在噬菌体治疗、实验和数学模型中，有证据表明噬菌体驱动微生物群落的形成。然而，许多研究表明噬菌体在塑造群落动态方面的作用很小或根本没有作用，这表明噬菌体可能是微生物群落变化的追随者。来自协同进化研究的证据表明，噬菌体可能在菌株而不是物种水平的组成塑造方面发挥更大的作用。在相对简单的群落中，噬菌体最有可能影响群落组成。

近日，英国埃克塞特大学环境与可持续发展研究所Meaghan Castledine在Trends in Microbiology发表了一篇关于噬菌体塑造微生物群落的综述。批判性地回顾了探索噬菌体在群落中的作用的理论和数据，确定了噬菌体可能成为群落组成重要驱动因素的条件。在生态尺度上，作者认为噬菌体通常是微生物种群和群落动态的追随者而不是驱动者。虽然噬菌体可以影响物种内的菌株多样性，但目前还没有强有力的证据表明物种菌株的波动会影响群落组成。

噬菌体：群落组成的重要驱动因素？

作为地球上最丰富的“生命形式”，噬菌体在塑造微生物生态学和进化方面具有决定性的作用。温带噬菌体和裂解噬菌体都可以通过噬菌体强加的选择发挥重要的间接进化作用，例如，通过加速突变率和驱动水平基因转移。虽然噬菌体几乎可以肯定地塑造了微生物的遗传多样性，但它们在生态时间尺度上塑造群落组成方面所起的作用尚不清楚。

与一般的生态群落一样，微生物群落被认为是由自下而上（营养水平、温度、光照水平等）和自上而下（病毒、捕食性纤毛虫、水蚤等）因素共同驱动的。据估计，每天有40%的海洋微生物被噬菌体杀死/裂解）。然而，由于噬菌体依赖于其细菌宿主进行复制，因此尚不清楚噬菌体是群落动态的驱动者还是追随者。

噬菌体可以塑造群落组成

据推测，噬菌体的主要生态效应之一是通过竞争性释放来调节种间竞争，从而促进微生物分类群的共存。

在“杀死赢家”（KtW）假说中，微生物分类群的成功与频率呈负相关，因为噬菌体裂解速率随着微生物丰度或活性的增加而增加。相对于其他微生物宿主而言，这种稀有的优势可以进一步增加，因为噬菌体通常感染特定的微生物物种甚至菌株，这意味着稀有微生物类群与其噬菌体之间的相遇率相对较低。此外，在对噬菌体的抗性和竞争能力之间可以进行权衡。假设噬菌体丰度随着竞争类群的丰度增加而增加，竞争类群和抗性类群都将具有罕见的优势。自然群落对KtW的一些最有力的支持来自藻华，藻华在病毒载量达到峰值后下降，导致微生物多样性连续增加。同样，霍乱弧菌（霍乱的致病细菌）种群已被发现与其噬菌体种群的密度密切相关，因此噬菌体也会影响霍乱流行。在没有霍乱噬菌体的地方，一项研究发现霍乱弧菌密度和霍乱暴发率更高。因此，噬菌体被认为在维持低霍乱弧菌密度方面具有显着作用，这可能会影响周围的微生物多样性。

快速演化也有助于KtW动力学。进化的宿主对噬菌体的耐药性，在更大的选择下，优势群体可以降低群体的竞争能力（通过诱导适应成本），例如，增加对竞争对手产生的抗菌肽的敏感性。由于噬菌体耐药性可以迅速进化，如果耐药性带来的好处是短暂的，并且被竞争适应性的丧失所抵消，种群可能会迅速受到抑制。多个竞争者的存在已被证明会增加病原体群落内铜绿假单胞菌的耐药成本。因此，噬菌体选择压力与竞争微生物物种之间存在明显的进化和生态相互作用，可以影响微生物群落组成。

如果最丰富的微生物种群更有能力进化抗性，噬菌体也可以驱动群落组成。SAR11是海水群落中的优势细菌群落，据推测，在与噬菌体感染相关的位点，通过高水平的基因重组来维持其优势地位。SAR11的例子支持了“山中之王”（King of the Mountain，KoM）假说，以解释优势微生物种群如何保持优势，因为它们的丰度使种群在抗性进化中具有优势。实验支持来自对荧光假单胞菌的研究，其中密度较高的合作种群比稀有的非合作亚种群更能进化噬菌体抗性。KoM 的研究将微生物密度与水平基因转移速率、噬菌体抗性和基因组简化相关联。最近的分析发现，与其他细菌群相比，蓝藻具有不成比例的RM修饰系统数量。然而，优势群体是否选择性地增加其防御库以响应更高的噬菌体压力，或作为对其他寄生DNA更广泛利用的反应，尚不清楚。

优势群体中重组或基因转移率高可能会选择针对不一定与噬菌体相关的外源DNA的防御策略。我们注意到，KoM假说与KtW的独特性受到质疑，因为SAR11可以在“应变”水平上遵循KtW动态，因此在不同的生态尺度上为这两种假说提供了支持。

噬菌体并不总是塑造群落组成

支持噬菌体在塑造微生物群落中的作用的证据好坏参半。在自然界中，研究追踪了各种微生物组中的微生物和噬菌体丰度，发现密度非常稳定。此外，将噬菌体和/或营养物质（后者用于操纵群落组成的自下而上控制）添加到群落中的实验工作发现了相互矛盾的结果，包括噬菌体对群落组成没有影响。

KtW假说的许多证据是相关的，其中微生物种群与噬菌体丰度一起波动，而与因果关系没有明确的联系。如果环境条件有利于微生物生长，那么噬菌体自然会受益，并随着宿主密度的增加而增加。随着环境条件变得不利（例如毒素积聚、资源枯竭、季节变化），微生物和噬菌体种群将陆续下降。在自然群落中添加/去除营养物质或噬菌体的实验性添加/去除，都无法回答哪个变量更重要。

KtW假说和观测数据之间的一些不一致导致了自上而下控制作用较小的假设。根据KtW假说，高宿主密度应导致更高的裂解速率，因为更多的宿主可用于噬菌体复制。该预测假设噬菌体主要是裂解性的，并且没有考虑噬菌体生活史的变化。游离噬菌体和受感染微生物之间的比例通常随着宿主密度的增加而下降，这表明更多的噬菌体正在变成溶原性噬菌体，从而不会主动裂解宿主。“Piggyback the Winner”（PtW）假说认为，高宿主复制率有利于温带噬菌体采用溶原状态，因为在健康宿主中意味着噬菌体受益于垂直（母细胞到子细胞）传播的增加。与这一观点一致，当宿主应激增加时，温带噬菌体被刺激变得裂解，如细胞损伤、群体感应和代谢状态所表明的那样。如果溶原状态通过保护宿主免受噬菌体重叠感染等方式具有优势，那么噬菌体生活史决策可能有助于驱动（而不仅仅是遵循）微生物种群动态。虽然在一些实验研究中有证据表明溶原有很大的益处，目前还没有直接证据表明互惠溶原在驱动自然群落物种变化中的作用。

噬菌体抗性成本高昂，这是许多支持噬菌体自上而下控制的模型做出的关键假设。成本可以降到最低，也可以通过补偿性适应来改善。抗性机制成本取决于环境，根据具体情况，选择可以偏向于成本较低的策略。因此，不能总是假设病毒可以通过裂解或抗性成本来抑制细菌密度。

协同进化和病毒相对重要性

微生物可以进化出噬菌体抗性，而噬菌体则通过一系列机制进化以克服耐药性（协同进化）。微生物和噬菌体之间的共同进化很常见，并且存在于不同的分类群中。（共同）进化的快速性意味着它可以直接影响微生物-噬菌体生态动态，微生物种群在对噬菌体具有抗性时密度增加，而在易感时密度下降。相互作用的微生物和噬菌体对之间的协同进化动力学会有所不同，一些微生物分类群比其他微生物分类群更容易进化出抗药性。因此，微生物和噬菌体之间的协同进化动态，包括各自的抗性进化和感染率，可以决定噬菌体对群落组成的影响。

噬菌体影响群落组成的能力将受到是否以及如何长期维持协同进化的影响。在实验室条件下，在更长的时间尺度上协同进化的例子很少。协同进化对微生物来说往往是高度不对称的，有时根本不会发生，因为噬菌体无法克服细菌的耐药性。在这些情况下，噬菌体只有在易感种群维持的情况下才能与微生物共存，通常是通过它们的相对生长速率优势。在实验室系统中，微生物已被证明在“长期”共培养中比噬菌体具有相对优势。这在一定程度上是因为与噬菌体突变和/或找到新受体相比，微生物通常更容易修改噬菌体感染的受体，有时甚至抛弃噬菌体感染的受体。这种协同进化的不对称性被放大，微生物宿主可以通过升高的突变率产生更大的遗传变异或水平基因转移。

协同进化动力学能否长期持续，还取决于同时发生的选择压力，特别是专门的抗性策略。微生物面临来自多种寄生DNA来源的压力，包括质粒、噬菌体和转座子，微生物利用相同的免疫机制来控制它们的复制。在最近的分析中，微生物靶向质粒的CRISPR间隔区数量是靶向噬菌体的五倍，这表明噬菌体并不是主要驱动CRISPR进化的。值得注意的是，许多防御系统可以编码在移动遗传元件（MGEs）上，因此表明它们在MGE之间的竞争和自私的MGE复制（在宿主利益之外）中具有更广泛的作用；因此，宿主可以通过MGE积累防御系统。如果噬菌体不主要参与驱动宿主进化，细菌-噬菌体协同进化周期可能很慢或不存在，因此噬菌体对微生物群落组成的影响最小。

参考：Castledine M, Buckling A. Critically evaluating the relative importance of phage in shaping microbial community composition. Trends Microbiol. Published online March 20, 2024. doi:10.1016/j.tim.2024.02.014