个月或几年内发生。而相反，最近的一项对霍乱弧菌和3年以上患者分离的噬菌体类似实验结果表明，共进化表现为波动选择模式。在短期内，细菌和噬菌体之间的共进化通常源于宿主基因组中积累的点突变和克服抗性的点突变(图4a)。在更长的时间里，噬菌体和细菌进化出更复杂的侵染性和抗性策略。细菌发展出广泛的防御系统，通常聚集在细菌基因组中的防御岛上，可能是分级组织的，有初级和次级防线(图4b)。最近对许多新防御系统的鉴定揭示了真核和原核免疫系统之间的相似之处，表明某些免疫功能可能在细菌、植物和动物中得到了保存。一些真核抗病毒系统的组成部分，即RNA干扰、cGAS、CSTING、viperins和Toll/IL-1受体结构域，在原核系统中也可以通过类似的机制介导抗病毒防御(图4c)。
图4 噬菌体细菌共进化的短期和长期后果
目前越来越多的研究集中于复杂群落中噬菌体和细菌的共进化，需要更充分了解生物多样性和非生物因素如何影响噬菌体细菌的生态和进化动力学。此外，噬菌体和细菌群落可以对它们的真核宿主产生重大影响。利用噬菌体疗法抵御病害以及通过噬菌体调节微生物群落，需要在包含生物和非生物复杂性的相关模型中研究噬菌体与细菌的相互作用，这会影响噬菌体治疗和共进化的结果。因此，研究噬菌体-细菌相互作用的概念以及噬菌体和细菌在复杂群落和自然环境中的进化，不仅对于基础知识，而且对于开发基于噬菌体的应用都是至关重要的。
论文信息
原名：Interactions between bacterial and phage communities in natural environments
译名：自然环境中噬菌体与细菌的相互作用
期刊：Nature Reviews Microbiology
发表时间：2021.08
通讯作者：Anne Chevallereau
通讯作者单位：埃克塞特大学生物科学环境与可持续发展研究
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