Experimental evolution makes microbes more cooperative with their local host genotype
實驗進化使微生物與其本地宿主基因型更合作
摘要：微生物學(xué)的發(fā)展需要更好地了解有益微生物如何適應(yīng)宿主士袄。為了探究固氮細菌（根瘤菌）如何適應(yīng)豆科植物疆股，作者進行了長達一年的進化實驗和交叉接種實驗唁桩，來測試宿主是否會選擇更具協(xié)作性的微生物菌株遮精。作者將敏感菌株Ensifer meliloti與五種苜蓿(Medicago truncatula)基因型分別進行進化實驗缰揪，這些基因型苜蓿對共生細菌的選擇強度不同岗仑。在不依賴宿主選擇的情況下诅需，EM能迅速適應(yīng)宿主的基因型秧廉，而衍生（drive）的微生物在與宿主共享進化史時更有益。這種局部適應(yīng)性主要局限于共生質(zhì)林可能發(fā)生的基因突變涡拘。因此，合作依賴于伴侶基因型之間的配對据德，并且隨著細菌對該宿主的適應(yīng)而增加鳄乏。
宿主相關(guān)的微生物群通常是有益的跷车，但我們對這些共生關(guān)系中伙伴之間的適應(yīng)了解有限，尤其是在基因組水平上橱野⌒嘟桑互生有時被視為相互寄生，潛在地導(dǎo)致保持種群內(nèi)遺傳變異的對抗共同進化水援。然而密强，最近的研究質(zhì)疑了互惠關(guān)系中適應(yīng)沖突的普遍性，伴侶之間一致的適應(yīng)性利益應(yīng)該導(dǎo)致進化停滯蜗元，減少了伙伴質(zhì)量等互惠性狀的遺傳變異或渤。
劣質(zhì)(poor-quality)微生物可能是“騙子”(cheaters)，通過犧牲宿主為代價提高自己的適應(yīng)性奕扣。然而薪鹦，宿主經(jīng)常“選擇”他們的微生物群惯豆，并優(yōu)先與更合作的微生物聯(lián)系或給予獎勵池磁，選擇那些潛在的騙子。這樣選擇是適應(yīng)性過程楷兽，但是也是矛盾的：如果挑剔的寄主選擇了高質(zhì)量(high-quality)的共生體地熄，那共生體的質(zhì)量變化就會減少，減少了宿主對自身的選擇優(yōu)勢拄养。然而离斩，很多宿主是挑剔的，許多共生體也不是非常的有益瘪匿，那么這些無效(ineffective)微生物的存在就很令人困惑跛梗。
無效(ineffective)微生物可能只是與其宿主不匹配。一種宿主基因型上的高質(zhì)量微生物可能在另一種宿主基因型上屬于低質(zhì)量微生物棋弥。這種共生體質(zhì)量的基因型-基因型相互作用(GxG)很常見核偿，維持了共生體提供給宿主的利益的變異，是共同進化的先決條件顽染。局部適應(yīng)漾岳，即來自同一位點的伙伴優(yōu)于來自不同位點的伙伴，可以產(chǎn)生GxG相互作用并發(fā)生在互惠中粉寞，但它不是普遍存在的尼荆。此外，在局部適應(yīng)或GxG相互作用的遺傳機制仍然很大程度上是未知的唧垦。
豆科植物與根瘤菌的相互作用具有重要的經(jīng)濟和生態(tài)意義捅儒，是研究相互作用的一個模型。豆科植物通過根瘤菌將碳轉(zhuǎn)化為氮，根瘤菌存在根瘤中巧还。根瘤菌傳代快鞭莽，可培養(yǎng)，可通過水平基因轉(zhuǎn)移獲得突變麸祷。根瘤菌也適用于能夠識別與表型相關(guān)的基因組變異的全基因組關(guān)聯(lián)研究(GWASs)澎怒。Burghardt等人采用這些方法，發(fā)現(xiàn)寄主根瘤菌的選擇性強于自由生活在土壤中的根瘤菌阶牍。
在這里喷面，作者對根瘤菌在選擇性不同的五種宿主基因型中的一種上進化后進行了重新測序和交叉接種，以測試更挑剔的宿主是否會選擇更合作的共生體走孽，或者根瘤菌是否會適應(yīng)當?shù)氐乃拗骰蛐凸猿辍Ｊ褂昧藘煞N不同宿主效益的根瘤菌菌株：不敏感的菌株Sm1021(這里簡稱為Em1021)和敏感的固氮菌菌株WSM1022 (Em1022)。然后將這兩個株系與五種苜蓿自交系中的每種分別進行配對實驗融求，270株系不加選擇。而其他株系都更喜歡Em1022而不是Em1021算撮，在過去的實驗中生宛，267株系幾乎只與Em1022合作。經(jīng)過歷時一年肮柜、跨越5代植物的進化實驗陷舅，作者從根瘤中分離出“衍生”根瘤菌，并將它們與原始的“祖先”(ancestral)菌株進行比較审洞。
盡管Em1021開始時具有雙重優(yōu)勢莱睁，但它幾乎在所有寄主株系上滅絕(圖1)。在實驗結(jié)束時芒澜，Em1021只與15%的植株相關(guān)仰剿，在336個取樣的結(jié)節(jié)中只占3%。在結(jié)合土壤和根瘤應(yīng)變頻率的線性模型中痴晦，發(fā)現(xiàn)世代的影響邊際顯著南吮，而株系的影響不顯著。有效的共生體誊酌，Em1022部凑，在所有的寄主上超過了Em1021，而不管其選擇性如何碧浊，這表明伴侶的選擇并不是一個重要的選擇力量涂邀。
作者通過種植5個株系的新種子，分別接種原始的Em1022或40個衍生分離株中的1個箱锐，測試所有可能的宿主基因型和分離株組合的重復(fù)比勉，來檢測Em1022表型。作者通過測定地上部植物生物量量化根瘤菌對宿主的貢獻，對40個衍生菌株的全基因組進行測序敷搪，并對每個祖先的9個重復(fù)進行測序兴想，并對特定宿主基因型和所有株系的共生體質(zhì)量和適應(yīng)度進行GWASs檢測。
實驗進化的細菌給宿主帶來的好處的差異很大程度上取決于根瘤菌和宿主基因型之間的匹配赡勘。衍生的Em1022和祖先的Em1022在共生體質(zhì)量或適應(yīng)度方面沒有顯著差異(表S1A和S2A)嫂便。然而，在進化實驗中闸与，衍生菌對與之配對的宿主基因型提供了更大的好處(圖2A)毙替，盡管少數(shù)分離株是高或低質(zhì)量的植物株系共生菌(圖2A，S1和S2)践樱。衍生根瘤菌在其本地宿主基因型上進行測試時也獲得了更高的適應(yīng)度厂画，除了在最不挑剔的宿主基因型上進化的分離株(第270行)(圖2B)。線性混合模型發(fā)現(xiàn)拷邢，共享的進化歷史對根瘤菌質(zhì)量和適應(yīng)度都有顯著的正向影響(表S1B和S2B)袱院。
從所有宿主的平均值來看，根瘤菌質(zhì)量和適合度之間存在正相關(guān)關(guān)系(圖S3)瞭稼，這表明40個衍生菌株沒有進化出欺騙忽洛，強烈的適合度反饋使合作適應(yīng)根瘤菌。同一性狀在不同宿主上的兩兩相關(guān)性較弱环肘，通常在統(tǒng)計學(xué)上不顯著(圖S4)欲虚，這表明一個宿主上的微生物質(zhì)量或適應(yīng)度很難預(yù)測另一個宿主上的質(zhì)量或適應(yīng)度。
苜蓿分離到的根瘤菌的基因組測序發(fā)現(xiàn)了1330個遺傳變異悔雹，包括547個從頭突變（圖S5A）复哆。多數(shù)從頭變異（305）特異于最少選擇宿主細胞系（第270行）產(chǎn)生的根瘤菌； 較少的變異體（16到59）是針對其他品系的根瘤菌特異的（圖S5A）腌零。在篩選出高連鎖不平衡中的大多數(shù)單例和變體梯找，突變基因減少到363個之后，又通過GWAS在一個或多個宿主環(huán)境（表）中鑒定了145個與根瘤菌質(zhì)量或適應(yīng)性顯著相關(guān)的變體（稱為重要突變體）莱没。這些變體大多位于兩個共生質(zhì)粒pSymA(62個)和pSymB(68個)上(細菌染色體15個)初肉，它們分別含有根瘤菌生命周期的共生和自由生活階段必不可少的基因。
Beta值代表基因組變異與表型之間的關(guān)聯(lián)強度饰躲，在共生體質(zhì)量與適應(yīng)性之間呈正相關(guān)意味著增加微生物適應(yīng)性的基因組變異也增加了微生物對植物的益處牙咏。在每個宿主環(huán)境中，大多數(shù)重要變體在進化實驗中與該宿主基因型配對的分離株中進化（即局部變體嘹裂；圖3A中的紅色符號和圖3B中的逗號前的數(shù)字）妄壶。如果共生體質(zhì)量和適應(yīng)性的β得分均大于零，則將變異效應(yīng)分類為“合作”寄狼；如果共生體質(zhì)量和適應(yīng)性的β得分均小于零丁寄，則將變異效應(yīng)分類為“缺陷”氨淌；如果共生體質(zhì)量β值為正，但對宿主適應(yīng)性的β值為負伊磺，則為“利他”盛正；如果共生體質(zhì)量β分為負，但對宿主適應(yīng)性的β值為正屑埋，則為“騙子”豪筝。在所又5個宿主環(huán)境中，大多數(shù)顯著的變異效果是協(xié)同的和局部的（圖3B和表S3）摘能。
通過將基因組隨機分配給表型1000次并重新計算β得分续崖，作者使用排列來評估這種模式是否可能是偶然發(fā)生的。在5％錯誤發(fā)現(xiàn)的情況下团搞，所有五個宿主環(huán)境中的本地合作關(guān)系明顯較多（圖3B严望，加號），而在某些宿主環(huán)境中逻恐，本地利他主義和本地作弊者的關(guān)聯(lián)（圖3B像吻，負號）也明顯較少。其他類別（例如复隆，有缺陷的變體）中的關(guān)聯(lián)數(shù)量與零期望沒有不同萧豆。
局部合作變體位于可能編碼鈣結(jié)合蛋白，黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD）結(jié)合氧化還原酶和兩種Ti型共軛轉(zhuǎn)移松弛酶的基因中（表S3）昏名。這些功能可能與結(jié)節(jié)內(nèi)結(jié)節(jié)的發(fā)生或根瘤菌的存活有關(guān)（23）。變異效應(yīng)通常是宿主特有的阵面，并且通常對其本地宿主有條件的好處轻局，或者對非本地宿主有害（表S3），這表明在本地環(huán)境中進行選擇样刷，在非本地環(huán)境中進行漂移仑扑。當變體對多個宿主表現(xiàn)出顯著影響時，它們往往在宿主之間始終是有益或有害的置鼻； 只有兩個變體在宿主之間具有顯著的相反符號效應(yīng)镇饮，這表明折衷很少見（表S3）』福總之储藐，由于細菌適應(yīng)了其本地宿主基因型，因此偶然發(fā)生的合作比偶然發(fā)生的頻繁嘶是，而欺騙或利他的發(fā)生則更少钙勃。
在進化實驗中，作者期望最選擇的宿主系最強烈地支持更好的共生體Em1022聂喇。然而辖源，無效菌株Em1021在所有植物品系中幾乎滅絕，甚至在沒有選擇性的寄主上也是如此（圖1），這表明該菌株是普遍競爭較弱的菌株克饶。相比之下酝蜒，Em1022進化了以前未表征的變體，其共生體質(zhì)量和適應(yīng)性均不同矾湃。衍生細菌提供了更大的宿主益處亡脑，并且通常在共享進化史的宿主基因型上具有更高的適應(yīng)性（圖2），并且檢測到顯著過量的基因組變異對本地宿主具有協(xié)同作用（圖3）洲尊。這些結(jié)果表明远豺，與伙伴選擇相比，局部適應(yīng)是塑造微生物合作更重要的進化力量坞嘀。此外躯护，當微生物始終與同一宿主配對并且擴散受到限制時，所產(chǎn)生的局部適應(yīng)性可能導(dǎo)致更多而不是更少的合作丽涩。出現(xiàn)了一種適應(yīng)宿主-微生物共生的模型：微生物可以通過站立或從頭變異迅速適應(yīng)特定的宿主基因型棺滞，這些變異也有益于本地宿主，但對非本地宿主基因型有不同的影響矢渊，從而保持了共生質(zhì)量的差異继准。觀察與宿主相關(guān)的微生物。該結(jié)果還暗示了在密切相關(guān)的宿主之間移植微生物群更可能有效矮男，或者需要給微生物足夠的時間使其適應(yīng)新的宿主環(huán)境移必。
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