受体修饰与适应性之间的权衡驱动宿主-噬菌体共同进化，导致噬菌体灭绝或共存

1、宿主细菌的进化动态

噬菌体抗性模式：在与噬菌体SF1共同进化30天后，沙门氏菌菌株表现出多种噬菌体抗性模式，包括敏感（S）、部分抗性（PR）和完全抗性（R）。其中，S187菌株在第6天就成功清除了噬菌体，而S3和S5-483菌株则与噬菌体共存了整个30天。

抗性与噬菌体吸附的关系：噬菌体抗性强度与噬菌体吸附率呈强线性相关，表明宿主细菌通过表面修饰来阻止噬菌体吸附是主要的抗性机制。完全抗性菌株的噬菌体吸附率几乎为零，而部分抗性菌株的吸附率介于敏感菌株和完全抗性菌株之间。

适应性成本：完全抗性菌株在进化过程中付出了更高的适应性成本，其相对适应性显著低于部分抗性菌株和敏感菌株。这种高适应性成本可能是导致S3和S5-483菌株与噬菌体共存的原因之一，因为它们无法无限增加抗性而不付出代价。

2、噬菌体的进化动态

噬菌体的适应性进化：与宿主细菌共同进化的噬菌体也表现出适应性进化。这些噬菌体在宿主范围和抑制能力上发生了变化，能够更好地感染它们共同进化的宿主菌株。例如，某些进化后的噬菌体在感染祖先宿主细胞时表现出更长的潜伏期和更高的爆发量。

噬菌体对宿主抗性的克服能力：进化后的噬菌体能够感染一些原本对祖先噬菌体具有抗性的宿主菌株，但它们对这些宿主菌株的感染效率显著低于对祖先宿主的感染效率。这表明宿主细菌的抗性进化和噬菌体的适应性进化之间存在动态的平衡。

3、基因层面的进化机制

宿主细菌的关键突变与次要突变：宿主细菌的抗性进化涉及关键突变（KMs）和次要突变（SMs）。KMs主要涉及rfaH调控的rfb基因簇中的无义突变或移码突变，这些突变导致O-抗原合成缺陷，从而使宿主细菌对噬菌体产生不可克服的完全抗性。而SMs则涉及其他对抗性有贡献但不那么关键的基因突变，这些突变可能导致部分抗性或可被进化后的噬菌体克服的完全抗性。

噬菌体的基因突变：进化后的噬菌体基因组中，突变主要集中在尾纤维蛋白基因上，这些突变使得噬菌体能够识别宿主细菌表面修饰后的受体或提高结合效率，从而维持其感染能力。

4、进化结果的决定因素

抗性进化与适应性成本的权衡：宿主细菌的抗性进化和适应性成本之间的权衡决定了宿主-噬菌体共同进化的最终结果。具有较低适应性成本、较高突变率和较高KMs频率的宿主细菌能够快速且强烈地发展抗性，最终导致噬菌体灭绝。相反，那些在适应性成本、突变率和KMs频率方面存在缺陷的宿主细菌则倾向于与噬菌体共存。

进化动态的平衡：在共存模型中，宿主细菌的S、PR和R群体之间的适应性成本与噬菌体压力之间的平衡导致了波动选择动态。这种动态使得宿主细菌和噬菌体在进化过程中相互制约，最终达到一种动态平衡，导致共存。

综上所述，这篇研究揭示了宿主细菌与噬菌体在共同进化过程中复杂的动态关系。宿主细菌通过表面修饰来阻止噬菌体吸附，而噬菌体则通过进化其尾纤维蛋白来适应宿主的变化。宿主细菌的抗性进化和适应性成本之间的权衡决定了它们与噬菌体的最终进化结果，即噬菌体的灭绝或共存。这些发现不仅增进了我们对微生物相互作用的理解，还为噬菌体疗法等应用提供了重要的理论基础。

文章来源：

10.1093/ismejo/wrae214