Science: 细菌种间很少合作

Link: https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn5093

细菌物种之间负相互作用很普遍，而互惠很稀少。这种普遍的竞争给工程应用提供价值，不需要加入抗生素即可消除致病菌。

对于同一个物种来说，他们基因组相同，如果该物种总量是增加的，自然选择可以使得一个细胞投资另一个细胞。但对于不同物种，由于不同基因型相互作用时竞争的自然选择作用，预计合作将不那么普遍。

前人对树洞、哺乳动物肠道，线虫肠道，叶状层（植物叶子和空中组织）和土壤研究表明合作很稀少。但是很多研究同样表明合作在细菌中普遍存在。

作者推测，不同的研究可以产生完全不同的结果，这可能是由不同的方法引起的，也可能是由群落之间的实际差异引起的。

作者举了一个例子，测量20种土壤细菌之间的相互作用，结果表明可培养细菌中正相互作用更为常见。这似乎表明土壤群落与树洞和其他环境的土壤群落非常不同。

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通过与树洞研究相比较，作者发现不同研究对于正相互作用的定义有微小但关键的差异(asubtle but critical change)。如一些研究只把互惠(+/+)作为正相互作用，而另一些研究把偏利作用（+/-），如寄生和捕食也作为正相互作用。不同的定义导致了结果的差异。

群落中的细菌物种之间存在多种相互作用，包括互利主义（+/+），偏利（+/−）和竞争（−/−）。细菌如何相互作用对于群落的稳定性和组成很重要。

对土壤，秀丽隐杆线虫肠道，人类肠道，小鼠肠道，黑色果蝇肠道和金属加工液的研究表明，竞争和偏利等对抗性互动占主导地位，而互利很少见。

在一些研究中，当成对的物种被培养（“多样性低”）（图底部）时，可以看到互利的例子，但这些物种在更接近自然的多样性水平（“多样性高”）的培养中消失了。

无论使用哪种正相互作用的定义，在土壤细菌研究中，负相互作用比正相互作用更常见。

但研究也表明在一些特定环境如人类肠道和有毒金属加工液，正相互作用会增加。

在这种情况下，低物种多样性和与在恶劣环境中的生长密切相关。当添加养分或其他物种时，正相互作用会消失。如对树洞细菌研究还发现，负相互作用的影响随着物种多样性的增加而增加，大概是因为更多物种的存在增加了对限制营养物质的竞争。

数据中的另一个重要模式是生态相互作用强度的可变性，其中许多相互作用是相对较弱的。与负相互作用一样，弱相互作用由进化模型预测：物种之间的强竞争被预测为推动一个物种的灭绝或生态位分化的进化，从而削弱竞争。

然而这些微弱的负相互作用也带来了一些难题。许多细菌使用强效抗菌毒素相互对抗，从而产生强烈的负相互作用。抗菌毒素通常针对同一物种的个体，这些个体争夺相同的营养和位置。

因此，许多强烈的负相互作用发生在一个物种的不同基因型（菌株）之间，而大多数以不同物种为重点的生态调查都没有捕捉到这些相互作用。这些种内相互作用值得更多关注。

从工程的角度来看，负的和弱的相互作用可能是可取的，因为两者都可以促进稳定性。

如人类肠道微生物组的一个关键特征是其相对稳定性，这使其能够从扰动中恢复过来。

负相互作用也会驱动优先级效应，其中后到的物种由于早期到达物种的影响而无法生长。

因此，竞争和偏利可能会使新物种的加入具有挑战性。这种效应在益生菌研究中很普遍，其中“有益”细菌物种通常无法定植于肠道。然而当进入的细菌有害时，这种定植抗性也可能是一种好处。

随着致病菌耐药性的不断上升，迫切需要抗生素的替代品，人们非常有兴趣寻找既定植于人类微生物组又与病原体竞争强烈的细菌。竞争的流行率和强度可能决定了抗生素耐药性危机的出路。