噬菌体的多样性令人惊叹，人类肠道中就包含种数百不同的噬菌体物种，它们能够在数年内稳定存在。噬菌体的丰度同样巨大，一克土壤中就含有超过10亿个噬菌体病毒颗粒，地球上估计有10^31个噬菌体病毒颗粒。这种丰富性和多样性使得噬菌体在微生物群落动态、海洋生态系统营养循环以及人类健康中扮演着关键角色，因为它们影响着我们的微生物群落。

1、噬菌体共存

研究团队首先从不同的环境样本中分离出能够感染大肠杆菌K-12菌株BW25113的噬菌体物种，包括动物粪便和河水样本。经过纯化和基因组测序，得到了27种双链DNA尾噬菌体物种（Caudoviricetes），这些噬菌体在系统发育、表型和复制策略上具有多样性。实验中，研究团队将这些噬菌体物种随机组合成10个不同的噬菌体群落，并在单一的大肠杆菌宿主群体上进行传递实验。每24小时，通过过滤去除任何存活的细胞，并将噬菌体稀释到新鲜的大肠杆菌细胞上。经过12次传递后，通过深度测序确定每个群落中剩余的噬菌体物种。结果显示，所有噬菌体群落都达到了稳定共存，每个群落中都包含2到4种共存的噬菌体物种。

2、噬菌体共存的关键因素

研究发现，噬菌体的共存依赖于宿主表型的异质性。尽管宿主细菌是克隆的，但细胞在生长表型上存在差异，这些不同的生长表型为不同的噬菌体物种提供了生态位。例如，在实验中，一种噬菌体（phage N）在快速生长的细菌细胞中具有优势，而另一种噬菌体（phage S）则在缓慢生长的细菌细胞中具有优势。这种基于宿主表型的生态位分离使得不同的噬菌体物种能够在同一宿主群体中共存。

3、噬菌体-噬菌体相互作用

研究还发现，噬菌体之间的生态相互作用主要是对抗性的，包括竞争和偏害作用。例如，噬菌体S从与噬菌体N的共培养中受益，而噬菌体N则受到负面影响。这种对抗性相互作用有助于维持群落的稳定性，因为负相互作用比正相互作用更能促进生态稳定性。

4、噬菌体共存的分子机制

为了探索噬菌体共存的分子机制，研究团队以T7噬菌体为例进行了研究。T7噬菌体在缓慢生长的大肠杆菌细胞中繁殖良好，这归功于其编码的Gp5.7蛋白，该蛋白抑制了宿主在缓慢生长期间表达的RNA聚合酶RpoS。实验表明，T7噬菌体的Gp5.7蛋白对于其在与其他噬菌体竞争时在缓慢生长细胞中的成功至关重要。

关键结论

1. 噬菌体的稳定共存：尽管存在对单一克隆宿主群体的竞争，但两种或更多的噬菌体物种能够稳定共存。

2. 宿主表型异质性的作用：宿主细菌的表型异质性为不同噬菌体物种提供了生态位，从而支持了噬菌体的共存。

3. 噬菌体-噬菌体相互作用的性质：噬菌体之间的生态相互作用主要是对抗性的，这种相互作用有助于维持群落的稳定性。

4. 分子机制的探索：噬菌体编码的特定蛋白（如T7噬菌体的Gp5.7蛋白）可能在噬菌体对不同宿主生长状态的适应中起关键作用。

5、总结

本研究揭示了噬菌体在单一克隆细菌宿主上能够形成丰富的群落生态，其共存机制依赖于宿主表型的异质性和噬菌体之间的对抗性相互作用。这一发现为理解噬菌体多样性及其在生态系统中的功能提供了新的理论基础。未来的研究可以进一步探索其他噬菌体物种的分子机制，以及噬菌体群落在自然环境中的生态功能。

参考来源：

Pyenson NC, Leeks A, Nweke O, Goldford JE, Schluter J, Turner PE, Foster KR, Sanchez A. Diverse phage communities are maintained stably on a clonal bacterial host. Science. 2024 Dec 13;386(6727):1294-1300. doi: 10.1126/science.adk1183