多种竞争性的噬菌体物种能够稳定共存于单个肠道细菌菌株群体中

噬菌体是地球上最丰富、系统发育最多样化的生物实体，但维持这种非凡多样性的生态机制仍不清楚。在这项研究中，发现在简单的实验条件下，噬菌体多样性始终超过其细菌宿主的多样性。在单一的、未进化的大肠杆菌菌株上组装并传代了数十种不同的噬菌体群落，直到噬菌体群落达到平衡。在所有情况下，发现两种或多种噬菌体物种稳定共存，尽管竞争单个克隆宿主种群。通过宿主表型异质性支持噬菌体共存，其中采用不同生长表型的细菌细胞作为不同噬菌体物种的生态位。实验表明，在单个细菌宿主上可以出现丰富的噬菌体群落生态。

为了测试竞争性排斥是否通常将噬菌体多样性限制为每个宿主菌株的单一噬菌体物种，首先分离了能够感染大肠杆菌 K-12 菌株的多种天然存在的噬菌体物种BW25113。这些大肠杆菌噬菌体物种是从不同的环境样本中分离出来的，包括动物粪便和河水（在美国康涅狄格州纽黑文收集），这些样本在大肠杆菌的草坪培养物上产生了斑点。然后对单个噬菌体种类进行噬菌斑纯化，并对其基因组进行测序。这产生了 27 种双链 DNA 尾噬菌体物种的集合，它们在系统发育、表型和复制策略（即生活史）方面是多种多样的。大多数物种具有不同的斑块形态，并且彼此共享有限的基因组序列同源性，除了同一科中的物种（图 1）。遗传差异反映了我们的收藏在分类学上是多样化的事实 ，包含10个科和13个属。14个物种是专性裂解的，这意味着它们仅通过杀死宿主细胞进行繁殖，其余13个物种是温和的，这意味着它们可以在宿主细胞分裂时垂直传播或作为裂解噬菌体繁殖。27 个物种中的每一个都有自己的速记字母名称（噬菌体 A 到 Z 和噬菌体 AA）

利用这种多样化的噬菌体物种集合，进行了自上而下的群落组装实验，以测试噬菌体在单个非进化宿主种群。在第0次传代时，我们混合了来自集合的 10种不同噬菌体物种的随机亚群 ^[105每个物种的斑块形成单位（PFU）为^{1.2 ×107}大肠杆菌（n = 3个生物学重复）。每24小时过滤一次噬菌体组分以去除任何存活的细胞，并稀释到新鲜的大肠杆菌细胞上。这一步骤确保了细菌种群在整个传代制度中不会进化或获得遗传多样性。在第12代时，通过对每个群落进行鸟枪法测序，从头组装噬菌体基因组，然后将组装的基因组与我们的噬菌体集合（材料和方法）进行比较，确定了哪些噬菌体物种仍然存在。验证了深度测序通过三个群落的顶部琼脂铺板 [根均方差 （RMSD） = 0.17，n = 9] 量化噬菌斑形态，准确测量了每个物种的相对丰度和身份。

由此发现每一个传代实验都导致了噬菌体共存。尽管对共享宿主种群存在竞争，但所有噬菌体群落在最后传代时都包含2到4种共存的噬菌体物种。每个群落在基因上都是多样化的，至少有两个来自不同家庭的群落成员。最终的噬菌体群落也表现出高β多样性：10个群落中有8个具有不同的物种集，另外两个群落（3和4）都包含相同的两个物种（噬菌体N和Y）。传代机制在组装噬菌体群落中具有高度可重复性：对于10个群落中的7个，所有3个生物复制都已组装成完全相同的噬菌体物种组成。其他三个最终群落（5、7和10）在其生物重复之间各自至少共享两个物种，但在第三个物种的身份或存在方面有所不同。在最后传代时剩下的所有物种都是裂解的，这表明噬菌体复制策略对于这种新兴的多样性至关重要。

图 1. 噬菌体群落在单个宿主上是多种多样的、常见的和可预测的

总的来说，从所有的传代实验中，发现收集的14种裂解物种中有13种存在于至少一个群落中。这表明几乎所有的溶解物种都有共存的潜力，尽管并非在每个群落中都存在。共存的温带物种的缺失表明它们被群落中的其他物种排除在外。然而，即使没有其他群落成员，每日传代制度也有可能使这些物种灭绝。通过孤立地传递8个温带物种来检验这一假设。8个物种中有7个在高滴度下持续存在 ^>105pfu/μl，这高于大多数社区的检测限。这表明，当培养中没有其他物种时，温带物种可以持续传代。来自裂解物种的竞争可能推动了它们的灭绝，因为温带物种通常产生的病毒粒子较少。

结果发现，两种或多种裂解噬菌体物种在感染克隆性大肠杆菌种群时始终共存。在构建的所有合成群落中，至少两种不同的噬菌体物种共存，并且没有一种噬菌体物种排除所有其他噬菌体物种的群落。这种共存维持了12次传代，并且始终包括来自不同科的多个裂解物种。这些噬菌体群落在生态上是稳定的，因此当它们最初在种群中占少数比例时，共存物种的频率会增加。与许多其他微生物系统一样，这些群落内的生态相互作用在很大程度上是负面的。尽管存在竞争，但由于生态位分离，可能会发生共存：群落2中的每个物种都通过优先复制克隆大肠杆菌宿主种群中自发出现的不同生长表型的细胞来持续存在。与噬菌体多样性需要宿主遗传多样性或空间分离的观点相反，发现裂解物种在充分混合、遗传同质的大肠杆菌菌株上稳定共存。因此，即使在最简单的环境中，也应该预期多种噬菌体物种的共存。这些发现与其他微生物系统的研究一致，在这些系统中，如果有足够的起始多样性，即使在单一的、限制生长的资源上培养，多种竞争细菌物种也可以共存。在共享宿主群体上出现的稳定噬菌体群落有可能成为不同噬菌体物种的特化、重组和社会互动的热点。

宿主生理学的表型变异允许不同噬菌体物种在一个焦点群落中共存，纵这种宿主表型使我们能够改变不同物种的相对丰度。预计表型异质性将与理解噬菌体共存广泛相关。即使在克隆实验室培养的大肠杆菌种群中，表型异质性也会通过转录和翻译的分子波动自发出现，因此是不可避免的。在自然环境中，预计细胞间异质性水平较高，之前广泛的测序研究发现噬菌体多样性超过宿主多样性。因此，单一细菌基因型支持的噬菌体多样性程度可能比本研究中发现的程度还要大。

正如多细胞生物在其微生物组中宿主多种细菌物种一样，实验结果表明，单个细菌菌株本身可以宿主多种噬菌体物种。还发现用于理解更复杂生物体中竞争共存的生态概念，包括生活史性状、生态相互作用和资源分配，对于解释稳定的噬菌体共存和群落组装很重要。结果表明，即使在极其限制性的竞争条件下，地球上最简单的生物实体仍然可以找到共存的途径。

参考文献：

Pyenson, N. C., Leeks, A., Nweke, O., Goldford, J. E., Schluter, J., Turner, P. E., Foster, K. R., & Sanchez, A. (2024). Diverse phage communities are maintained stably on a clonal bacterial host. Science (New York, N.Y.), 386(6727), 1294–1300. https://doi.org/10.1126/science.adk1183