噬菌体抗性成本决定溶源体与噬菌体敏感株之间竞争

许多细菌基因组携带有前噬菌体，诱导它们可以消除一些细菌。作为回应，细菌可能通过修改表面受体、溶源化或其他鲜为人知的机制而产生抗性。所有这些机制都影响着细菌的种群动态。前噬菌体对细菌的好处是能提供重复感染保护细菌免受其他噬菌体的侵染。此外，当溶解循环启动时，它可能通过直接调节群落内的竞争来促进繁殖，因为释放的病毒粒子会感染并溶解密切相关但不完全相同的菌株，这可以促进细菌从竞争对手那里获得适应度特征。因此，前噬菌体的诱导会影响细菌种群动态、群落结构和进化作用。

来自法国巴黎大学巴斯德学院的Olaya Rendueles研究团队在期刊《eLIfe》上发表题为Competition between lysogenic and sensitive bacteria is determined by the fitness costs of the different emerging phage-resistance strategies的文章。研究人员选取了一株噬菌体敏感菌株（BJ1）和一株多溶源性肺炎克雷伯菌（ST14）作为研究对象。并且定义了三种不同的环境培养细菌，分别是(i) LB；（ii）LB添加0.2%柠檬酸，以抑制钙螯合引起的噬菌体感染；（iii）LB与丝裂霉素C（MMC，0.1µg/mL），以增加环境中的噬菌体滴度。

起初，研究人员评估了ST14噬菌体是否能够为其宿主提供长期（超过10天）的适应度优势。实验与预期的一样，未观察到ST14有明显的变化（图1）。可能的解释是ST14作为噬菌体的生产者，并没有改变其种群产量（图2A）。有趣的是在30天的共同进化中，ST14业并没有完全将BJ1从种群中去除，即使是在菌株ST14产生噬菌体较多的条件下（MMC）。这表明，前噬菌体介导的竞争可以通过竞争菌株的抗性机制进化来抵消。

图1：共同进化实验中两种菌株的群体产量和荚膜菌株的比例

为搞清楚可能的抗性机制，研究人员深入了解发现所有独立种群中都迅速出现了非荚膜的克隆株（图2B），且在噬菌体压力更大的环境中，BJ1群体中非荚膜克隆体的出现会加剧。因此，认为是噬菌体的压力加速了荚膜的失活。可见，噬菌体压力可以驱动受体失活作为一种抗性机制。实验接近结束时，在种群中观察到荚膜克隆株出现的频率不断增加，提示出现了其他的抗性机制。接下来，研究人员对基因wcaJ进行测序，该基因编码荚膜生物合成途径中的第一个糖基转移酶，以确定受体失活的遗传原因，结果表明基因wcaJ均发生突变，导致了大部分功能丧失。

同时，为了证明敏感株BJ1是否进化出了其他的抗性机制，研究团队分析了群体中不同时间点的荚膜克隆株的抗性机制。首先通过分离了1200个荚膜克隆株，量化了溶源性BJ1细菌相对于其他抗性机制的比例。结果表明，溶源体在所有种群中均出现，是低频率的，出现后数量迅速减少（图2）。接着，研究人员利用eVIVALDI模拟前噬菌体对群体中溶源体长期稳定性的影响，发现两种不同的模式。在较低的噬菌体自发诱导率（1~5%)，能产生稳定的、低成本的溶源体；而在高自发诱导率情况下，溶源体先是迅速占领种群后消失不见，因为后期噬菌体的自发诱导而迅速死亡。综上所述，本研究结果表明，大多数克隆株因荚膜失活产生了抗性，少数通过溶源转化，以及其他通过新的机制，表明存在多种噬菌体抗性机制之间的竞争。

图2：菌株BJ1的抗性机制的演变

本研究指出，抗性机制的成本随噬菌体压力和时间尺度而变化。在噬菌体存在的情况下，溶源性导致适应度的高成本。用不同细菌诱导生产的噬菌体裂解物，证明了受体改变而不是溶源化提供了对其他噬菌体的交叉抗性。噬菌体抗性机制的效率和适应度成本都是与环境相关的，因为它们需要在不同的环境条件下进行权衡。如一些突变体只对液体培养基中的噬菌体产生抗性，但在琼脂上生长时，对相同的噬菌体保持完全敏感。可见，细菌受到噬菌体的影响时相互作用产生的结果是复杂的。

参考文献：Rendueles O, de Sousa JAM, Rocha EPC. Competition between lysogenic and sensitive bacteria is determined by the fitness costs of the different emerging phage-resistance strategies. Elife. 2023 Mar 28;12:e83479. doi: 10.7554/eLife.83479. PMID: 36975200; PMCID: PMC10076033.